28V蓄电池作为直流电源放电控制器的研究.docx
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28V蓄电池作为直流电源放电控制器的研究
学号
密级
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
基于28V蓄电池用于直流供电电源中放电控制器的研究
院（系）名称：
理学院
专业名称：
电子科学与技术
学生姓名：
王雪梅
指导教师：
赵言诚教授
2011年6月
基
于
28v
蓄
电
池
用
于
直
流
供
电
源
中
放
电
控
制
器
研
究
王
雪
梅
哈尔滨工程大学
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
基于28V蓄电池用于直流供电电源中放电控制器的研究
院（系）：
理学院
专业：
电子科学与技术
学号：
07111208
学生姓名：
王雪梅
指导教师：
赵言诚教授
2011年6月
摘要
随着时代的的发展，科技的进步，蓄电池在电力、交通与信息等产业中起着越来越重要的作用。
蓄电池与国防、计算机、科研、港口等国民经济各领域不可分割，是社会生产经营活动和人类活动中不可或缺的产品。
同时，蓄电池是直流供电系统中的重要部分，它作为直流供电电源，担负着为系统提供安全、稳定、可靠的电力保障。
但28V蓄电池作为直流供电电源时，经常是在蓄电池电压值严重欠压情况下还在使用，很容易导致蓄电池的过早报废。
为此本课题设计了一种蓄电池放电控制器电路，对延长蓄电池的使用寿命有很大的作用，为系统获得最大的安全效益有着很重要的意义。
本系统主要由三个模块组成，本文在研究了蓄电池的基本原理和应用的基础上,对这三个模块的工作原理及结构都做了详细的分析，并且按照设计要求制作出了试验实体，进行了系统的测试和分析，最终做出相关的结论。
关键字：
蓄电池；保护电路；报警；显示
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscientificandtechnological,batteryplaysamoreandmoreimportantroleinpower,transportationandinformationindustry.Batteryandvariousfieldsofthenationaleconomysuchasdefense,computer,scientificresearch,andportareindivisible,itisthesocialproductionandoperatingactivitiesandtheindispensableproductofhumanactivities.Atthesametime,Accumulatorisanimportantpartofthedcpowersupplysystem。
Itisresponsibleforprovidingsafe,stableandreliablepowersupplyasDCpowersupplies.
However,asaDCpowersupply,28Vbatteryareoftenstillinusewhenitisinundervoltagecase.Itiseasytocausetheprematurescrapped.Therefore,thistopicdesignadischargecontrollercircuitforbattery,whichwithalotoffunctionservicelifeforbattery.Thiscircuithasaveryimportantsignificancetogainthemaximumsecuritybenefits.
Thissystemmainlyconsistsofthreemodulesandthisarticledescribetheworkingprincipleandstructureofthethreemodulesindetailinthebasisofstudyingthebasisprincipleandapplicationofbatteryandmakethephysicalsystemaccordingtotherequirement,anthesametime,makeaanalysis,finallygettherevelantconclusion.
Keywords：
battery；protectioncircuit；alarm；display
目录
第1章绪论1
1.1论文的背景与意义1
1.2国内外发展以及研究现状2
1.3论文要求及所做工作5
1.4实验预期结果6
1.5本章小结6
第2章电路各单元部分工作原理7
2.1蓄电池7
2.1.1概论7
2.1.2蓄电池自身的技术指标8
2.1.3蓄电池的工作原理与分析12
2.1.4铅酸蓄电池14
2.2蓄电池过放电保护电路17
2.2.1概述17
2.2.2比较电路17
2.2.3继电器19
2.3蓄电池工作电压状态显示及报警部分电路23
2.3.1概述23
2.3.2分压比较电路23
2.3.3状态显示电路24
2.4.1概述26
2.4.2ICL710727
2.4.3量程扩展28
2.5本章小结29
第3章蓄电池过放电控制器的方案设计30
3.1概述30
3.2电路系统的整体框图31
3.3过放电保护电路方案设计32
3.4蓄电池工作电压状态显示及报警部分电路的方案设计38
3.5蓄电池工作电压实时显示电路方案的设计43
3.6本章小结45
第4章电路系统的安装、调试与改进46
4.1电路的安装46
4.2电路调试49
4.2.1通电前检查49
4.2.2通电观察49
4.2.3电路调试49
4.3数据记录与分析58
4.3.1数据记录与处理58
4.4电路改进61
4.4.1采样电路的改进61
4.4.2驱动电路的改进61
4.5本章小结61
结论62
参考文献63
致谢65
附录66
第1章绪论
1.1论文的背景与意义
