数字化快速充电系统设计毕业论文.doc

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1、本科毕业设计（论文） 题目：数字化快速充电系统设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年 06 月数字化快速充电系统设计摘 要 随着智能电池在国内的日益普及,与之配套的智能充电器也已经成为国内电源行业研究的新热点,其技术生命力和应用前景将非常广阔.目前,市场上充电器大都采用固定模式对电池进行充电,缺乏自适应能力,不能实时控制充电状态,经常出现电池充电过度、充电不足或电池过热等诸多问题,大大缩短了电池的使用寿命。本文在调查国内外快速充电技术发展现状的基础上，从智能充电器的市场需求开始，对数字化电池从理论上做了充分的分析，并设计出一种能给多种规格、型号电池进行

2、充电的数字化快速充电系统。主要设计工作包括：设计了开关电源，实现了220V市电转换为25V恒压输出；设计了充电电路，实现DC-DC变换；设计了单片机控制电路，实现了充电电压电流的的检测、充电过程的控制、状态的监测、显示等功能，实现对锂离子、镍镉、镍氢电池的快速充电。 关键词：快速充电；开关电源；控制电路 Design of digital rapid charging system Abstract With the growing popularity of smart battery in the country, accompanying smart chargerhas become

3、the new hot spot in the domestic power industry, its vitality and prospects will be very broad. At present, most of the fixed mode the battery charger on the market charging, the lack of adaptive capacity, charge status can not be real-time control, often battery overcharging, charging or battery ov

4、erheating, greatly reducing battery life. Fast charging basis of the status of technical development in the survey at home and abroad market demand from the smart charger, digital battery do a full analysis of the theory, and design a give a variety of specifications, models of battery chargethe dig

5、itization fast charging system. The main design work include: design of a switching power supply, 220V electricity converted to 25V constant voltage output; charging circuit is designed to achieve the DC-DC converter; designed a single-chip control circuit, the charging voltage and current detection

6、, the charging process control, status monitoring, display and other functions, to achieve fast charging lithium-ion, nickel-cadmium, nickel metal hydride batteries. Key words : fast charge ; switching power supply ; control circuit目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1题目背景11.2研究意义11.3国内外发展情况21.4 课题主要研究内容22 数字化快速充电器

7、理论分析42.1电池的充电特性分析42.2充电模式52.2.1恒流充电52.2.2 恒压充电62.2.3 快速充电技术的优缺点分析72.2.4充电控制技术72.3开关电源的基本原理93 数字化快速充电系统硬件设计113.1总体设计方案113.2单片机XC164CM介绍123.3开关电源电路设计133.3.1 AC/DC转换电路133.3.2 DC/DC变换器电路的设计143.4充电电路的设计183.5充电控制电路的设计193.6单片机及其外围电路的供电电路的设计203.6.1 5V供电电路203.6.2 2.5V供电电路213.7电压和电流检测电路的设计213.7.1电压检测电路213.7.2

8、电流检测电路223.8显示电路和键盘输入电路的设计223.9报警电路的设计234 实验结果及分析255 总结26致谢27参考文献28毕业设计（论文）知识产权声明29毕业设计（论文）独创性声明30附录31附录A实验原理图31附录B印制电路板321 绪论1.1题目背景 电源技术是一切设备的基础技术，其水平的高低，直接影响整体性能，形象地讲，电源犹如心脏，是电设备的供电系统，维持着全系统的正常运行，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等，在同一参数的要求下，又有体积、重量、效率和可靠性能指标。因此，一个优秀的电源系统，必须既满足特性参数要求，又要满足特定指标的要求。智能供电

9、系统是一种典型的AC-DC供/充电系统，它不但要把交流220V市电转换成需要的低压直流电，输入给无线通信机，还能给通信机内的蓄电池（包括锂离子、镍镉、镍氢等种类）充电，以备移动时给通信机供电。目前，这种通信系统主要配备给陆军连队、消防大队、森警巡逻队等，以及应用与武警执勤、野外侦探等无法交流供电的工作环境中。目前，配备给通信机的电源系统，由于大都属于70年代开发的产品，技术上存在的问题如下：（1） 故障率高，而且维修困难，经常影响作训的正常进行；（2） 由于有些电池性能比较差，充电器缺乏自适应性，经常出现因“过冲”而损坏电池或因“充不满”而影响作训的非常情况；（3） 体积大，笨重，而且效率低，

