1、畢業設計開題報告姓名:王世恩學號:信息與通信工程學院電子信息工程目:基于單片機的智能充電器設計徐美芳2017年3月8日業設計開題報告1.選題依據：、課題研究的背景、目的及意義隨著全球經濟的發展，鋰電池對于人們生活的影響越來越大。鋰電池具有儲能密 度高，壽命長等優點，在當前社會應用范圍極廣 。如今鋰電池在3C電動車和儲能系 統領域占據巨大市場2。在國內3C和電動車領域，鋰電池被廣泛的應用。尤其是電動自行車領域。在2006年左右，中國自行車領域開始探索使用鋰電池作為車載電池。到2008前后，以鋰電池作為車載電池的電動自行車得以大范圍推廣。目前有大量的企業在推廣鋰電池電動自行車。然而不管鋰電池在那個

2、領域普及，鋰電池的充放電次數也都變 得越來越多。？作為高密度的能源模塊其安全性也備受考驗，在日常的消費者使用過程 中鋰電池的發熱、自燃、爆炸事件時有發生，并造成一定的人身傷害和巨大地財產損失, 這給很多鋰電池的用戶帶來了很大困惑及“鋰電恐懼”心理。更為嚴重的是鋰電池在生 產、測試及運輸等環節由于管理不善的原因發生火災，而無法用一般的滅火方法撲滅,造成廠房或貨船起火導致大額的經濟損失和不良社會恐懼心理。鋰電池的風險管理越來越重要。與此同時，頻繁的使用電子設備，電源電池經常充放電，這對電池的壽命是 極大地考驗。而且市場上的電源充電器大多難以解決上述問題。很多外觀相似，但內部 線路不同導致性能大有差

3、異。雖然都能實現充滿自停，但其實現的方式不同就會導致充 電效果不同。由于采用高電流快速充電，充滿后不能及時停止，使電池由于過充而發熱嚴重或者采用電壓比較法致使每次充電不足，從而嚴重縮短電池的壽命6隨著技術的進步，人們對家用鋰電池產品體驗度的要求越來越高，有更復雜的充電 算法以實現快速、安全充電。鋰電池對于充電條件要求相對較高，如果電壓過高就很容 易造成電池損害，因此在充電過程中需要進行電路保護。智能化的實現鋰電池高效充電可以有效減少充電時間并能很好的維護電池，最終實現鋰電池的長久循環使用7本設計提出一種采用智能充電芯片 MAX1501和單片機STM32結合的鋰電池自動自 行車智能充電器設計方案

4、。MAX1501功能強大，內部電路包含輸入電流調節器、 充電電流檢測器、電壓檢測器、溫度檢測器、定時器和主控器。它與STM32雖大的控制功能配 合使用，使鋰離子電池充電電源更加智能化，通過改良外圍電路可以大大提高電池充電 的安全系數，同時延長鋰電池的使用壽命。、國內外研究現狀隨著智能充電器的需求日益增大，人們采用不同的解決方案實現充電器的智能化。在過去幾十年里，由于鋰電池技術的日益成熟以及鋰電池相比較鎳鎘、 具有極大的優勢, 所以對于鎳鎘、這類電池充電系統的研究越來越少，但在鋰電池的研究上投入精力巨大。美國、德國、韓國、日本、加拿大等一些發達國家，憑借著先進的科技水平和優秀的生 產工藝，領先于

5、我國。德國 Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr 合作研發的 BADICHUQ系統首次車載實驗，并于1992年進行二次改進的BADICOAC療統。該系統不僅實現了 20 節電池的電壓、溫度、電流檢測，實時數據的顯示；還兼有與PC機進行數據交換與保 存的通信機制，并實現了充電機充電電流的控制和單體電池的均衡。后續改進的系統增設了一個非線性電路（WLC來測量電壓，并將一個電池組的八個單元電壓都通過一條信號線傳遞給BADICOACHR統，并在那里解碼：通過收集電池數據并裝兩條PWM信號輸 出線來控制充電電流和電壓的大小。美國GM汽車公司研發的應用于型號為 E

6、VI純電動汽車上的車載電池管理系統。美國通用汽車公司研制出電動汽車 EV1上使用的電池管理系統。該管理系統包括動力 電池組、電池組溫度控制系統、電池組保護模塊、軟件模塊等。軟件模塊實現的功能有： 對電池組電壓、電流、溫度的采樣，對充電電流進行控制和電池組剩余電量的檢測等9。加拿大Zader研發的Zader BMS系統10，日本青森工業研究中心11仍在繼續進行BMS實際應用的系統，韓國 SAMSUN公司設計的SDI BMS2和DEV5-5系統功能都比較 完善。我國是鋰離子電池的生產和消費大國，但在電池組電源管理方面起步較晚。 近年來, 隨著消費升級，國內鋰電池應用市場不斷壯大。尤其近幾年家用鋰電

