充電電池監(jiān)控設(shè)計(jì)

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 信號(hào)變換綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：充電電池工作監(jiān)控電路設(shè)計(jì) 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：2013-12-30至2014-1-10本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目充電電池工作監(jiān)控電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：充電電池的充放電次數(shù)有限，用戶經(jīng)常在電池充分放電之后再進(jìn)行充電，但電池深度放電會(huì)損害電池。例如電壓為12V的充電電池在放電過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)電壓高于10.4V時(shí)，放電曲線變化緩慢，曲線平滑；當(dāng)電壓低于10.4V時(shí)，電壓迅速降低

2、，電池被損壞。設(shè)計(jì)一個(gè)電池監(jiān)控電路，防止電池深度放電。自行設(shè)計(jì)傳感檢測(cè)電路、放大濾波電路，當(dāng)電池放電電壓達(dá)到一定值時(shí)自動(dòng)切斷電源。可采用電壓比較器電路，開(kāi)關(guān)可采用繼電器和三極管等。進(jìn)行電路仿真，或進(jìn)行電路板焊接。技術(shù)要求:測(cè)量范圍：515V；被測(cè)電池電壓DC12V（假設(shè)供電電壓15V不變）測(cè)量精度：0.5級(jí)；傳感器（敏感元件）：傳感器自選，檢測(cè)方法自行設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求:1.格式規(guī)范，符合學(xué)校要求；2.說(shuō)明書(shū)中應(yīng)有電壓檢測(cè)方法比較與方案論證，系統(tǒng)采用測(cè)量原理的說(shuō)明及具體的實(shí)現(xiàn)方案、電路器件型號(hào)、參數(shù)，可靠性分析等；設(shè)計(jì)斷電模塊。硬件電路應(yīng)由protel繪制。不能采用單片機(jī)設(shè)計(jì)3.按規(guī)定格式，撰寫(xiě)、

3、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。工作計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。（2天）2、選擇相應(yīng)傳感器、設(shè)計(jì)硬件電路圖。（2天）3、計(jì)算器件參數(shù)、選擇元器件型號(hào)繪制硬件電路圖。（3天）4、仿真調(diào)試或硬件電路焊接、調(diào)試。（2天）5、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、答辯。（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘要第1章 TC0 第1章 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀充電電池組是許多設(shè)備的動(dòng)力源或應(yīng)急電源，因此電池組的性能將直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)行。目前世

4、界上廣泛使用的充電電池具有電壓平穩(wěn)、安全可靠、價(jià)格低廉、適用范圍廣、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)。充電電池的正確使用關(guān)乎到充電電池的使用壽命，為了提高充電電池的使用壽命，保證其可靠運(yùn)行。為此國(guó)內(nèi)外對(duì)于充電電池的正確使用方法投入了大量人力和物力進(jìn)行研究。我國(guó)國(guó)內(nèi)主要對(duì)充電電池參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量，以確保充電電池組處于最佳的工作狀況。以往，充電電池參數(shù)的測(cè)量都是人工完成的，人工測(cè)量速度慢，測(cè)量精度不高。為了提高測(cè)量速度和測(cè)量精度，對(duì)蓄電池參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量顯得尤為重要。近十年來(lái)，大量的研究人員開(kāi)始于充電電池的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。國(guó)外對(duì)于充電電池工作得監(jiān)控研究發(fā)展于電力應(yīng)用工業(yè)。研究方面較為廣泛，采用電池監(jiān)測(cè)器，進(jìn)而可監(jiān)測(cè)的

5、電池組監(jiān)測(cè)器的數(shù)量不受限制，對(duì)于充電電池的監(jiān)測(cè)有多種監(jiān)測(cè)目的。 國(guó)外充電電池的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，并且電池監(jiān)測(cè)參數(shù)有所不同，研究方法更為復(fù)雜。國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和研究成果有助于我國(guó)對(duì)于充電電池工作監(jiān)控的進(jìn)一步研究。1.2 被控對(duì)象 充電電池釋放的電壓信號(hào)為本設(shè)計(jì)的被控對(duì)象，大小和方向均不隨時(shí)間變化的電壓為直流電壓，在直流電路中，電源兩端，某電路兩端，元件兩端均為直流電壓。直流電壓為極性不變化的電壓。本設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)充電電池的釋放電壓值的大小，當(dāng)電壓低于某值時(shí)，電路不能導(dǎo)通，進(jìn)而達(dá)到防止電池深度放電。1.3 技術(shù)要求 測(cè)量范圍：515V； 測(cè)量精度：0.5級(jí)； 被測(cè)電池電壓DC12V； 傳感器（敏感

