铅酸蓄电池智能充电系统的设计.docx

铅酸蓄电池智能充电系统的设计.docx

《铅酸蓄电池智能充电系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铅酸蓄电池智能充电系统的设计.docx（45页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

铅酸蓄电池智能充电系统的设计

摘要

本文主要介绍了一种铅酸蓄电池智能充电系统的设计过程，包括对蓄电池充电方法的研究和充电系统的设计。

在通过对蓄电池充电原理和充电方法研究的基础上，提出采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法。

这种充电方法可以始终地使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，并且在整个充电期间内适时地采取了去除蓄电池极化的措施。

理论研究和实验数据表明，这种充电模式可以大大缩短充电时间，提高充电效率。

在本充电系统的设计过程当中，采用了高频开关电源，主回路由三相整流电路、改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路和能量回馈电路组成，控制回路由SOC196KB单片机最小系统、模拟量检测电路、键盘和显示电路、执行电路组成。

功率开关管选用IGBT，驱动芯片选用EXB841，移相控制芯片选用UC3879。

通过采集蓄电池的端电压、充电电流等参数，送入80C196KB单片机进行分析和处理，得到相应的控制信号，控制主回路IGBT的通断，从而实现蓄电池的智能充电。

实验结果表明，基于80196KB单片机控制的智能充电系统，其效率高、调节时间快的良好充电特性可得到充分发挥，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足电机车动力蓄电池的充电要求，具有良好的应用前景，为提高蓄电池的性能和可靠性提供一条新的、有效的途径。

关键词电机车;铅酸蓄电池;智能充电;80C196KB单片机

Abstract

Thispapermainlyintroducesakindoflead-acidbatteriesintelligentchargingsystemdesignprocess,includingthebatterychargingmethodofresearchandchargingsystemdesign.Inthebatteryprincipleandchargingmethodsonthebasisofstudy,thepaperproposestheconstantpressureandpulsecurrentlimitingchargingchargingcombinationofchargingmethods.Thiskindofchargingmethodscanalwaystorechargecurrentinoverallapproximationbatteryacceptablechargingelectriccurrentcurve,andthroughoutthechargingperiodtimelyadoptedremovebatterypolarizationmeasures.Theoreticalandexperimentaldatashowsthatthismodelcangreatlyshortenchargingchargingtimeandimprovechargingefficiency.

Inthischargingsystemdesignprocess,adoptsthehighfrequencyswitchingpowersupply,themaincircuitbythree-phaserectifiercircuit,improvedthewholebridgephaseshiftingcontrolZVSPWMtransformcircuitandenergyfeedbackcircuit,controlcircuit80C196KBcomposedbysinglechipminimizesystem,analoguedetectioncircuit,keyboardanddisplaycircuit,executivecircuitcomposed.ThepowerswitchtubechooseIGBT,drivechipchooseEXB841,phaseshiftingcontrolchipchooseUC3879.Bycollectingandanalyzingthebatteryvoltage,chargingcurrentparameterssuchas80C196KBmicrocontroller,toanalyzeandprocessing,obtainedthecorrespondingcontrolsignal,thecontrolofmainloopIGBThige,thusrealizebatteryintelligentcharging.Experimentalresultsshowthatthe80C196KBsingle-chipmicrocomputercontrolbasedontheintelligentchargingsystem,itshighefficiency,regulatingtimequickgoodchargingcharacteristicscangetfully,makebatteryhashigherusecapacityandlongcyclelife,canmeettheelectriclocomotivemotivebatterychargingrequest,hasagoodapplicationprospectforimprovingbatteryperformanceandreliabilityprovidesanewandeffectiveway.

Keywordselectriclocomotive,Lead-acidbatteries,Intelligentcharging,80C196KBsinglechip.connectedmicrocontroller

1绪论

1.1课题背景

目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。

铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。

相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注。

一方面，传统的充电方法正常充电时，以10h或20h率电流进行充电。

这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。

另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。

国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。

在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。

智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。

充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害[31。

目前，我国工农业运输设备对蓄电池用量极大，但是其充电设备很落后，充电方法也很不科学，急需设计出一种新型智能充电系统以满足工农业生产的需要。

1.2研究现状

1.2.，充电技术的发展状况

对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电和恒压限流充电。

这些传统的充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易;另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本身的使用寿命。

