穿梭板充电系统.docx
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毕 业 设 计 (论 文)
题 目;穿梭板充电系统设计
系 部;电气工程系 专 业:
机电一体化技术 学生姓名:
xxx 指导教师:
xxx
题目类型:
理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开
发
2008年6月20日
摘 要
近年来,在欧美国家,由于密集仓储货物的需要,在自动化程度要求不高并使用人工叉车装卸货的环境,均有无线遥控穿梭板,这种新型的存取半自动化设备的应用。
无线遥控穿梭板结合人工叉车的使用,使密集仓储货物方便可行。
无线遥控穿梭板结合人工叉车的使用,把货物的存放和运输分开,无线遥控穿梭板完成货物存放功能;人工叉车完成货物运输功能。
人工叉车不进入货物存放区,货物存放指令由叉车操作员通过无线遥控器下发,操作员也可终止无线遥控穿梭板正在执行的动作。
本子课题设计是解决在密集存储的仓库中使用的无线遥控穿梭板的充电方案。
本设计的目的,在于通过设计,研究工业用蓄电池的充电方式;通过设计,对单机的蓄电池选用类型、多种工作环境下的充电模式,充电机结构进行初步研究。
蓄电池在社会生活中各行业的应用不断发展,日趋成熟。
但是蓄电池在运行中存在的一系列问题却日益突出。
蓄电池在运行中的问题主要是如何延长其使用寿命的问题,也就是蓄电池的正确使用维护的问题。
本论文旨在对基于穿梭板电源系统的蓄电池的维护方法及其受控运行做出探索和研究。
电源系统是穿梭板自动引导车系统的重要组成部分,大多电源系统未能遵从电池内部的物理化学规律,存在严重的过充电和析气现象,并导致充电过程的低效、耗时和易损。
因此,既能提高能量利用率,缩短充电时间,又不影响镍镉蓄电池使用寿命的新型电源系统成为迅速发展的电力电子技术及自动控制技术的关注领域。
穿梭板用工业蓄电池作为电源,电池的选型与设计对穿梭板设计具有很大影响。
电池除了提供穿梭板全部的所需电能外,也是车体平衡的重要部分,对穿梭板单机性能指标有直接影响,对系统的设计及配套也密切相关。
穿梭板配套电池组电压一般分24V、48V两档,电池容量根据设计要求而定,一般在数十安时至数百安时范围。
AGV的工作制常分为8小时、16小时、24小时连续工作制等,这对电池容量和充电方式的选择有直接影响。
目 录
引言 1
1.铅蓄电池
1.1.铅蓄电池的简介
1.2.铅蓄电池的工作原理
1.3.铅蓄电池工作特性
1.4.铅蓄电池组的连接组成方式
2:
镍氢蓄电池
2.1镍氢蓄电池的简介
2.2:
镍氢蓄电池充放电回路
2.3:
镍氢蓄电池充电系统软件分析
3.1:
.铅蓄.镍氢蓄电池充电注意事项
3.2:
.如何选择铅蓄.镍氢蓄电池充方式
总结
参考文献致 谢
引言
蓄电池是电池中的一种,它的作用是能把有限的电能储存起来,在合适的地方使用。
它的工作原理就是把化学能转化为电能;AGV使用电池主要分酸性和碱性两大类型,每一类又有高、中、低档之分。
酸性电池一般指铅酸电池,是目前应用最为广泛的品种[11]。
其特点是性能良好,充放电比为1:
1~1:
3,价格便宜,普及性广。
碱性电池一般指铁镍电池、镉镍电池、银锌电池等,其特点是性能优良,充放电比为1:
3~1:
10,体积较小,重量较轻,但价格较高,常用于比较高档或要求快速充电的AGV系统;本文主要介绍后者的铅蓄电池和镍氢蓄电池在AGV系统中的应用。
.1:
铅蓄电池
1.1:
铅蓄电池的简介