7、池產品銷量猛增， 尤其電動自行車等家用產品。市場需求促進了國內更多的人去研究智能充電系統。目前 國內，隨著微處理器、無限傳感技術的發展和傳感器技術的不斷推陳出新，鋰電池智能 充電系統也不斷發展13。現在，有很多知名高校，如清華大學、北京航空航天大學、北京交通大學、北京理 工大學和北方工業大學、湖南大學等等，利用自己在這方面的優勢，和一些汽車生產商和電池生產商聯合研究開發，都取得了豐碩的成果。如北京理工大學研發的EQ7200HEV 湖南神舟公司研發的EQ6110HE，以及寧波拜特科技有限公司，比亞迪，春蘭等公司都有自主研發的電池管理系統。我國目前關于電池管理系統的研究重點主要集中在電池基于52單

8、片機開發智能充電器系統技術成熟、操作方便、成本較低，在單片機技15將 AT89C52SOC估算、電池均衡策略控制、電池組運行過程中的行為控制以及電池管理系統生產測 試標準的制定等領域14。術應用廣泛的今天，開發產品更容易為人們所使用。王曄和馬齋愛拜MAX1898光耦6N137和LM7805聯系在一起設計了鋰電池智能充電器系統。實現了預充、 快充、滿充、斷電和報警功能。充電器以快充電流的 10%給電池充電，使電池電壓、溫 度恢復到正常狀態。當電池電壓實現快充電壓時，開始啟用快充功能。到達所設定的終 止電壓，便啟用滿充功能。充滿電后，系統不僅斷電還能報警，這雙重功能很好的保證 了充電的安全性。但是

9、該系統的人機交互性還有待提高。王曉侃和蘇全衛16設計了一種基于 AT89C2051單片機的電動自行車的蓄電池的聲 光監視、助力充電器、調速控制電路和防盜裝置于一體的多功能保護儀。該系統將電動 自行車使用過程易出現的問題進行了優化處理。較好的解決蓄電池的使用壽命、驅動調 速控制系統、助力充電器設計等問題。其設計采用 CAN總線通信，通過所涉及的電壓檢 測電路以監視其端電壓，以延長電池的壽命。該系統設計功能性強，人機交互性好，但 是成本略好，有待進一步改善。張朋17選擇了 BQ77910芯片作為控制芯片，設計了基于智能芯片的電動自行車電 池管理系統，包括硬件部分和軟件監控部分；實現了電池欠壓保護功

10、能、放電過流保護 功能、放電短路保護功能、充電短路保護功能、電池過壓保護功能以及熱管理功能；軟 件監控部分可以實現監視系統的實時工作狀態，修改芯片內部的參數設置。該系統整體 功能完善，不過集成化有待提咼。杜江18采用兩路CAN實現CECUf VMS和LECU的通訊；用TMS320F2808勺片內AD 模塊實現高精度的數據采集，其中包括 3路電池溫度采集、2路電壓采集、2路電池組 電流采集及1路漏電檢測；用GP10實現低功耗電源管理、充電繼電器控制及 LECU電源控制；用PWMI制風扇實現電池組的熱管理。該系統只是在理論上進行了驗證，能否做 出產品有待驗證。賈小龍19設計的鋰電池管理系統包括上位

11、機應用軟件和下位機管理系統兩大部分。采用RS232或者RS485通信。上位機應用軟件為用戶提供當前電池組狀態信息，并且可 以配置參數。下位機管理系統是系統的核心，包括電池組電壓采集模塊、溫度采集模塊、 電流采集模塊、均衡控制模塊、電池組保護模塊、數據處理與剩余容量估算模塊、顯示 與報警模塊、通信模塊。整個系統的設計功能完善。王鳳波20設計的基于AD7280A勺中型鋰離子電池組管理系統利用擴展卡爾曼濾波在Thevenin電池模型上對SOC初值進行了修正，提高了 SOC估算的精度，減少能量耗散的 同時，大大提高了系統的安全性。但此系統可擴展性差，在減少電能損耗方面還有待進步研究。吳迪21在鋰電池充

12、電控制與管理方法研究過程中重點解決了一下三個方面：單體鋰 電池主動充電控制方式、過熱保護和過充保護。但是其系統基于遺傳算法的運行機制比 較復雜工作量較大，運行速度相對較慢。清華大學計算機科學與技術系智能技術與系統國家重點實驗室楊元棟，孫曉明等22 設計了基于以8XC749單片機為核心的的電動自行車智能充電器的方案。重點介紹了均 衡充電和脈沖充電兩種技術。綜上所述，這些研究雖然都取得了一些成果，但是同樣存在系統架構、電路龐 大，成本高等特點。同時由于鋰電池的區別和實驗條件的欠缺，管理系統功能簡單，技 術方案也不成熟，尤其在均衡方式的選取上，普遍存在能量浪費的情況上。另外，這些 雖是具備了基本的檢