针对传统的充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如定化学反应状态法、脉冲式充电法、变电流间歇/定电压充电法、分级定流充电法、变电压间歇充电法等。

对铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法己

经得到了广泛的应用。

这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。

近几年开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。

这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题。

1.2.2充电电源的发展状况

目前，常用的充电电源主要有以下三种:

相控电源、线性电源、开关电源。

相控电源是比较传统的电源，它是将市电直接经过整流滤波后输出直流，再通过改变晶闸管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。

相控电源所用的变压器是工频电源变压器，它的体积比较庞大，由此造成相控电源本身的体积庞大、效率低下，并且该类电源动态响应差、可靠性能低。

目前相控电源己经有逐步被淘汰的趋势。

线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以进行连续控制的线性稳压电源。

线性电源的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。

由于调整管上损耗功率比较大，所以需要采用大功率调整管并且需要装配体积很大的散热器。

表1一1是对开关电源与线性电源作了一定的比较。

通过比较可以看出开关电源远远优子线性电源。

开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小、效率高，由于开关电源工作频率高，使得变压器的体积大大减小，它的滤波电感、电容数值较小，使其性能优子线性电源。

高频开关电源因其高效率、小型化等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域中，已经得到了普遍的研究与使用。

表1。

1开关电源与线性电源的参数比较

项目线性电源开关电源

功率转换频率20%.40%65%，90%

发热（损耗）大小

体积大小

质量重轻

电网电压、频率变化适应性弱强

输出电压保持时间短（5ms）长（20ms）

电路简单复杂

射频干扰和电磁干扰小大

电压调整率0.02-0.05%0.05-0.1%

负载调整率0.02-0.01%0.1-1%

输出电压范围士10%士50%

开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。

近20多年来，开关电源沿着下述两个方向不断发展。

第一个发展方向是对开关电源的核心单元--控制电路实现集成化。

1977年国外首先研制成功一PWM（脉冲宽度调制，以下简称脉宽调制）控制器集成电路，美国Motoroh公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一批PWM芯片，其典型产品有MC3250、SG3524、UC3842等。

在此基础上，国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PEM（脉冲频率控制）芯片，典型产品如UC1825。

第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。

这大致分两个阶段:

20世纪80年代初，意-法半导体有限公司（SGS-Thomson，简称TS）率先推出L4960系列单片机开关式稳压器。

ST公司于90年代初又推出了L4970A系列产品，包括L4970A、L4977A。

该公司在1998年还研制出L4978型单片开关式稳压器。

其共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，但使用对需配工频变压器与电网隔离，适合制作低压可调式输出（5.140V）、大功率（400w以下）、大电流（l.5l0A）、高频率（电源效率可超过90%）的开关电源。

但从本质讲，它们仍属于DC/DC电源变换器。

随着电力电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得开关的速率大大提高。

关断时间加快，使存储时间大大缩短，从而大大提高了开关频率。

提高功率变换器的开关频率，可以提高其性能，同时还可以减小功率变换器中的变压器体积和重量，以及电感、电容等无源器件的容量，进而可减小它们的体积和重量。

并且当开关频率高于18kHz时，可消除噪声对人耳的影响。

因为高频功率变换器有如此多的优势，所以受到人们的广泛关注。

很快，开关电源的频率从只有20kHZ左右提高到了数百千赫，成为真正的高频开关电源[l0]。

1.2.3传统的充电方式

1.2.3.，恒流充电

在充电过程中随着电池电压的变化要调整电流使之恒定，一般采用1oh率或20h率电流充电。

这种维持电流恒定的方法，从直流发电机和硅整流装置中都能得到实现，其操作简单、方便，易于做到。

这种充电方法特别适用于由多数电池串连的电池组，落后电池的容量易于恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。

恒流充电方式的不足是，开始充电阶段电流过小，在充电后期充电电流又过大，整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65%。

鉴于这个缺点，在国外，除非蓄电池需要长时间小电流进行活化充电外，已经较少使用。

这种充电方法，充电时间均在10h以上[l1]。

1.2.3.2恒压充电

此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。

因此充电初期电流相当大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。

此方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择得当，可在8h内完成充电。

其缺点是:

（l）在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电机的安全，电池也可能因过流而受到损伤;

（2）若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的电池组充电;