铅蓄电池由于使用地点、用途和容量不同,分为固定型和移动型两大类。
固定型主要采用开口式(属第一代产品,已被淘汰)、防酸隔爆式(第二代部品,也处于逐步淘汰中)和阀控密封式三种;移动型蓄电池又分为启动用、牵引用、内燃机车用、铁路客车用、摩托车用……等多种型式的用途。
目前在通信、电力、交通等各行业最为广泛使用的为阀控密封式蓄电池,由于其壳体密封,设有安全阀,使用中不泄漏、无污染,移动轻便,安全防爆,日常无须加水,只要正确运用,维护简便。
1.2:
铅蓄电池的工作原理
a.蓄电池的电动势
电池在外部开路条件下,正负两极间的化学平衡电势之差,即为电池的电动势。
电动势是电池产生电能的推动力。
电池电动势的大小由电池中进行的反应性质和条件决定,与电池的形状、尺寸无关。
b.蓄电池的开路电压
电池在开路状态下的端电压称为开路电压,铅蓄电池的开路电压在数值上相等于电池的电动势。
c、蓄电池的工作电压
工作电压指电池接通负荷后在放电过程中显示的电压,又称负载电压或放电电压。
电池的工作电压低于开路电压。
d、电动势的产生
铅蓄电池的正极是二氧化铅(PbO2),负极是绒状纯铅(Pb),它们是两种不同的活性物质,故和电解液稀硫酸(H2SO4)的化学反应的结果不同,两电极的平衡电势也不相等,在未接通负荷时两极间产生了一定的电位差,即为电池的电动势。
充电过程的化学反应
充电过程是放电过程的逆过程。
在充电电源的作用下,使正、负极板上的硫酸铅
(PbSO4)不断进入电解液而被游离。
在负极板上游离的铅离子(Pb2+)被中和为铅(Pb),以固体状态附在负极板上。
在正极板上的硫酸铅(PbSO4)游离分解最后正极板上形成二氧化铅(PbO2),电解液中的硫酸成分增加,水分减少,电解液的比重(密度)升高。
两极上原来被消耗的活性物质复原了。
充电时总的化学反应式为:
PbSO4+2H2O+PbSO4 充电 PbO2+2H2SO4+Pb
(正极) (水) (负极) (正极) (硫酸) (负极)
1.3:
铅蓄电池工作特性
铅蓄电池工作特性主要是指它的充放电特性。
蓄电池的性能优劣主要是由他的充放电特性所决定,这也是AGV系统选用蓄电池的一个重要标准。
a、铅蓄电池的充电
铅蓄电池的电动势随着电解液的比重(密度)和温度的增加而增加,电动势更主要与电解液的比重成正比关系,而温度对电动势也具有一定的影响。
因此在铅蓄电池充放电过程中,对电动势或端电压影响最大的在于电解液的比重变化,铅蓄电池的端电压在放电时低于蓄电池的电动势,而在充电时高于蓄电池的电动势。
b.充电时端电压的变化
充电时硫酸密度上升,电压上升,容量上升。
在充放电过程中,化学作用总是
先从极板表面进行的,所以活性物质微孔中电解液浓度的变化比容器中电解液浓度的变化要快得多。
因此由于浓度的差异就会出现容器中电解液同活性物质微孔中电解液互相扩散的现象。
如右图所示,在充电初期(曲线
oa段),铅蓄电池的端电压升高很快。
这是因为极板中的硫酸铅开始还原为二氧化铅(PbO2)和绒状铅时,活性物质微孔中的硫酸突然增多(浓度增大),来不及向极板外扩散,故活性物质微孔内部的电解液比重和电动势都比较迅速上升,加上这时极板上大部分都是硫酸铅(PbSO4),因而内
部电阻较大,内压降也较大(这时
U充=E+I充·r内),所以在充电初期电压升高很快。
充电中期(曲线ab段),铅蓄电池端电压在较长时间内升高较慢。
这是因为活性物质微孔中硫酸比重(密度)与容器中电解液比重之间形成了一个浓度差,在这个浓度差的作用下,使活性物质微孔内部所形成的硫酸向容器中的电解液扩散,这时活性物质微孔中硫酸比重增加的速度与向外扩散的速度渐趋平衡,故电压升高较慢。
