基于单片机的智能充电器设计开题报告.doc

中 北 大 学
毕业设计开题报告

学 生 姓 名：
王世恩
学 号：
1305014341
学 院：
信息与通信工程学院
专 业：
电子信息工程
设 计 题 目：
基于单片机的智能充电器设计

指导教师:
徐美芳

2017年3月8日
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．选题依据：
一、课题研究的背景、目的及意义
随着全球经济的发展，锂电池对于人们生活的影响越来越大。锂电池具有储能密度高，寿命长等优点，在当前社会应用范围极广[1]。如今锂电池在3C、电动车和储能系统领域占据巨大市场[2]。在国内3C和电动车领域，锂电池被广泛的应用。尤其是电动自行车领域。在2006年左右，中国自行车领域开始探索使用锂电池作为车载电池。到2008前后，以锂电池作为车载电池的电动自行车得以大范围推广[3]。目前有大量的企业在推广锂电池电动自行车[4]。然而不管锂电池在那个领域普及，锂电池的充放电次数也都变得越来越多。 作为高密度的能源模块其安全性也备受考验，在日常的消费者使用过程中锂电池的发热、自燃、爆炸事件时有发生，并造成一定的人身伤害和巨大地财产损失，这给很多锂电池的用户带来了很大困惑及“锂电恐惧”心理。更为严重的是锂电池在生产、测试及运输等环节由于管理不善的原因发生火灾，而无法用一般的灭火方法扑灭，造成厂房或货船起火导致大额的经济损失和不良社会恐惧心理。锂电池的风险管理越来越重要[5]。与此同时，频繁的使用电子设备，电源电池经常充放电，这对电池的寿命是极大地考验。而且市场上的电源充电器大多难以解决上述问题。很多外观相似，但内部线路不同导致性能大有差异。虽然都能实现充满自停，但其实现的方式不同就会导致充电效果不同。由于采用高电流快速充电，充满后不能及时停止，使电池由于过充而发热严重或者采用电压比较法致使每次充电不足，从而严重缩短电池的寿命[6]。
随着技术的进步，人们对家用锂电池产品体验度的要求越来越高，有更复杂的充电算法以实现快速、安全充电。锂电池对于充电条件要求相对较高，如果电压过高就很容易造成电池损害，因此在充电过程中需要进行电路保护。智能化的实现锂电池高效充电可以有效减少充电时间并能很好的维护电池，最终实现锂电池的长久循环使用[7]。
本设计提出一种采用智能充电芯片 MAX1501和单片机 STM32结合的锂电池自动自行车智能充电器设计方案。 MAX1501功能强大，内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、温度检测器、定时器和主控器。它与STM32强大的控制功能配合使用，使锂离子电池充电电源更加智能化，通过改良外围电路可以大大提高电池充电的安全系数，同时延长锂电池的使用寿命。
二、 国内外研究现状
随着智能充电器的需求日益增大，人们采用不同的解决方案实现充电器的智能化。在过去几十年里，由于锂电池技术的日益成熟以及锂电池相比较镍镉、镍氢电池具有极大的优势，所以对于镍镉、镍氢电池这类电池充电系统的研究越来越少，但在锂电池的研究上投入精力巨大。美国、德国、韩国、日本、加拿大等一些发达国家，凭借着先进的科技水平和优秀的生产工艺，领先于我国。
德国 Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr [8]合作研发的 BADICHUQ 系统首次车载实验，并于1992年进行二次改进的 BADICOACH 系统。该系统不仅实现了20节电池的电压、温度、电流检测，实时数据的显示；还兼有与 PC 机进行数据交换与保存的通信机制，并实现了充电机充电电流的控制和单体电池的均衡。后续改进的系统增设了一个非线性电路(WLC)来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给BADICOACH 系统，并在那里解码：通过收集电池数据并装两条 PWM 信号输出线来控制充电电流和电压的大小。
美国 GM 汽车公司研发的应用于型号为 EVl 纯电动汽车上的车载电池管理系统。美国通用汽车公司研制出电动汽车 EV1 上使用的电池管理系统。该管理系统包括动力电池组、电池组温度控制系统、电池组保护模块、软件模块等。软件模块实现的功能有：对电池组电压、电流、温度的采样，对充电电流进行控制和电池组剩余电量的检测等[9]。
加拿大 Zader 研发的 Zader BMS系统[10]，日本青森工业研究中心[11]仍在继续进行 BMS 实际应用的系统，韩国 SAMSUNG公司设计的SDI BMS[12]和DEV5-5系统功能都比较完善。