（3）蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。

恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。

1.2.3.3植压限流充电为补救恒压充电的缺点，广泛采用恒压限流的方法。

在充电电流与电池之间串联一电阻，称为限流电阻。

当电流大时，其上的电压降也大，从而减小了充电电压;当电流小时，用于电阻上的电压降也很小，充电设备输出的电压降损失就小，这样就自动调整了充电电流，使之不超过某个限度，充电初期的电流得到控制。

此法也称为准电压充电法，串联的电阻值可按下式计算

R=（U-2.1）-R（内）

式中U—充电电源电压（V）

I—充电电流（A）

R（内）—电池内阻（因很小可以忽略）

1.3蓄电池的基本概念和工作康理

1.3.1电池的种类和特性

本课题研究的充电对象是应用于工农业生产的电机车所使用的铅酸蓄电池。

为了更好的理解我们所面对的研究对象，需要介绍一下它的庞大家族一电池的种类以及他所拥有的各自不同的特性。

蓄电池又称为二次电池，二是化学龟池（所谓化学电池是指能将化学能直挤转换为电能的装置）的一种，它不仅能将储备的化学能变为电能（这一过程称为放电），而且当参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后，再用充电器对它输入直流电能（这一过程称为充电），又可将已损耗的活性物质复活。

一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。

原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池就可以多次反复位用。

蓄电池主要由三个部分组成:

发生氧化反应的阳极、发生还原反应的阴极、以及将阳极反应和阴极反应统一在一起的介质电解液。

在电极里发生氧化反应和还原反应的物质被称为活性物质。

依据使用场所的不同，蓄电池有固定型（供室内装置使用）、移动型（便于携带用）之分。

移动型电池还可分为电动机车型和启动型蓄电池。

依据蓄电池电解质的状态不同分类:

可分为电解质采用稀硫酸的称为铅酸蓄电池，采用硫酸电解质胶体的称为胶体铅蓄电池。

又依据蓄电池电解质性质来区分:

电解质采用稀硫酸的称为酸性蓄电池;采用碱性电解质的称为碱性蓄电池。

例如铅酸蓄电池为酸性蓄电池，而镍镉电池则为碱性蓄电池。

根据蓄电池的结构又可分为开口蓄电池和密封蓄电池两种形式。

开口蓄电池具有以下的特点:

可以进行大电流放电、自放电小等。

但是开口蓄一电池不便于维护，它需要经常补加蒸馏水和更换电解液;而密封蓄电池在这方面具有明显的优势一它具有密封好、无泄露、无污染、无需维护、易保存等特点，一能够保障人体以及各种设备的安全。

目前主要的蓄电池有以下四种;铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和锂离子蓄电池。

这四种蓄电池具有共同的功能就是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，适用的对象和场合也是不同的。

选择电池的依据主要是电池的能量密度、电池的容量及内阻，它们块定了电池为负载提供电能的速度和大小。

对于放电速率要求不高的产品，如便携式计算机、蜂窝电话机和手提式视频设备，可以使用镍金属氧化物电池和锂离子电池。

因为它们具有较大的内阻，从而限制了峰值放电电流，使它们适用于长期电流消耗要求较小的产品。

而铅酸电池和镍福电池由于内阻较小，可以提供较大的电流，所以适用于放电速率要求较高的产品，如一些由电池供电的电动工具，比如锄草机。

在这些电池当中，铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等特点，在国内外得到了广泛应用。

1.3.2铅酸蓄电池的基本概念

因为蓄电池的充电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解我们所涉及的主题，本节将简要地介绍铅酸蓄电池有关的基本概念。

（l）电池单元，单个电池一般来讲，每个电池由六个单元（Cell）组成，单元之间串联。

对于每个单元2V的电池来说，单个电池的电压为12V。

（2）放电速率（DichargeRate）为了对不同容量的电池加以比较，电池的放电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池容量C和放电时间t的比表示，称为电池的放电速率或放电倍率。

例如一个容量C为60Ah的电池，对它进行2小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电电流为

I=C/2=0.5C

即它的放电速率为0.5C;若采用0.5小时对它放电完毕，则它的放电电流为

I=C/0.5=2C

即它的放电速率为2C。

充电速率的描述和放电速率相同，采用这种形式来描述电池的充放电更为直观和方便。

（3）电池的终止电压和过放电、电池的过充电终止电压是指电池可放电的最低电压，当蓄电池的放电电压低于这一电压值时就不能正常工作了。

若蓄电池在低于终止电压情况下继续放电，称为过放电，这极易对电池造成永久性伤害。

当高速率充电而又不能及时地在满充点结束充电，电池则很容易存在大电流过充电的问题。

过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电池的伤害。

这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会加大电池内部压力。

同时，此时氧气的产生和吸收都是放热反应，因此会使电池温度迅速上升。

因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电，因为电池在低电流过充时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。