到充电末期(曲线bc段),电压又较快地升高(由2.3伏到2.7伏),这是因为极板上的硫酸铅已大部分还原为二氧化铅(正极板)和绒状铅(负极板),如继续充电,一部分充电电流用来分解水,极板上便有气泡释出(正极板释出氧气,负极板释出氢气)。
部分气泡吸附在极板表面来不及释出,形成电阻,使蓄电池内阻增大,内压降随之增大,U充升高,端电压急速上升到2.5伏~2.6伏。
到曲线cd段电压上升不大,这时活性物质全部还原到充足时的状态,吸附在极板表面上的气泡也稳定到一定数量,故端电压稳定在2.7伏左右。
此后,蓄电池的端电压不再随充电时间的延长而增加,仅仅是无谓地消耗电能进行水的分解。
停止充电后,由于内压降消失,电压立即降至2.3伏,同时活性物质微孔中硫酸的扩散,一直到极板内、外浓度相等为止,最后蓄电池端电压稳定在2.06伏左右
1.4:
铅蓄电池组的连接组成方式
铅酸蓄电池无论它的生产工艺、使用类型如何或电池容量大小单体蓄电池的额定电压都是2V,因此要构成实际使用的蓄电池组的额定电压(如24V、48V等)都需由多个单体电池串联构成。
蓄电池的容量是根据用电设备的使用要求确定的,从几个安时到几千、几万安时不等,但是由于生产制造、运输搬运、安装连接等多种原因不可能将蓄电池做得很大很大,这就需要从单体电池的连接组合方式上解决实际需要的额定容量和工作电压。
●串联连接。
这是最普遍的连接方式,需要的电池容量和电池组电压一经确定,容量在1000Ah以下时一般都采用各单体电池直接串联组成蓄电池组。
这种方式对蓄电池组的安装连接、维护检修都比较直观方便,查出电池组中最低的单体电池容量就确定了该组电池的实际容量。
●并联连接。
这种方式与工作电压无关,只是为了扩大容量而采取的,一般采用两个独立的由单体电池串联方式组成的电池组并联使用。
这样两组电池分别进行维护检修,而且电池组并联运行后,减小了单组的放电电流,因此两组并联后的电池,在相同终止电压的情况下,实际放电容量将大于各组额定容量之和。
●串并混连方式。
这种方式在阀控电池使用得较多,一些生产厂以几个单体电池组成
6V、8V、12V等单元式电池单位,在单元内部也以串联或串并联方式组成不同容量和不同电压的单元电池。
使用部门再根据需要的工作电压,以多个单元电池串联成蓄电池组,甚至由单元式电池再作串联、并联或混连组成蓄电池。
这种方式虽然满足了容量和工作电压的需要,但对维护工作十分复杂,不易查出落后电池,也较难对其活化处理。
2:
镍氢蓄电池
2.1镍氢蓄电池的简介
镍氢蓄电池是碱性蓄电池的一种
碱性是指一种物质在溶剂中能向其它物质提供未共用电子对的能力.
对于一种物质,是否具有碱性取决于未成对电子接受质子的能力.如在水溶液中,OH-离子能够接受H+,NH4+等离子,从而表现出碱性;相应的,在非水体系中,如在液氨溶剂中,NH2-离子能够接受NH4+等离子,同样也表现出碱性.
常用的无机碱有:
NaOH,KOH,Ca(OH)2,NaNH2,NH3·H2O等,常用的有机碱主要是季铵碱类.R4NOH
一般来说,物质的碱性强弱取决于接受质子能力的大小和形成的原子团的稳定性等.如NH3能接受BF3形成BF3+NH3-,NH3能接受H+形成NH4+,但该离子的稳定性差,故NH3表现为弱碱性.而NH2-接受H+则形成稳定的NH3,故NH2-表现为强碱性.在水溶液中,NaOH与KOH等碱性相当,这时称这样的溶剂为拉平溶剂,而在某些溶剂中能表现出不同碱碱性的差别,这样的溶剂称为区分溶剂.