6、元件）：傳感器自選，檢測(cè)方法自行設(shè)計(jì)；第2章 總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)整體框圖 充電電池工作監(jiān)控電路通過(guò)傳感器檢測(cè)電路，放大濾波電路和運(yùn)算電路構(gòu)成，當(dāng)電池放電電壓達(dá)到一定值時(shí)自動(dòng)切斷電源，來(lái)對(duì)充電電池進(jìn)行監(jiān)控，以便延長(zhǎng)充電電池的使用壽命。運(yùn)算電路采用電壓比較器電路，開(kāi)關(guān)采用繼電器與三極管結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)切斷電源的作用。運(yùn)算電路放大濾波電路傳感器檢測(cè)電路 圖2.1 總體框圖 2.2 充電電池工作監(jiān)控原理 充電電池監(jiān)控領(lǐng)域中，通過(guò)對(duì)于放電過(guò)程中釋放電壓的檢測(cè)來(lái)對(duì)于充電電池進(jìn)行達(dá)到保護(hù)的作用，電壓傳感器對(duì)于釋放電壓的及時(shí)檢測(cè)將檢測(cè)到的電壓信號(hào)傳到后續(xù)的放大濾波電路和運(yùn)算電路中，最終將電壓信號(hào)傳遞于電壓比較

7、器，電壓比較器通過(guò)參數(shù)的選擇得到與放大濾波電路所給電壓信號(hào)相匹配的上限與下限的電壓值。當(dāng)放大濾波所給的電壓信號(hào)不同時(shí)，電壓比較器所輸出的信號(hào)也有所不同，通過(guò)電壓比較器電路的比較進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三極管與繼電器組成的開(kāi)關(guān)，以致達(dá)到電路通斷的作用。例如直流電壓為12V的充電電池在持續(xù)放大的過(guò)程中，當(dāng)直流電壓高于10.4V時(shí)，平穩(wěn)放電，放電曲線變化緩慢，曲線平滑。當(dāng)充電電池電壓達(dá)到10.4V之時(shí)，電壓傳感器將檢測(cè)得到的電壓信號(hào)傳遞到后續(xù)的放大濾波電路，通過(guò)放大濾波電路完成電壓信號(hào)的放大與濾波以便排除干擾，通過(guò)電壓比較器參數(shù)的選擇，來(lái)符合10.4V的比較，達(dá)到10.4V之時(shí)，電壓比較器輸出信號(hào)將驅(qū)動(dòng)三極管與繼電

8、器組成的開(kāi)關(guān)進(jìn)而完成充電電池放電的阻斷。 第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 傳感器選型 方案一 霍爾電壓傳感器霍爾電壓傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行工作，可以測(cè)量直流電壓，交流電壓和混合波形的電壓。由于霍爾電壓傳感器是應(yīng)用于霍爾原理的開(kāi)環(huán)電流傳感器，因此檢測(cè)電壓時(shí)需內(nèi)置電阻或外置電阻，來(lái)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)霍爾電壓傳感器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，霍爾效應(yīng)的輸出電壓與控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，因此輸出電壓受到的干擾因素較多。 方案二 電阻電壓式傳感器電阻電壓式傳感器是一種以電阻式分壓為原理的傳感器，與傳統(tǒng)的電磁分壓式傳感器不同，克服了傳統(tǒng)電磁式傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，克服了電磁式傳感器存在鐵磁諧振的