我国是锂离子电池的生产和消费大国，但在电池组电源管理方面起步较晚。近年来，随着消费升级，国内锂电池应用市场不断壮大。尤其近几年家用锂电池产品销量猛增，尤其电动自行车等家用产品。市场需求促进了国内更多的人去研究智能充电系统。目前国内，随着微处理器、无限传感技术的发展和传感器技术的不断推陈出新，锂电池智能充电系统也不断发展[13]。
现在，有很多知名高校，如清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学、北京理工大学和北方工业大学、湖南大学等等，利用自己在这方面的优势，和一些汽车生产商和电池生产商联合研究开发，都取得了丰硕的成果。如北京理工大学研发的 EQ7200HEV，湖南神舟公司研发的EQ6110HEV，以及宁波拜特科技有限公司，比亚迪，春兰等公司都有自主研发的电池管理系统。我国目前关于电池管理系统的研究重点主要集中在电池 SOC 估算、电池均衡策略控制、电池组运行过程中的行为控制以及电池管理系统生产测试标准的制定等领域[14]。
基于52单片机开发智能充电器系统技术成熟、操作方便、成本较低，在单片机技术应用广泛的今天，开发产品更容易为人们所使用。王晔和马斋爱拜[15]将AT89C52、MAX1898、光耦6N137和LM7805联系在一起设计了锂电池智能充电器系统。实现了预充、快充、满充、断电和报警功能。充电器以快充电流的10％给电池充电，使电池电压、温度恢复到正常状态。当电池电压实现快充电压时，开始启用快充功能。到达所设定的终止电压，便启用满充功能。充满电后，系统不仅断电还能报警，这双重功能很好的保证了充电的安全性。但是该系统的人机交互性还有待提高。
王晓侃和苏全卫[16]设计了一种基于AT89C2051 单片机的电动自行车的蓄电池的声光监视、助力充电器、调速控制电路和防盗装置于一体的多功能保护仪。该系统将电动自行车使用过程易出现的问题进行了优化处理。较好的解决蓄电池的使用寿命、驱动调速控制系统、助力充电器设计等问题。其设计采用CAN总线通信，通过所涉及的电压检测电路以监视其端电压，以延长电池的寿命。该系统设计功能性强，人机交互性好，但是成本略好，有待进一步改善。
张朋[17]选择了 BQ77910 芯片作为控制芯片，设计了基于智能芯片的电动自行车电池管理系统，包括硬件部分和软件监控部分；实现了电池欠压保护功能、放电过流保护功能、放电短路保护功能、充电短路保护功能、电池过压保护功能以及热管理功能；软件监控部分可以实现监视系统的实时工作状态，修改芯片内部的参数设置。该系统整体功能完善，不过集成化有待提高。
杜江[18]采用两路CAN实现CECU与VMS和LECU的通讯；用TMS320F2808的片内AD模块实现高精度的数据采集，其中包括3路电池温度采集、2路电压采集、2路电池组电流采集及1路漏电检测；用GPIO实现低功耗电源管理、充电继电器控制及LECU电源控制；用PWM控制风扇实现电池组的热管理。该系统只是在理论上进行了验证，能否做出产品有待验证。
贾小龙[19]设计的锂电池管理系统包括上位机应用软件和下位机管理系统两大部分。采用RS232或者RS485通信。上位机应用软件为用户提供当前电池组状态信息，并且可以配置参数。下位机管理系统是系统的核心，包括电池组电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块、均衡控制模块、电池组保护模块、数据处理与剩余容量估算模块、显示与报警模块、通信模块。整个系统的设计功能完善。
王凤波[20]设计的基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统利用扩展卡尔曼滤波在Thevenin电池模型上对SOC初值进行了修正，提高了SOC估算的精度，减少能量耗散的同时，大大提高了系统的安全性。但此系统可扩展性差，在减少电能损耗方面还有待进一步研究。
吴迪[21]在锂电池充电控制与管理方法研究过程中重点解决了一下三个方面:单体锂电池主动充电控制方式、过热保护和过充保护。但是其系统基于遗传算法的运行机制比较复杂工作量较大，运行速度相对较慢。
清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室杨元栋，孙晓明等[22]设计了基于以8xC749单片机为核心的的电动自行车智能充电器的方案。重点介绍了均衡充电和脉冲充电两种技术。
　　综上所述，这些研究虽然都取得了一些成果，但是同样存在系统架构、电路庞大，成本高等特点。同时由于锂电池的区别和实验条件的欠缺，管理系统功能简单，技术方案也不成熟，尤其在均衡方式的选取上，普遍存在能量浪费的情况上。另外，这些虽是具备了基本的检测、监控、报警等功能，但在数据采集方面，其可靠性、准确性和抗干扰性等与国外仍有较大差距。因此还需要好长时间才能追上国外的技术水平。