10、不适应现代化装备要求；（4） 不具备对新一代“数字化电池”的充电功能，针对如上缺点，使用部门多年来一直寻求一种高性能新型电源系统，以便满足国防建设和特殊行业的要求。1.2研究意义 如今，随着越来越多的手提式电器的出现，对高性能，小尺寸，重量轻的电池充电器的需求也越来越大，电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也在不断提高。从二十世纪六十年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量得到了飞速发展。电池充电是通过逆向化学

11、反应将能量存储到化学系统里实现的,由于使用的化学物质的不同,电池有自己的特性.设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电池。 目前所装备的充电器大都采用固定模式对电池进行充电，缺乏自适应能力，不能实时控制充电状态。经常出现电池充电过度，充电不足或电池过热等诸多问题，缩短了电池的使用寿命，影响了电池设备的工作。为了解决目前存在的诸多问题，同时适应未来电子装备的数字化，信息化，研究出一种可给多种电池自适应充电的数字化快速充电设备，已解决目前存在的问题。 近年来，电设备越来越广泛的应用与各个领域，而且越来越复杂，对供电系统的要求也越来越高。除了系统的可靠性、效率、体积和重量等要求之外，一些

12、新的要求在不断提出，例如EMC（电磁兼容）的要求，智能化程度和自适应等，一个新型的充电器，不但具有传统充电器的功能，还能识别被充电电池的类别，然后根据电池的参数，以及环境温度等自适应地生成充电曲线，使得被充电电池在最短时间内，以最佳的方式完成充电工作。在充电过程中，要不断地检测被充电电池的电压、电流和温度的变化情况及时调整充电曲线。1.3国内外发展情况为了适应电设备科技发展的需要，近年来，在充电电源的研究方面主要呈现如下几个特点：（1）集成化、高密度化：它包括了两层含义，一是构成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化；二是指MOSFET集成在单片IC中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末

13、级功率放大集成为一体。（2）高频化：提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等。这也使得开关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。高频化的实现建立在高开关速度功率器件的基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。（3）智能化：主要体现在对被充电电池的自适应性和对环境的自适应性方面。智能化具体表现为能识别被充电电池的类型，能检测到当前状态，并能根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，高效地将电池充满。由于自动生成最佳充电曲线与制造厂提供的曲线一致，也保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。

14、为了适应这些特点，世界各国都在研究数字化快速充电技术。目前已经研制出了几十种各类电池快速充电集成电路，譬如，针对镍镉/镍氢电池充电的TEA1100/TEA1101和MAX2003等控制芯片，针对锂离子电池充电的FAN7563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片；主要用于镍镉/镍氢、锂离子等电池的充电的bq2000系列控制芯片；还有铅酸电池充电控制器UC3906、UC3909和bq2031等。利用这些控制芯片很容易设计成数字化快速充电器。这些控制芯片针对不同类型的电池，具有明显的特色。通过最佳组合，可以设计成多种用途的数字化快速充电器。但是，由于这些芯片功能单一，无法满足本文涉

15、及项目的特殊需要。1.4 课题主要研究内容 根据锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性，完成快速充电系统设计。掌握快速充电理论和充电电源原理及应用。具体为：掌握充电电源的工作原理,种类，发展过程及当前的发展水平；掌握快速充电理论及Ni-H，锂离子电池充电要求；充分对要制作的系统进行论证，充分掌握要害，并进行最佳设计；技术指标：输入电压范围：20-28V直流；适用电池范围：适用于当前便携装备的锂离子，镍镉，镍氢可充电电池，标称充电值：3.6V，7.2V，12V，14.4V。充电时间可在30min内使被充电池所充电量不小于标定值得50%（限1AH电池）；充电电池容量：规定在0.6-2.0AH以内。输出电

16、压：5V,12V;额定电流：2A+0.2A（2A-0.2A）；输出纹波:=1%VPP；负载调整率=1%。 2 数字化快速充电器理论分析2.1电池的充电特性分析目前主要的蓄电池有很多种，如:铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等。这四种蓄电池具有相同的功能就是都可以为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性。由于本次设计中主要涉及的充电电池的主要充电参数为额定电压：3.6V、7.2V、14.4V、12V的镍镉、镍氢和锂离子电池。而镉镍、镍氢和锂离子三种电池的充电特性并不完全相同，下面分别叙述这三种电池的充电特性。为了本文叙述方便的需要，如果没有特别注明，以下给出的均为12