9、現(xiàn)象。分壓器由高壓臂電阻與低壓臂電阻組成，電壓信號(hào)由高壓臂輸入，電壓信號(hào)在低壓臂輸出，通常為防止低壓部分出現(xiàn)過(guò)電壓，保護(hù)二次測(cè)量裝置，必須在低壓電阻上加裝一個(gè)放電管或穩(wěn)壓管，使其放大電壓恰好略小于或等于低壓側(cè)允許的最大電壓。電阻電壓式傳感器二次電壓與一次電壓始終存在線性關(guān)系，電阻電壓式傳感受干擾因素較少，并且具有模塊化，小型化，多功能化的優(yōu)點(diǎn)。適用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，診斷和保護(hù)。結(jié)合本設(shè)計(jì)要求與操作問(wèn)題及干擾因素，本設(shè)計(jì)采用電阻分壓式傳感器來(lái)進(jìn)行對(duì)充電電池的電壓進(jìn)行檢測(cè)。 圖3.1 分壓器原理圖 電壓傳感器最為重要的問(wèn)題即誤差問(wèn)題，低壓臂出現(xiàn)的過(guò)電壓現(xiàn)象可以通過(guò)加裝穩(wěn)壓管或放電管來(lái)進(jìn)行改善，不

10、過(guò)其電阻的選擇依然影響著誤差的大小。傳感器額定電流的也必須從減小誤差的角度出發(fā)。高壓臂電阻不能太小，否則分壓器處將從電網(wǎng)上吸收過(guò)多的能量，以至于熱損耗太。3.2 放大電路 圖3.1 放大電路 本設(shè)計(jì)采用同相比例放大器來(lái)對(duì)電壓信號(hào)信號(hào)進(jìn)行放大，考慮到傳感器傳出的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的大小，因此放大倍數(shù)不宜過(guò)大。取R2=Rf=1.0 k,同相比例的放大倍數(shù)為K=1+Rf/R2=2倍。放大電路同相比例放大電路輸入電壓Ui通過(guò)R1輸入到運(yùn)放的同相端，輸出電壓Uo通過(guò)反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相端。同相比例放大器具有輸入阻抗高的特點(diǎn)。3.3 濾波電路 圖3.2 濾波電路圖 本設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型二階低

11、通濾波器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波。此放大濾波電路圖由運(yùn)算放大器與RC元件組成，具有壓控增益，將放大電路與濾波電路組合，使其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)，節(jié)省資源。壓控電壓源可由任何增益有限的電壓放大器實(shí)現(xiàn)，壓控增益為Kp=1+R6/R5.根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù) 可求得電路圖中各電子元件的參數(shù)。 Kp*Wo2 H(s)= S2+*Wo*S+Wo2 為保證頻率較為理想，滿足本設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍要求。根據(jù)電路圖可求得 ：Wo2=1/R1*R2*C1*C2. *Wo2=1/C1(1/R1+1/R2)+(1-K)/R2*C2。方便計(jì)算取Wo=400,R1=6.65k,R2=13 k，C1=0.33f,C2=0.22f。壓控

12、增益Kp=1.5. 3.3 運(yùn)算電路 圖3.3 運(yùn)算電路圖 本設(shè)計(jì)運(yùn)算電路采用一種簡(jiǎn)單的帶有滯回功能的電壓比較電路，若只設(shè)置一個(gè)門(mén)限電壓Um,當(dāng)充電電池電壓Ut低于Um時(shí)，比較電路輸出低電平，負(fù)載則被斷開(kāi)，但由于負(fù)載的斷開(kāi)，電池端的電壓迅速上升，比較器重新輸出高電平，負(fù)載又被接入，因此產(chǎn)生振蕩。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)門(mén)限電壓Umax和Umin，當(dāng)充電電池電壓U高于Umax時(shí)，電壓比較器輸出高電平，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，給負(fù)載供電。接著充電電池電壓減小，低到Umin時(shí)，電壓比較器輸出低電平，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，停止給負(fù)載供電。盡管負(fù)載斷開(kāi)，電壓升高但達(dá)不到Umax因此輸出低電平。U output Umax Umin 0 u1 u2 Ut 0 U1 U2 Ut  圖3.4 輸入變化時(shí)比較器的輸出響應(yīng)當(dāng)充電電池充電時(shí)，充電電池開(kāi)始充電時(shí)電壓較低，電壓比較器輸出為低電平，因此MOS管Q斷開(kāi)，電阻R11參與分壓，此時(shí)的門(mén)限電壓為： R10+R11 Umax=Vcc *  R9+R10+R11當(dāng)充電電池持續(xù)充電，充電電池電壓Ut達(dá)到Umax時(shí)，即達(dá)到額定電壓時(shí)，電壓比較器輸出高電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，為負(fù)載供電。并且MOS管Q導(dǎo)通，R11被短路，此時(shí)電壓比較器的門(mén)限