参考文献
[1]中国储能网新闻中心.锂电池的分类及优缺点[J],2014, 5.
[2]王福鸾，杜军，裴金海.全球锂电池市场状况和应用发展综述[J].电源技术,2014, 38(3):564-568.
[3]龚孝燕.锂电池在电动自行车行业的应用与发展趋势[J].电动自行车,2013, 10):78-80.
[4]马中超.全国锂电自行车产业发展现状与未来[J].中国自行车,2012, (11):10-12.
[5]赵飞.对锂电池安全问题的风险管理[D].上海:华东理工大学,2013.
[6]刘春娜.电动汽车电池应用与展望[J].电源技术，2011,35（1）：12-14.
[7]文得仲.锂电池智能充电过程及其发展分析[J].科技创新与应用,2016, (20):47.
[8]Yang H. Application research of intelligent electronic test system[J]. Journal of Central SouthUniversity, 2004, 3(2):37-39.
[9]George Altermose, Peter Hellermann, Thomas Mazz, Aeroflex. active cell balancing
System using an isolated share bus for li-ion battery management[J]. Conference Publications．2011, 12(7):217-220.
[10]PHL Nottcn．Boostcharging Li·ion batteries：A challenging new charging concept[J]．Power Sources．2005, 14(10):89-94.
[11]Affatmi A，Bellini A，Franceschini G．Battery choice and management for new-generation electric vehicles[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics．2005，52(5)：1343-1349.
[12]Teofilo V.L.Merritt L.V.Hollandsworth R.P.《IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine》, SCI ,1997 ,11.
[13]吴鹏.我国铿电池及其配套产业发展现状与展望[Jl.中国高新技术企业，2015, (35):3-4.
[14]毛群辉. 基于TMS320F2812的电动汽车电池管理系统研究[D]. 长沙:湖南大学, 2010.
[15]王晔，马斋爱拜.基于52单片机控制的锂电池充电器硬件设计[J].无线互联科技,2011, (5):26-27.
[16]王晓侃，苏全卫.基于单片机控制的多功能电动车自行车智能保护仪的设计与实现[J].电子设计工程,2015, 23(7):107-110.
[17]张朋.基于智能芯片的电动自行车电池管理系统的设计与实现[D].南京:南京邮电大学,2013.
[18]杜江.电池管理系统的标定及匹配技术研究[D].上海:同济大学,2008.
[19]贾小龙.锂电池管理系统的设计与实现[D].苏州:苏州大学,2014.
[20]王凤波.基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统研究[D].上海:上海大学,2016.
[21]吴迪.锂电池充电控制与管理方法研究[D].北京:北京交通大学,2015.
[22]杨元栋，孙晓明，慕强，齐国光.基于8xC749单片机的电动自行车智能充电器的设计与实现[J].电子技术应用,2000, 10):9-10.