（4）电池容量电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，一是指蓄电池充足电后，放电到终止电压时所输出的电量，也就是在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。

电池容量用c表示，其单位用Ah、mAh来表示。

一个电池有理想容量、标称容量和实际容量等区分。

理想容量:

是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量:

它是根据活性物质的质量依照法拉第定律计算得到的。

为了比较不同系列的电池常用容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以Ah/KG或Ah/L表示。

标称容量:

是指设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的

最低限度的容量。

通常是指在一定温度下，用一定的放电率:

（例如C/20）对某一型号的电池进行恒流放电所能放出的最大容量。

我国一直以C/20作为国家标准。

实际容量:

是指在一定的放电条件下电池实际放出的容量（又可称为有效容量），等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。

恒电流放电时的计算方法见式

恒电阻放电时的计算方法见式（1-5）：

C=Q=Ixt（1-4）

C=（l一5）

式中

I--放电电流

R--放电电阻

T--放电至终止电压的时间

电池的功率:

是指电池在一定放电条件下，电池于单位时内所能给出一能量的大小，单位W（瓦）或KW（千瓦）。

单位重量电池所能给出的功率称为比功率，单位是W/Kg或KW/kg。

（5）充电状态（StateofCharge:

即SOC）充电状态的定义如式（1-6），它是指某个时刻电池所剩电量Cr与电池标称总容量Ct的比，通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为100/%的充电状态（SOC），而将电池再不能放出能量的状态定义为0%的充电状态（SOC）。

SOC=（Cr/Ct）*100%（1-6）

由于Cr和Ct都受到未来放电状态的影响，而这个序列一般是无法预知的。

更实用的定义是式（1-7）:

SOC1=（I-Cu/Cd）*100%（1-7）

Cu是当时的已用容量，它是从完全充满的状态开始计量的。

SOC1和Cu是在给定电流下的，SOC和Ct通常取三或五小时放电率下的电流。

因此剩余电量的定义如式（1-8）。

相比较上面的定义来讲，这个定义含义更明显和更容易实现。

Cr=Cd-Cu（1-8）

（6）放电深度（DepthofDischarge:

DOD）放电深度定义如式（1-9）

DOD=Qe/C（1-9）

放电深度是指蓄电池在使用的过程中，电池放出的电量Qe与电池标称容量C的比，也就是电池所放的安时数占它的标称容量安时数的百分比。

它SOC关系见式（1-10）:

DOD+SOC=1（1-10）

当电池放电深度为100%，电池的实际使用寿命大约是200-250次充放电循环。

如果将电池的放电深度减为50%，它所允许的充放的循环可增至500-600次左右。

当电池的放电深度减为30%时，允许的充放电的循环可高达1200次左右。

因此，为延长电池的使用寿命，尽量不用让电池处于深度放电状态。

（7）充电深度（DepthofCharge:

DOC）充电深度定义如式（1-11）:

DOC=（C-Qe）/C（1-11）

它是指电池可能剩余的电量（C-Qe）与实际电池容量C（与温度和电流有关）的比，DOC的值不仅与电池的当前状态（SOC、温度、电流等）有关，并且与将来电池的放电情况有关，DOC比SOC更能反映电池的实际情况。

（8）电池的内阻和极化现象、电池的老化当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，这个内阻与其他电源的内阻有所不同，它包括两个部分，即:

R=Ro+Rn（1-12）

其中Ro为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量;Rn是由于电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大，Rn越大。

由于蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其他电源有所不同，该值也与蓄电池的工作状态有关。

它一般有三种状态的值:

当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压;当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压;电池放电时所测得的电池电压称为放电电压。

这三种状态的电压总是具有下述特点:

充电电压高于开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高;放电电压则低于开路电压，而且随着放电时间的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。

这种现象的产生，主要是因为一般的蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分。

当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极板上，使得电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。

我们刚刚提到的蓄电池的极化电阻正是由于电池的极化现象所表现出来的。

当充电速率较低时，反应所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般对电池没有伤害;但当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。

蓄电池的极化现