17、V电池的参数。（其他电压的电池参数与其基本成倍数变化关系，充电电流根据容量与其成比例关系）。单节镍镉电池正常工作时电压为1.5V，充电时其最高电压可达1.8V，放完电时，电压可降至1.2V以下。由于要求是给12V电池充电，所以12V电池的特性为：正常工作时电压为12V，充电时其最高电压可达14.4V，放完电时电压降至9.6V以下。由于镍镉电池有记忆应因此在充电之前要先将其放电到10V以下，再进行充电。充电时主要采用一定电流充电，其典型的充电曲线见图2.1。 图2.1 镍镉电池的充电特性 图2.2 镍氢电池的充电特性 从图2.1可以看出，在充电的起始状态，电池的端电压上升很快，直至A点。A点后，

18、电压缓慢上升至B点，然后电池电压又快速上升至最高点C。从C点处开始电池电压会随着继续充电而下降，出现负增量-V。此时电池已充足电，电池温度急剧上升，内部压力也继续上升，应及时停止快速充电，进入浮充维护充电状态，对电池进行维护，以防止电池自放电。若此刻还继续快速充电会损坏电池，甚至出现危险。镍氢电池与镍镉电池的特性基本一致如图2.2，只是镍氢电池具有很弱的记忆效应，在充电之前无需放电，只需对其直接充电。充电曲线与镍镉电池充电曲线相似，只是充电电压到最高点后，电池端电压变化较小，此时出现零增量0V。此刻同样应对电池进入浮充维护状态。为了叙述方便，以后若无特别说明，负增量（-V）和零增量（0V）统称

19、为V。单节锂电池正常工作电压为3.6V，充足电时电压可达4.2V，放完电时电压可降至2.7V。锂电池的充电与镍镉、镍氢不同，其典型的充电曲线如图2.3所示。由图2.3可见，锂电池先经过恒流充电，待电压上升至最高电压A点后，再转至恒压充电，此时电池端电压保持不变。恒压充电时，电池的充电电流会降低，待电流降至B点即此时电流为恒流充电时电流的1/10时，认为电池已充满电，转至浮充维护充电。因此，锂电池充电时要经过恒流恒压两个充电过程。图2.3锂电池充电曲线2.2充电模式目前，铅酸蓄电池引用的充电模式通常包括恒流充电、恒压充电和快速充电模式。下面将三种充电模式进行比较。2.2.1恒流充电 恒流充电的特

20、点即以恒定的电流对蓄电池充电。优缺点分析：a. 优点：恒流充电电流可调，故可以适应不同技术状态的蓄电池，如新蓄电池、正常使用蓄电池和有不同故障的蓄电池，因而目前得到了广泛采用；恒流充电当蓄电池基本充好后还能以很小的电流对蓄电池继续充电，使极板内部较多的活性物质参加化学反应，从而使蓄电池充电比较彻底，保证了蓄电池的容量。b. 缺点：充电过程中需要较多人工干预，如蓄电池端电压的测试、温度测量、电流调节等；恒流充电当蓄电池基本充好后还能以很小的电流对蓄电池继续充电，使极板内部较多的活性物质参加化学反应，从而使蓄电池充电比较彻底，保证了蓄电池的容量。蓄电池充电接受特性如图2.4所示。恒流充电一般分为两

21、阶段进行，与蓄电池充电接受特性相差较大，因而在实际操作中一般存在初期电流偏小，后期电流太大的缺陷。初期电流偏小影响充电速度。所以恒流充电一般时间很长,以DG-250型蓄电池为例,平时补充充电时间竟达12h以上。后期电流偏大使得极化现象严重加剧。所以恒流充电无论从速度上还是从效果上都不完善。使蓄电池产生剧烈的温升及冒气，这会导致极板上活性物质脱落、极板弯曲，损伤蓄电池寿命。同时极化现象使活性物质不能真正有效地参加化学反应,白白浪费大量电能。图2.4 蓄电池充电接受特性2.2.2 恒压充电充电过程中充电电压始终保持不变。恒压充电特性如图2.5所示。图2.5 恒压充电特性优缺点分析:a. 优点：恒压