2.3镍氢蓄电池充放电回路
充电回路是采用一种新型的电源芯片TOP225Y构成的电源电路。
该芯片是美国Powergration公司生产的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路。
它将PWM集成电路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中
,具备PWM型开关稳压电源所需的全部功能。
通过高频变压器使输出端与电网完全隔离
,实现了无功频变压器隔离的开关电源的集成化。
整个回路具有输出功率范围大、成本低
、集成化程度高、电路设计简单等优点。
放电回路则由蓄电池和电阻构成回路,MOS管作为开关,控制放电回路的关断。
MOS管的关断由单片机给出控制信号。
智能充电系统的原理框图如图1所示。
单片机根据电压反馈和电流反馈,输出数字电压转换成模拟电压。
模拟电压再经过光耦隔离,然后调节电源芯片TOP225Y控制脚的电流大小,由芯片调节控制信号的占空比,从而调整脉冲电压的幅值或涓流电流的大小。
一般单片机的数字电压转换成模拟电压都需要D/A转换器,由于ST72系列单片机带有PWM输出,因此可以直接利用PWM输出将数字电压转换成模拟电压,能够保证精度,省却了D/A转换器。
2.4:
镍氢蓄电池充电系统软件分析
系统软件用C语言编写,经过汇编、仿真调试烧写在单片机的内部程序存储器内。
按照软件工程的规范要求进行软件设计,实现结构层次化、功能模块化,不仅使软件的可读性、可维护性、可扩展性得到了增强,而且提高了软件的可靠性。
程序的总体结构框图如图2所示。
程序先检测蓄电池是否已充满和蓄电池的好坏。
蓄电池是否充满可以从其两端的电压得出。
蓄电池的好坏需要通过开路、短路、测温等试验措施来确定
。
对蓄电池可施加一个比较小的充电电流(约为快速充电电流的1/5),使电池电压在一定时间内达到某个特定值,确定蓄电池的好坏。
开始脉冲充电后
,程序自动跟踪检测蓄电池的各种参数。
当参数达到脉冲充电终止条件时,系统终止快速充电状态而转入涓流充电状态,以补充蓄电池因自放电而损失的电量。
在涓流充电状态下,充电器将以某一充电速率给蓄电池补充电荷,这样可以使电池总处于充足电状态。
为保证在任何情况下,均能准确可靠地控制电池的充电状态,本系统采用了电压控制、温度控制和定时控制的综合控制法。
(1)电压控制使用拐点控制法。
这种充电终止方法由检测电压曲线的拐点构成,对镍氢、镍镉电池都适用。
用单片机检测电压曲线需要求出电压曲线对时间的一次求导值并检测其顶点值。
ST72264单片机的A/D转换器每4秒钟测得电池电压一次,为减少由于高频干扰(例如由脉冲充电电流所产生的干扰)而造成的测量误差,连续多次测量电池电压得出一个平均测量值。
进而对现今和先前的平均测量结果再做一个滚动平均,去除由于电化学电池电压变化而造成的低频干扰。
通过对几次测量数据的运算,以获取电压对时间的导数。
因为电压是通过A/D转换器得到的数字量,电压对时间的一次导数的曲线不平滑,所以必须对该曲线做平滑处理。
通过检测在平滑的导数曲线上所遇到的第一个最高顶值来辩认这个拐点(图3中的B点)。
当探测出这个顶值时就终止快速充电。
(2)温度也是蓄电池组在充电时可以参考的一个重要参数,其实对电池而言温度才真正反映了电池内部的化学变化过程,也就是说温度是化学电池的本质特征。
但温度的测量以及温度与性能的对应关系我们须要作进一步研究,AGV用镉镍电池常用的温度控制法有以下几种。
1.最高温度控制法:
充电时,电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。
通常把充电机的保护温度定为45℃,一旦充电时电池的表面温度达到该值时,充电机即对其进行保护。
2.温升控制法:
用两只热敏电阻分别对环境温度和电池温度进行检测,当温升达到一定值时即对电池进行保护的方法。
3.温度变化率控制法:
当镉镍电池充足电后,电池温度上升较快,且
温度控制使用温度变化率法。