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２． 研究方案：

在研究目前智能充电器系统的现状基础上，针对当前锂电池智能充电器系统安全系数不高，通用性不高，不能很好的保持电池寿命等问题，拟设计一个基于单片机的智能充电器系统。在考虑充电电池电压水平、最高充电电压、电池温度、电池饱和充电条件、充电电流的稳定性、电流漂移范围等前提下，实现不同充电模式下的智能充电。整个系统由充/放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、MAX1501、STM32、报警电路、LCD显示电路和串口电路组成。如图1所示：

STM32

控制器

锂

电

池

MAX

1501
充/放电控制
报警电路

电压检测

电流检测
LCD显示

温度检测

均衡控制
串口

图1 充电系统框图
充/放电控制电路用于给充电电池充电和放电。锂离子电池对应不同的充/放电模式。由于电池大小、充/放电电压、充/放电电流不一样，要有不同的充/放电端口对应。
电压检测电路实现的功能是通过检测到的电压与所设的标准值进行比较后做具体处理，从而控制充电过程。
电流检测电路电路实现的功能与电压检测电路类似，即通过检测到的电流与所设的标准值进行比较后做具体处理，从而控制充电过程。
温度检测电路实现的功能是通过温度传感器检测到的温度，判断温度数值是否处在安全范围内，如果超出范围，立即断开电源，从而控制充电过程，保证充电安全。
均衡检测电路能根据算法智能调节充电电压、电流的值，从而保护电池，延长电池的寿命。
MAX1501用于检测电池的电压、电流。其功能强大，内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、定时器和主控器。为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。采用此芯片与STM32配合使用，能达到很好的效果。
STM32控制电路以STM32为核心组成。STM32是一款功能强大高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用。STM32主控制电路作为整个智能充电器系统的中心，主要完成数据处理、数据分析和 A/D 转换等功能。其中A/D转换器将转换后的模拟信号转换为数字信号以完成数据的处理。
报警电路由LED灯，蜂鸣器等组成。当电池充满后，MAX1501芯片本身会向外接的LED灯发出指令，LED灯会闪烁。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不仅会自动切断MAX1501芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。
LCD显示电路即状态显示电路由LCD显示模块等组成，通过STM32将充电信息在LCD显示屏上显示出来。主要功能是展示数据、查询数据。LCD显示屏用于实时显示温度、充电量的百分比、电压、电流等数据。要求液晶显示缓存器各个位与液晶的段一一对应，存储位置位则可以点亮对应得液晶段，存储位复位液晶段变暗。段、公共极输出控制能够自动从显示缓存器读取数据，送出相应的信号到液晶屏幕上。，从而能让用户通过显示的数据直观的了解当前充电的状态，从而实现充电的智能化。
本系统具有操作简单，功耗低，人机交互能力强，安全性能高，模式选择方便等优点。在锂离子电池充电领域能有广泛应用。

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指导教师意见：

该同学通过查阅相关资料，基本了解了选题的背景、目的和意义，针对当前锂电池智能充电器系统安全性能，对基于单片机的智能充电器的具体应用及实现进行了综述，重点探讨了基于单片机的智能充电器的设计与实现，为后续的设计奠定了基础。
该同学的开题报告目的明确，设计思路比较清楚，研究方案较为合理，对要解决的问题基本理解。本课题难度适中，工作量符合本科毕业设计的要求。
同意开题。

指导教师：徐美芳
17年 2 月 13日