22、充电电流随蓄电池电动势的升高而逐渐减小，若充电电压设定为终止电压，还可实现自动停充。因此恒压充电操作简单，不需人工干预，省去了许多麻烦。恒压充电在充电过程初期由于蓄电池电动势较低，充电电流较大，因而充电速度较快，一般在34h即可使蓄电池充到80%90%。恒压充电性能比较接近蓄电池充电接受特性，因此恒压充电如果操作适当可以取得较好充电效果。b. 缺点：恒压充电电流不能自由调节，因此不适应对各种不同技术状态的蓄电池进行充电；由于没有去极化措施,因而特别在充电电压设定较高时充电过程中有较严重的极化现象。因此也有严重的负面效果，如出气、温升、极板活性物质脱落等，从而延长充电时间、折损电瓶寿命、浪费电能

23、；恒压充电充电过程后期充电电流过小，极板深处的活性物质不能充分恢复，因而不能保证蓄电池彻底充足。因此长此以往电瓶容量及寿命都会遭受损失。2.2.3 快速充电技术的优缺点分析a. 优点：(1) 快速充电速度快。以补充充电为例，快速充电一般需0.51.5h，是常规补充充电的1/81/20。(2) 快速充电充电效果好。快速充电由于在充电过程中采取去极化措施，使蓄电池始终比较接近初始充电状态，因而蓄电池只有微量出气，有效地避免了因剧烈出气而造成的活性物质脱落，故蓄电池寿命显著提高；以3-Q-98型蓄电池进行寿命试验，寿命循环可达340次(标准为220280次)；同时快速充电由于充电电流大，极板上的活性

24、物质可以进行比常规充电更充分的电化学反应,因而蓄电池的容量显著增加；例如6-Q-54型蓄电池，初充电后容量可达62.1A.h(10h放电率)。(3) 节约大量电能。快速充电由于有去极化措施，充入蓄电池的电能绝大部分转变为化学能，同时充电时间短，电能的损耗也少，因此快速充电可节约大量电能。例如，对6-Q-54型蓄电池初充电，采用常规充电耗电量为7kWh，而采用快速充电时仅耗电3.5kWh，约可节省50%的电能。(4) 进行激活试验。快速充电由于充电电流较大，可对某些硫化了的蓄电池进行激活试验。b. 缺点：(1) 快速充电与常规充电相比温升较高。(2) 快速充电制度很多。如定电流、定周期脉冲充电、

25、放电去极化法，定电流、定电压脉冲充电、放电去极化法，小电流宽脉冲放电去极化法，大电流和小电流结合去极化法等等。虽然都有去极化措施，充电过程中仍有极化现象存在，很多快速充电设备就是因极化使蓄电池电动势升高而关机的。(3) 快速充电寿命长。由于充电电流较大,在实际操作中可能因电流过大反而造成温升高、出气量大、活性物质脱落等较严重的负面效果，因而一般的快速充电比常规充电实际达到的寿命循环(460次)约低30%。这也是目前大多数蓄电池生产厂家普遍不支持快速充电的主要原因。2.2.4充电控制技术充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将镍镉和镍氢电池的电压曲线分为三段，具体

26、见图2.1，2.2。由于镍镉和镍氢电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。具体为：进入BC段之前，电池电量已基本用完，此时采用恒定的小电流充电。进入BC段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，所以这一段采用模糊控制方法，根据电压变化情况控制充电电流，使电池电压按理想充电模式变化，以达到最佳充电效果。当进入V阶段时，说明电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用1/20C1/50C（C为电池的额定容量）的电流进行涓流充电。锂电池充电方法与镍镉和镍氢电池相差较大，它是采用恒流转恒压充电方式，具体

27、见图2.3。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变，由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。根据部队以往的反馈情况得知，锂电池在使用中，没有出现明显的镍镉和镍氢电池的使用寿命短的情况，这说明锂电池传统的充电方法可行。所以本设计没有考虑锂电池的快速充电，而是采用传统的恒流恒压充电方式。电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降

28、。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制、温度控制和综合控制等多种终止充电的方法。下面对这些方法分别做具体介绍。a . 定时控制该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有

29、的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。b. 电池电压控制在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：(1) 最高电压（VMAX）从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。(2) 电压负增量（V）由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准

30、确地判断电池已充足电。这种控制方法的缺点是：从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充;镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镉镍电池。(3) 电压零增量（0V）镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0V 控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0V 出现而停止充电，会造成误操作。为此，目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏0V检测