蓄电池是在1895年由普兰特发明，至今已有一百多年的历史，自从蓄电池的发明以来，由于其价格低廉，使用方便，在计算机、通信、航空等各个领域中起着重要的作用，应用十分广泛[1]。
随着电子技术的发展，人们对蓄电池的各方面性能也提出了越来越高的要求。
蓄电池作为直流供电电源时，为系统提供稳定的电压源，系统对蓄电池的稳流精度，稳压精度也有着越来越高的要求，28V蓄电池作为直流供电电源是很重要的一种用电设备，稳定、可靠和安全的保护电源是保证设备正常运行的关键。
但是，蓄电池经常工作在过放电状态，严重的过放电会损害蓄电池的寿命，乃至对整个系统造成严重的问题。
同时，蓄电池工作电压的测量过程很容易受到测试工具、人员等各种因素的干扰，准确性较低，这就需要一种蓄电池放电控制器来保护蓄电池，防止其工作在严重欠压情况下，并且为蓄电池的工作电压测量或显示提供便利，本课题正是在这种需求下产生的。
蓄电池在工作一段时间后，会工作在过放电状态，若继续使用，寿命会受到严重影响。
本课题即是对28V蓄电池作为直流供电电源时放电控制器的研究。
目的是蓄电池作为直流电源，进入过放电状态时，由过放电保护电路对整个系统进行切断，使蓄电池停止工作，避免由于过放电损害蓄电池的内部结构，同时，进行报警，提醒人们对蓄电池进行充电，从而保护蓄电池，将蓄电池的工作电压分为若干个范围，显示蓄电池当时的工作状态和电压范围，使人们对蓄电池的工作状态有所了解。
当然，除了对蓄电池工作状态的显示外，很多系统还需要知道蓄电池工作的实时电压。
本设计的一部分电路的作用就是显示蓄电池的实时工作电压，这就避免了在蓄电池工作时，外界测量的不便，，排除了外界各方面因素的影响。
而人们对蓄电池的工作状态、放电程度也会有更多的了解。
蓄电池作为直流供电电源时，人们对其放电控制器的要求通常如下：
1、合适的电压切断阈值
本课题研究的是28V蓄电池的放电控制器，由于28V蓄电池内部实际上是由两个14V的蓄电池串联而成，而14V蓄电池是由2V的小蓄电池串联组成。
查阅文献发现，2V的蓄电池的过放电阈值电压为1.7V，可以得知，28V蓄电池的过放电阈值电压为24V。
为了保护蓄电池，本设计的过放电保护电路的阈值设定在24.5V,即系统在蓄电池放电达到24.5V时进行切断，防止蓄电池进入过放电状态。
2、简单、鲜明的蓄电池电压状态显示
为了使工作者很快了解蓄电池的工作状态和工作电压范围，本设计的状态显示及报警部分必须有鲜明的电压状态显示器，根据蓄电池的工作电压范围，采用若干种不同颜色的LED来显示蓄电池的工作状态和电压范围。
3、适当的报警电压
不同于保护电路的电压切断阈值，这个电压是用来提醒工作者蓄电池即将工作在欠压状态下。
因此，可以将这个电压设置为稍高于保护电路电压切断阈值，根据上面设置的电压切断阈值，将报警电压设置为25V。
1.2国内外发展以及研究现状
蓄电池自发明以来，已有一百多年的历史，在化学电源中一直占有绝对优势。
具有价格低廉，原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。
然而，仍然有一定的缺点：
一是充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸，加水，维护工作繁重。
二是气体溢出，腐蚀设备，污染环境，限制了电池的应用。
1912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2和O2重新化合，返回电解液中，但该专利未能付诸实现：
一是铂催化剂很快失效；二是气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；三是存在爆炸的危险。
60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封的铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。
1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。
1969-1970年，美国EC公司制造了大约350000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉镍板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。
1975年GateRutter公司在经过很多年的努力并付出高昂的代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。
1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。
1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。
1987年，随着电信业的飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。
1991年，英国电信部门对正在使用的VRLA电池进行了检查和测试，发现VRLA电池并不象厂商宣传的那样，电池出现了热失控、燃烧和早期容量失效等现象，这引起了电池工业界的广泛讨论，并对VRLA电池的发展前途、容量检测技术、热失控好人可靠性表示了疑问，此时，VRLA电池市场占有率还不到富液式电池的50%，原来提到的“密封免维护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代，原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池，采用“免维护”容易引起误解。
1992年，针对1991年提出的问题，电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法，其中DrDaridFeder提出利用测电导的方法对VRLA电池进行监测。
I.c.Bearinger从技术方面评述VRLA电磁的先进性。
这些文章对VRLA电池的发展和推广应用起了很大的促进作用。