镍氢和镍镉电池充足电后,电池温度迅速上升,而且上升速率ΔT/Δt基本相同。
当电池温度每分钟上升1℃时,应立即终止快速充电。
需要注意的是:
由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的,
因此,为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。
Δθ/Δt基本一致。
一般将电池的最高温化率控制在1℃/min,一旦达到此值即进行保护。
(3)定时控制就是设定时间上限,超过时间就停止快速充电。
3系统的性能评价
利用本充电系统对镍氢电池、镍镉电池充电,对于容量为1000mAH电池,充足电时间为25min;容量为1300mAH的电池,充足电时间为33min;容量为1600mAH的电池,充足电时间为40min,远远快于常规充电系统。
此外,系统的结构简单、调试容易、充电安全可靠,不会损坏蓄电池或缩短蓄电池寿命。
3.1:
.铅蓄.镍氢蓄电池充电注意事项
一、充足程度。
充足电池是充电器的主要功能,达到什么程度,
50%、70%、90%、还是100%,它反映电池容量的利用率。
2000mAH镍氢电池充电50%只相当于1000mAH电池。
二、通用性。
充电器适用电池容量范围反映了通用程度,适用范围较小的充电器,当用户有早先容量较小的电池或新购更高容量电池时,常需购买多个充电器。
通用性强的充电器甚至只需一个就能适应很大电池容量范围,不但能适用于早先、目前电池容量,还能适应将来更高容量电池。
三、控制方式。
人工控制充电时间,实际使用中常会疏忽而过充电,全自动控制充电对用户极为方便。
四、快充性能。
充电器提供快充或急充电流,用较短时间充足电池,使用快捷。
五、充电电源。
镍镉镍氢电池应选用恒流源充电器。
六、日充电容量。
充电器24小时最大充电容量反映了充电能力。
100mA充电电流、充2节电池的充电器,日充电容量为3200mAH,100mA充4节电池的充电器,日充电容量为6400mAH,300mA充4节电池的充电器日充电容量可达20000mAH,日充电容量越高充电能力越强。
3.2:
.如何选择铅蓄.镍氢蓄电池充电方式
电池的设计和生产工艺决定了蓄电池组的固有可靠性,电池组的使用维护则是保证了蓄电池组的可靠性。
为了维护使用好阀控式密封铅酸蓄电池,在正常使用情况下,要经常巡视、检查、测试蓄电池,认真做好蓄电池的运行记录。
完整的运行记录包括浮充记录、放电记录、均衡记录、电池出现的问题记录以及采取的措施记录等,每月采逐只记录电池的浮充电压,均衡充电时应记录均衡充电的总电压、充电时间、环境温度等情况,以便随时掌握电池的运行情况,做到心中有数。
在巡查中一旦发现阀控式密封铅酸蓄电池有物理性损伤,例如外壳鼓包、壳盖裂纹就要立即更换新电池。
(1)尽量使电池处于充足电状态。
铅蓄电池放电产物是硫酸铅,若不及时充电将它转化为铅和氧化铅,那么硫酸铅晶体就发生变化失去活性,引起极板硫酸盐化,降低电池容量缩短电池寿命。
(2)正确选择并及时调整浮充电压。
这一措施对防止电池失水和热失控至关重要。
(3)尽可能使电池的环境温度保持20℃~25℃。
虽然电池允许的工作温度范围为-15℃
+45℃,但电池的最佳工作温度应当为25℃左右。
(4)定期(最好是半年左右)对电池进行治疗性充放电,即用20时率放电至1.80V,然后充足电再继续使用。
1、浮充充电
蓄电池浮充电压设定为2.25V/单格(25℃时)(蓄电池正负端子测定值的平均值),充电最大电流设定为0.25C10A。
若电池工作环境温度的变化范围很大,应对环境温度下的充电电压作修正,以25℃为基准,每相差1℃修正值为0.003V/单体,即温度每升高1℃,浮充电压降低3mV,温度每降低1℃,浮充电压升高3mV。
2、均衡充电
蓄电池均充电压设定为2.30V/单格(25℃时)(蓄电池正负端子测定值的平均值),充电最大电流设定为0.25C10A。
均充周期一般设定为12周。
如机站供电条件恶劣,可酌情调为8周。
3、安装前进行均衡补充电