13、測、監控、報警等功能，但在數據采集方面，其可靠性、準確性和 抗干擾性等與國外仍有較大差距。因此還需要好長時間才能追上國外的技術水平。參考文獻2王福鸞，杜軍，裴金海.全球鋰電池市場狀況和應用發展綜述J.電源技術,2014, 38(3):564-568.3龔孝燕.鋰電池在電 動自行車行業的應用 與發展趨勢J.電動自行車,2013,10):78-80.4馬中超.全國鋰電自行車產業發展現狀與未來J.中國自行車，2012, (11):10-12.趙飛.對鋰電池安全問題的風險管理D.上海:華東理工大學,2013.6劉春娜.電動汽車電池應用與展望J.電源技術，2011,35( 1):12-14.7文得仲.鋰

14、電池智能充電過程及其發展分析J.科技創新與應用,2016, (20):47.8Yang H. Applicationresearch of intelligentelectronictest systemJ.Journal of Cen tral SouthU ni versity, 2004, 3(2):37-39.9George Altermose, Peter Hellermann, Thomas Mazz, Aeroflex. active cellbala ncingSystem using an isolated share bus for li-ionbattery manage

15、mentJ. ConferencePublications . 2011, 12(7):217-220.10PHL Nottcn . Boostcharging Li ion batteries : A challenging new chargingconceptJ . Power Sources . 2005, 14(10):89-94.11Affatmi A , BelliniA, Franceschini G . Battery choice and management forn ew-ge nerati onelectric vehiclesJIEEE Tran sacti ons

16、on In dustrialElectronics . 2005, 52(5) : 1343-1349.13吳鵬.我國鏗電池及其配套產業發展現狀與展望Jl.中國高新技術企業，2015, (35):3-4.14毛群輝.基于TMS320F2812的電動汽車電池管理系統研究D.長沙：湖南大學， 2010.15王曄，馬齋愛拜.基于52單片機控制的鋰電池充電器硬件設計 J.無線互聯科 技,2011, (5):26-27.16王曉侃，蘇全衛.基于單片機控制的多功能電動車自行車智能保護儀的設計與實現J.電子設計工程，2015, 23(7):107-110.17張朋.基于智能芯片的電動自行車電池管理系統的設計

17、與實現D.南京：南京郵電大學,2013.18杜江.電池管理系統的標定及匹配技術研究D.上海:同濟大學,2008.19賈小龍.鋰電池管理系統的設計與實現D.蘇州：蘇州大學,2014.20王鳳波.基于AD7280A勺中型鋰離子電池組管理系統研究D.上海：上海大學,2016.21吳迪.鋰電池充電控制與管理方法研究D.北京：北京交通大學,2015.22楊元棟，孫曉明，慕強，齊國光.基于8xC749單片機的電動自行車智能充電器的設計與實現J.電子技術應用,2000, 10):9-10.業設計開題報2. 研究方案:在研究目前智能充電器系統的現狀基礎上， 針對當前鋰電池智能充電器系統安全系 數不高，通用性不

18、高，不能很好的保持電池壽命等問題，擬設計一個基于單片機的智能 充電器系統。在考慮充電電池電壓水平、最高充電電壓、電池溫度、電池飽和充電條件、 充電電流的穩定性、電流漂移范圍等前提下，實現不同充電模式下的智能充電。整個系 統由充/放電控制電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、均衡控制電路、MAX1501、STM32、報警電路、LCD顯示電路和串口電路組成。如圖 1所示:充/放電控制電路用于給充電電池充電和放電。鋰離子電池對應不同的充/放電模 式。由于電池大小、充/放電電壓、充/放電電流不一樣，要有不同的充/放電端口對應。電壓檢測電路實現的功能是通過檢測到的電壓與所設的標準值進行比較后做

19、具體 處理，從而控制充電過程。電流檢測電路電路實現的功能與電壓檢測電路類似，即通過檢測到的電流與所設的 標準值進行比較后做具體處理，從而控制充電過程。溫度檢測電路實現的功能是通過溫度傳感器檢測到的溫度，判斷溫度數值是否處在 安全范圍內，如果超出范圍，立即斷開電源，從而控制充電過程，保證充電安全。均衡檢測電路能根據算法智能調節充電電壓、電流的值，從而保護電池，延長電池 的壽命。MAX150用于檢測電池的電壓、電流。其功能強大，內部電路包含輸入電流調節器、充電電流檢測器、電壓檢測器、定時器和主控器。為了防止過充一般充電到90%就停止 大電流快充，采用小電流涓流補充充電。一般的，為了使得電池充電充分，容易造成過 充，表現為有些充電器在充電終了時電池經常發燙，電池在充電后期明顯發燙一般說明 電池已過充。采用此芯片與 STM32配合使用，能達到很好的效果。STM32空制電路以STM32為核心組成。STM32是一款功能強大高性能、低成本、低 功耗的嵌入式應用。STM32t控制電路作為整個智能充電器系統的中心，主要完成數據 處理、數據分析和A/D轉換等功能。其