1992年，世界上VRLA电池用量在欧洲和美洲都大幅度增加，在亚洲国家电信部门提倡全部采用VRLA电池。
1996年，VRLA电池基本取代传统的富液式电池，VRLA电池已经得到了广大用户的认可。
近几十年来，随着能源的紧缺，人们对蓄电池的各个方面要求越来越高，蓄电池的技术改进向以下三个趋势发展：
1、生产免维护电化学系统
目前只有阀控铅酸蓄电池满足这一要求，随着技术的发展，蓄电池在循环寿命和能量输出方面会有一定的改进。
2、输出功率的提高
为了提高输出效率，蓄电池的改进过程如下：
采用包铅的铜扩展式半栅替代负极铅板栅；随后，另一个发展较快的趋势出现，蓄电池采用卷绕式箔片板极来提高输出功率；紧接着，更高级的改进技术出现，蓄电池开始采用双极式极板来提高输出功率。
3、提高蓄电池的可靠性
蓄电池的可靠性来自生产技术，也来自充电方法，采用适用于各种类型蓄电池的充电方法，提高其循环寿命，是蓄电池技术发展的另一个重要趋势。
蓄电池的高安全性、宽适应性、降低能耗以及高功率、轻量化、小型化是蓄电池的发展方向。
随着蓄电池技术的发展，应用的广泛，严重影响蓄电池寿命的过放电现象也越来越被人们所重视，蓄电池从出现到现在，蓄电池过放电保护技术也随之发展，应用到各个领域。
1.3论文要求及所做工作
按照课题的要求，蓄电池的放电控制器主要由三个模块构成。
首先，对于蓄电池的欠压保护电路模块，采用比较器LM393，基准源LM336z5,24V继电器，一个大功率三极管以及电阻、电容构成，其中采样电路用简单的电位器构成即可，调节方便，价格实惠，而继电器则起到一个自动开关的作用，大功率三极管则用于提高比较器的驱动能力。
其次，对于状态显示及报警电路模块，采用LM324，LM7824，红，黄，绿三种颜色的LED，蜂鸣器以及相应的电阻、电容构成。
其中LM324用来构成一个比较电路，而LM7824则用来给电路提供一个参考电压，根据28V蓄电池的工作电压范围以及上面报警电压值，将蓄电池工作电压范围划为5个范围，用不同颜色、不同个数的LED来显示。
最后，蓄电池实时显示模块，主要由ICL7107构成，但是，考虑到ICL7107的电压量程为200mv，需要相应的电阻搭接扩展电路来扩展ICL7107的量程，使量程达到200V。
在本次毕业设计中，需要完成以下工作：
1：
查阅LM324，LM393，LM336z5，24V继电器，LM7824等芯片的相关资料文献。
2：
针对课题的具体要求及实际应用中遇到的各种情况，提出具体的解决措施。
3：
设计出课题的具体实施方案，并进行理论研究和实验研究，探究实验方法。
4：
根据设计出的具体方案，完成电路设计，进行电路的安装、调试及实验数据测量。
5：
处理实验数据，分析电路存在的问题，提出解决问题的方案。
6：
根据存在的问题及提出的解决方案对电路进行改进，作出实验样机。
1.4实验预期结果
实验预期结果能够满足课题要求，实验样机能够在28V蓄电池工作时，实时显示蓄电池工作电压，随着蓄电池放电，工作的电压降低，实时显示部分能够很准确地显示蓄电池电压的变化，同时，随着蓄电池电压下降，电压状态显示及报警模块能够很鲜明地表示蓄电池工作的状态及电压范围。
在蓄电池下降到报警电压值时，电路进行报警。
而当蓄电池工作电压下降到过放电保护电路切断电压阈值时，过放电保护电路将电路进行切断，从而保护蓄电池。
1.5本章小结
本章是对本次课题设计做准备，主要从以下几方面进行介绍：
一，说明了论文选题的背景和意义，在这一方面，了解了蓄电池的工作原理及应用背景；二，对蓄电池国内外发展现状及前景进行了相关介绍，从这一方面了解到了蓄电池放电控制器的发展及前景；三，根据课题的要求，介绍论文的要求及所要做的相关工作，对课题的实施方案有了初步设想，确定了后续的工作方向和安排；四，介绍由课题设计要求及所要做的工作，应该达到的预期成果。
第2章电路各单元部分工作原理
2.1蓄电池
2.1.1概论
电池的诞生，是基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。
不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。
1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（LuigiGalvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。
伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。
伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。
而意大利物理学家伏特（AlessandroVolta）在多次实验后则认为：
青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。
为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。
结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。
1799年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。
这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。
1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。
然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。
干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。
1860年，法国的雷克兰士（GeorgeLeclanche）发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液，逐渐被黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。