31、，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。c. 综合控制法以上各种控制方法各有其优缺点，由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、电流控制和电池电压控制功能的综合控制法。2.3开关电源的基本原理开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源主要应用领域有计算机、通信办公设备、控制设备等产品以及电视机、摄像机、电子游戏机等消费类产品。与传统采用工频变换技术的相控

32、电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体积大、笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势。 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现

33、模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。在此主要介绍直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。直流DC/DC转换器按输人与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式D

34、C/DC转换器。 隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubelTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）和半桥式（Ha1f-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以

35、分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Con

36、verter）。由于本次设计主要应用了降压DC/DC变换器。因此，对基本降压变换电路Buck电路做简要介绍。Buck电路如图2.6所示：降压斩波器，入出极性相同。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4)即，输入输出电压关系为：(占空比)。在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。图2.6 Buck电路拓补结构 3 数字化快速充电系统硬件设计3.1总体设计方案 根据本次设计的要求，设计的数字化快速充电器必须能对镍镉，镍氢及锂离子电池组充电

37、。并能够对充电过程进行实时监测，针对不同电池的不同充电状态做出及时调整，使之符合与其相应的充电曲线。对此，本次设计的主要设计电路包括电源电路、充电电路和充电控制电路。其主要功能是实施对电池组的快速充电，并实时监测电池电流，电池端电压及充电持续时间等参数。通过这些信息，判断出电池的实时充电状态，并对充电电流作出及时调整，从而实时而正确地控制充电过程。当检测到电池已充满时，会提示用户并且充电器自动进入浮冲维护状态。充电过程中，充电器设置有定时，电流保护和故障检测功能，如有异常将使充电器停止充电而保护电池。利用模糊控制理论对充电过程进行优化控制，使充电严格地按照具体电池理想的充电曲线进行，实现对多种

38、电压等级和不同类型电池的智能充电。系统的总体框图如图3.1所示。电压电流检测电路图3.1充电系统的总体设计框图充电电池 键 盘 显 示XC164CM单片机控制电路PWM保护电路充电电路25V开关电源220V220V交流电压首先送入反激式开关电源进行AC/DC变换，使其直流输出电压为25V，再经过DC/DC变化转化为供电电压和充电电压。此充电电压不能直接对电池进行充电，必须经过充电电路，采用BUCK 拓扑结构,对AC/DC 变换电路所得的25V的直流输入电压进行二次斩波,得到合适的充电电流、电压给电池充电。整个充电过程由充电控制电路控制，充电控制电路保证整个充电过程的顺利进行，该电路通过充电电池

39、接口和检测单元得到电池工作状态，同时，该电路还实时监测电路各部分工作是否正常，并提供保护功能。另外，键盘输入单元用于设定输出电压等参数，显示单元显示系统的工作状态和故障类型等信息。所以，本系统应当具备对电压、电流、温度的检测和保护电路，并且这些电路在对传统电池组充电时也是必不可少的。3.2单片机XC164CM介绍 XC164CM是英飞凌 16 位单片CMOS 微控制器系列的增强型产品。XC164CM将功能和性能扩展的C166SV2 内核、功能强大的片上外设子系统和片上存储器单元完美结合，并且有效降低了系统功耗。XC164具有5级指令执行流水线和2级预取指流水线，工作频率40MIPS，可以单周期

40、执行16*16bit运算，能够满足各种复杂的充电控制策略的运算要求。它的I/O口较多，内部资源丰富，主要有：64K的FLASH程序存储器，6K的片内数据存储器；16级优先权的中断系统，硬件中断陷阱；14通道10位的A/D转换器；2个比较/捕获单元，可方便的产生PWM波；可编程看门狗定时器。另外XC164CM还具备JTAG接口，便于调试程序。 CPU内核由一组经过优化的功能单元组成，包括指令读取/处理流水线、16位算术逻辑单元（ALU）、40位乘累加单元（MAC）、地址和数据单元（ADU）、取指单元（IFU）、寄存器文件（RF），以及专用特殊功能寄存器（SFR）。XC164CM中的大多数指令为单

41、周期指令，从而提高了CPU性能，同时与C166指令保持兼容。此外，XC164CM出色的DSP性能、对不同存储器和外设的并行访问等特性提高了系统的整体性能。 XC164CM的内核架构将RISC和CISC处理器的优点完美结合。其计算和控制功能由于MAC单元的DSP功能而变得更加完善。XC164CM将高性能CPU与一系列功能强大的外设单元集成起来，有效的联接成一个单片机系统。片上存储器模块带有专用总线和控制单元，用于存储代码和数据。这些特性促成了XC164CM微控制器的高性能，使得XC164CM不仅可满足当前的应用，还将适用于未来的工程应用。XC164CM中还采用了一种LXBus总线，用来标识外部总

