2基于单片机控制的电动车快速充电器的设计

设计题目：基于单片机控制的电动车快速充电器的设计班级：10级计算机控制技术班学生姓名：学号：指导教师：职称：指导小组组长：教学班负责人：设计时间：2012年5月 22日至 2012年6月22日基于单片机控制的电动车快速充电器的设计摘要：目前，电动自行车因其轻便无污染越来越受到消费者的青睐，我国的电动自行车更是突飞猛进的发展。

但是，行驶里程的长短是消费者衡量电动自行车质量好坏的主要标准之一，而电池不耐用，充电时间长是行驶里程长短的决定因素。

本设计就是要探讨解决这一难题的方法，提出一种电动自行车快速充电的模式来解决这一问题，设计出性能优良、运行可靠的电动自行车蓄电池快速充电方法。

本设计以AT89C51为核心，使用脉冲充电法实现快速充电，热敏电阻作为温度传感器和NE555组合起来组成温度检测电路，实现对温度的检测，达到保护电池的作用。

还有相应的软件部分。

关键词：电动车，快速充电器，AT89C51，单片机。

Abstract:At present, the electric bicycle because its light pollution by more and more customers, our electric bike by leaps and bounds development. But, the length of the trip mileage is consumer measure electric bicycle quality stand or fall of one of the main standard, and the battery not durable, charging time is long trip mileage of the length of the deciding factor. This design is to explore the method to solve the problem, this paper puts forward a kind of electric bicycle fast charging model to solve the problem, the design of excellent performance, reliable operation of electric bicycle batteries fast charging method. This design USES AT89C51 as the core, using pulse charging fast charging method to implement, thermal resistor as temperature sensor and NE555 combined temperature detection circuit composed, and to realize the temperature testing, to protect the function of the battery. And the corresponding software parts.Key words: electric car ,quick charger ,AT89C51, microcontroller.目录第一章引言 (1)1.1 本课题的研究背景、发展及意义 (1)1.2 本课题的基本内容 (1)第二章基本理论介绍 (2)2.1 铅蓄电池充电理论基础 (2)2.2 快速充电方法的研究 (3)2.3 脉冲快速充电法的理论基础 (6)2.4 脉冲快速充电器的工作原理 (7)第三章控制系统总体方案设计 (8)3.1 控制方式 (8)3.2 总体方案设计 (9)第四章系统硬件电路设计 (10)4.1 充电器主电路设计 (10)4.2 控制电路的设计 (14)4.3 整体电路设计 (18)第五章系统软件程序设计 (19)5.1 温度检测中断程序 (19)5.2 电压检测子程序 (19)5.3 充电脉冲控制子程序 (21)5.4 单片机主程序 (21)第六章设计总结 (24)致谢 (25)参考文献 (26)第一章引言1.1 本课题的研究背景、发展及意义据环境部门统计，目前，大气污染的24%来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染的比例也会相应提高，据调查2010年汽车尾气造成的大气污染占空气污染的64%，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统。

随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，世界公认的最有发展前景的解决方案是电动车。

开发实用、安全、清洁的移动电源，寻求相关的节能、环保解决方案——如发展新型电动车，成为当前各国的迫切任务。

然而从电动自行车总体性能来看，真正制约电动自行车发展，能否保证电动自行车可持续增长的关键，还是电动自行车电池使用寿命的问题。

影响电池使用寿命的因素很多，归纳起来，其主要因素是两个方面：首先是电池本身的性能和质量，其次是电池的充电和管理。

电动车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车，由于环保的要求，加之新材料和新技术的发展，电动车进入了发展高潮。

电动车作为绿色交通工具，将在二十一世纪给人类社会带来巨大的变化。

顺应当前国际科技发展的大趋势，将电动车作为中国进入二十一世纪汽车工业的切入点，不仅是实现中国汽车工业技术跨越式发展战略抉择，同时也上实现中国汽车产业可持续发展的重要选择。

时下，电动自行车以时尚便捷环保成为了很多人的代步工具。

然而，电动自行车电池不耐用，三天两头要充电，充电频繁成为电动车使用者头痛的问题。

同时，电动自行车一次充电饱和，一般可以行驶三十公里以上（因电池容量的不同差异较大），当把电动自行车作为较远距离的交通工具的时候，就没有电返回，而要等到重新充电完毕则要花上好几个小时时间。

本次课程设计就是针对解决电动自行车充电器充电慢的问题而选题的，旨在开发一个根据电池饱和的程度智能改变充电模式，并可以在较短时间（四小时）之内可以将电池充好的电动自行车快速充电器（电池规格48V、20A），以解决使用电动自行车远距离骑游的困扰。

1.2 本课题的基本内容电动自行车快速充电器的设计所涉及的基本内容大概有：第一，有关电动自行车铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。

第二，关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。

第三，交流电流对电池充电的原理及其特点。

第四，充电器对充电过程的检测及其自动转换。

第五，充电器在充电过程中对电池的保护功能。

第六，电路设计及其元件的选择调试等。

第二章 基本理论介绍2.1 铅蓄电池充电理论基础上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图1最佳充电曲线由图1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。

主要原因是充电过程中产生了极化现象。

在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板(正极板产生氧气)，使电池内部压力加大，电池温度上升 ，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

蓄电池是可逆的。

其放电及充电的化学反应式如下O H PbSO SO H Pb PbO 24422222+⇔++ （1）很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行, 这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

a ）欧姆极化 充电过程中，正负离子向两极迁移。

在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。

为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。

该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。

随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

b ）浓度极化 电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。

实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。

也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。

这种现象称为浓度极化。

c）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子M＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。

总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.2 快速充电方法的研究2.2.1 快速充电技术为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展。

下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。

这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。

a) 脉冲式充电法这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图2所示。

充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。