而蓄电池的最早发明同样可以追溯到1860年。
当年，法国人普朗泰（GastonPlante）发明出用铅做电极的电池。
这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。
因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。
1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。
如今，充电电池的种类越来越丰富，形式也越来越多样，与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。
蓄电池在各个领域都起着很重要的作用，尤其是通信方面。
通信对电源的基本要求是必须绝对可靠，决不允许有瞬息的供电中断，通信各局站所使用的直流电源，基本都是采取由市电经整流变为直流供给的。
当市电中断时，立即起动自备交流发电机组供电,然而自备交流发电机组尚未起动供电之前的一段时间势必造成通信的中断，这是不允许的。
为解决上述问题，通信各局、站都装备有蓄电池组，而且大部分都采用整流器和蓄电池组并联浮充供电方式。
平时蓄电池保持少量的充电电流，负荷电流全由整流器供给。
当市电突然停电而自备交流发电机组尚未起动供电之前，蓄电池就对负荷供电直至自备交流发电机组供电为止，保证了负荷电源的不中断，因此，蓄电池在保持通信电源的不间断有着重要作用。
这也是基于蓄电池自身电压稳定，供电方便和安全可靠等优点而来的。
因此，蓄电池是通信的重要电源设备之一。
2.1.2蓄电池自身的技术指标
蓄电池在电子电路中，由于电路系统的不同，对蓄电池的要求也不同。
下面是蓄电池本身的一些技术指标：
1、蓄电池的容量
蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，常用C表示然而，蓄电池作为电源，由于其端电压是一个变值，选用安时（Ah）表示蓄电池的电源特性更为准确。
理论上，放电时间可以趋于无穷，但实际上，当蓄电池放电低于终止电压时仍继续放电，这可能损坏蓄电池，故对放电时间值有限制。
在蓄电池行业中，以小时或分钟表示蓄电池可持续放电的时间，常见的有C24、C20、C10、C8、C3、C1等标称容量值。
蓄电池容量可分为理论容量、额定容量、实际容量。
理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值；实际容量是指蓄电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量；额定容量也称为标称容量、保证容量，是按国家或有关部门颁发的标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
为了比较不同系列蓄电池，常用比容量的概念，即电位体积或单位质量蓄电池所能给出的电量，分别称为体积比容量和质量比容量。
其单位分别为Ah/L（安时/升）或Ah/kg（安时/千克）。
在衡量蓄电池的指标中，蓄电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标。
恒流放电的情况下，蓄电池容量为:
Q=I×t （2.1）
式中Q是蓄电池放出的电量，单位为Ah。
I是放电电流，单位为A；T是放电时间，单位为h。
2、开路电压
蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。
蓄电池的开路电压等于蓄电池在断路时（即没有电流通过两极时）蓄电池的正极电位与负极电位之差。
蓄电池的开路电压用Uk表示，即
Uk=Ez-Ef（2.2）
式中Ez是蓄电池正极电位；Ef是蓄电池负极电位。
3、内阻
蓄电池的内阻是指电流通过蓄电池内部受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化和浓差极化等。
由于内阻的存在，蓄电池的工作电压总是小于蓄电池的开路电压或电动势。
4、放电电压
蓄电池放电电压又称为蓄电池的工作电压或负荷电压，是指蓄电池在放电时蓄电池两端的电压。
常用U表示，即
U=Uk-I（Ro+Rj）（2.3）
式中I是蓄电池放电电流；Ro是蓄电池的欧姆电阻；Rj是蓄电池的极化电阻。
所谓蓄电池的放电终止电压指蓄电池低于这一规定的电压时，蓄电池就无法正常工作的电压。
换言之，蓄电池在低于终止电压的情况下继续放电使用，可能会造成蓄电池永久性损坏。
5、充电电压
充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。
6、浮充电压
蓄电池要求充电器应有精确而稳定的浮充电压值，浮充电压值高意味着储能多，质量差的蓄电池浮充电压值一般较小。
7、放电时率与放电倍率
（1）放电时率
放电时率是以放电时间长短来表示蓄电池放电的速率，即蓄电池在规定的放电时间内，以规定的电流放出的容量，放电时率可用下式表示：
TK=Ck/Ik（2.4）
式中，Tk（T10、T3、T1）表示10、3、1等小时放电率；Ck（C10、C3、C1）表示10、3、1等小时率放电容量，单位为Ah；Ik（I10、I3、I1）表示10、3、1等小时率放电电流，单位为A。
（2）放电倍率
放电倍率X是放电电流为蓄电池额定容量的一个倍数。
公式如下：
X=I/C（2.5）
式中X表示放电倍率；I是放电电流；C是蓄电池的额定容量。
为了对容量不同的蓄电池进行比较，放电电流不用绝对值（安培）表示，而用额定容量C与放电制时间的比来表示，称作放电速率或放电倍率。
20h制的放电速率就是C/20=0.05C，单位为A。
8、能量和比能量
（1）能量蓄电池的能量是指在一定放电制下，所能给出的电能，通常用W表示，其单位为W/h。
蓄电池的能量分为理论能量和实际能量，理论能量可用理论容量和电动势的乘积表示，而蓄电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电
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