安装调试结束后使用前应进行均衡补充电,GFM型阀控密封铅酸蓄电池荷电出厂,从出厂到安装使用,电池的容量会受到不同程度的损失,因此电池在安装结束后投入使用前,应对电池进行均衡充电。
均充电压一般设定为2.30V/单格(25℃时)(蓄电池正负端子测定值的平均值)。
当电池组电压充上来并自动转浮充后,浮充时间不得少于24小时。
4、VRLA蓄电池容量检测
蓄电池初验、终验或其它容量检测时应按以下步骤进行:
●容量放电前应进行均衡补充电,均充电压设定为2.30V/单格
(25℃时)(蓄电池正负端子测定值的平均值)。
●当均充转浮充后,浮充电流在1-2mA/Ah,且连续稳定约2-3
小时不变,这表明电池已充足电。
在确保浮充24小时并断电1小时后,可以进行容量检测,检测方法如下:
放电率
放电电流,
A
蓄电池放电单体
终止电压,V
容量检测标
准
10h
1.0I10
1.80
≥1.00C10
5h
1.6I10
1.80
≥0.80C10
3h
2.5I10
1.80
≥0.75C10
放电结束后,在24小时内进行均衡补充电,均充电压设定为2.30V/单格(25℃时)(蓄电池正负端子测定值的平均值),充电最大电流设定为0.25C10A,当均充电流在3~5A时转入浮充,当浮充电流在1-2mA/Ah,且连续稳定约2-3小时不变,这表明电池已充足电。
此时进入正常浮充状态并保持24小时以上。
VRLA蓄电池容量检测按维护规程规定有:
l全封闭铅酸蓄电池首次补充充电后应做一次容量试验(首次容量试验),放电应能放出额定容量的80%。
l每年应以实际负荷做一次核对性放电试验,放出容量为额定容量的30~40%为限(若以实际负荷做试验应以确保放电总电压不低于用电电压的下限为准!
有条件的地方宜采用模拟实际负荷做试验)。
l蓄电池使用在5年以内的每3年做一次容量试验。
l蓄电池使用6年以上每年做一次容量试验。
关于铅酸蓄电池充电终止标准由于型式不同(如防酸隔爆式与密封式)而异,或同一型式(如密封式)不同生产厂家,其充电终止标准也不尽相同。
故凡有说明书的应按说明书进行,没有说明书的按规程进行。
至于放电终止标准直接反映了蓄电池的实有容量,不同的放电率、不同的温度、不同的终止电压,实有容量不同,一般以10小时率25℃和
1.8V为准。
5、放电
在负载电流小于1/3I10的条件下,根据相关开关电源作相应设置,即一次保护下线电压和二次保护下线电压作相应设置。
对蓄电池放电深度要求如下控制:
●利用放电时间来控制放电深度,放电时间与负载电流乘积所得容量应小于等于
0.80C10。
●利用放电容量来控制放电深度,设置的电池放电容量应小于或等于0.80C10。
●利用放电终止电压来控制放电深度,也就是通过一次下电电压和二次下电压设置来防止电池过放电,根据负载电流大小做如下要求:
注:
I10表示工作电池的标称容量的1/10的电流,若工作电池为多路并联,则工作电池的标称容量为多路并联电池的标称容量加合。
蓄电池的使用寿命从使用年限上说一般不低于10~12年,从剩余容量上说,少于额定容量的61%,从循环次数上说(与放电率有关)各厂家不一,最多可为1200次,至于进行容量试验(一般最多10~20次左右)与蓄电池的预设的循环次数比是微不足道的,完全
可以忽略不计,因此严格贯彻执行维护规程定期进行容量试验对掌握蓄电池状况是只有好处没有坏处的。
6、定期均衡补充电
蓄电池在正常情况下每3个月进行一次均衡补充电,或者发现个别落后电池(端电压低于2.20V时)及事故放电、电池定期容量检测,均需对电池进行均衡补充电。
均衡充电电压设定为2.30V/单格(25℃时),最大电流设定为0.25C10A。
7、定期检查
●刚安装好的电池在使用时应检查电池在充放电时的端电压是否一致,充放电电流是否稳定,触摸结合部位和端子有无发烫现象。
●每季测量各单体电压,观察其均衡性并记录。
●检查连接条是否位移、松动,排气阀是否有松动,如出现异常,由现场维护人员及时拧紧到规定的扭矩值。
检查单体电池是否破损、泄漏,发现问题应及时通知厂家派人更换。
●