42、线接口。LXBus总线提供了一种标准化的方法，可方便的将附加的专用外设集成到标准XC164CM系列芯片中。 因此，在本电路中使用XC164CM充当核心控制器。通过键盘设定对不同电池进行充电，完成对整个充电过程的控制。通过计算，处理外围几个检测电路检测到的信息。根据这些数据判断和不断调整充电状态。并通过指示电路显示给用户。对不稳定的充电状态以及错误操作及时终止。XC164CM引脚图如图3.2所示。 图3.2 XC164CM3.3开关电源电路设计开关电源电路的主要任务是将市电220VAC转化成充电所需的25VDC的电压。电源电路主要包括输入滤波器，整流器，DC/DC转换器，输入整流滤波器等电源变换

43、电路。220VAC的市电经过输入滤波器能够抑制大部份共模干扰和差模干扰。整流器将交流电整流滤波成直流电，然后经过DC/DC变换器得到充电所需的直流电压。为了抑制电压波动得到持续稳定的输出电压，在输出端添加一电压负反馈电路。该电路由光电耦合器将检测到的电压状态参量反馈给控制电路，该控制电路由美国动力（PI）公司的TOPSwitch系列单片电源电路中的TOP224Y芯片对反馈参数进行比较处理，通过PWM波调制输出，对DC/DC变换器的输出电压进行调整，从而得到稳定的输出电压。3.3.1 AC/DC转换电路该部分电路主要包括：保险丝；滤波电容C1组成的主要用来对输入交流电滤波，消除共模干扰和差模干扰

44、滤波网络；桥式整流电容滤波电路。a. 保险丝考虑到市电输入的电流不稳定性。为保护整个系统不会因过大的冲击电流烧毁，采用220V/3A的保险丝。b. 输入滤波器电压电流的变化通过导线传输时的干扰，干扰电压和电流主要有二种形态：“共模”和“差模”。一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。前者叫“差模”，后者叫“共模”。一般干扰所经由的不是共模路径就是差模路径，因此可对不同路径的干扰采用不同的处理,以滤波、屏蔽等手段来消除。本设计电路中电容C1作为滤波器用于抑制共模噪声，为滤波效果好，电容C1使用陶瓷电容活聚酯薄膜电容，应具有足够的耐压性。c. 整流滤波电路整流

45、采用单相桥式整流，电容C2作为滤波电路。如图3.3所示。图3.3 单相桥式整流电容滤波电路3.3.2 DC/DC变换器电路的设计该电路主要是应用PWM调制的反激式开关电路，并由芯片TOP224Y进行输出电压反馈控制，保持变换后的输出电压稳定。原理如图3.4所示。图3.4 DC/DC变换器电路a. 反激变换器的工作原理隔离性DC/DC变换电路是开关电源电路中最重要的组成部分。常用的几种基本类型有：正激变换，反激变换，推挽式，半桥式和全桥式。比较它们的优缺点和考虑到功能要求。本系统选择单端反激式变换器。单端反激式变换器的基本工作原理如图3.5所示：当开关管M导通时，变压器的初级电感线圈储存能量，而

46、由于次级线圈与初级线圈相反，此时二极管处于反向偏压截止状态。则次级电路中没有电流流向负载。而当使开关管M截止时，由于磁通量变换的影响，次级线圈的电压极性反转。二极管D导通，对电容C充电。同时也有电流通过负载。图3.5 反激变换原理图b. 变压器的设计变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有储能、限流、隔离和阻抗转换作用。(1) 技术要求输入电压：90V270VAC；输出功率：=150W；输出电压：直流25V；开关频率：100kHz；功率电路：单端反激。(2) 设计过程1) 确定工作频率和最大导通时间根据电路原理，可选择最大占空比，则最大导通时间： (3.1) （2) 变压器初级绕组匝数的计算变压器初级绕组的匝数与最大磁感应增量之间的关系为： (3.2)式中，为磁芯的有效断面积。根据对磁辐射的要求，本设计采用TOKIN优质FPQ系列磁材。选择型号为FPQ3535-T-22型磁材可满足要求。相应的，骨架选择该公司生产的P