铅酸电池充放电系统设计

本科毕业论文（设计、创作）题目： 铅酸电池充放电系统设计 学生姓名： 学号： 1002148 所在院系： 专业：电气工程及其自动化入学时间： 2010 年 9 月导师姓名： 职称/ 学位： 副教授/ 硕士 导师所在单位： 完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 安徽三联学院毕业论文0铅酸电池充放电系统设计摘要：随着社会科学的发展与进步，微机技术越来越普及，涉及的很多领域已经在机车上得到应用。在这里我们特别要提到的就是蓄电池的监测装置充电和放电功率（充放电电源）可是我们都知道当今社会虽然发展很快，可是在某种程度上讲技术还是很有限，还有很多地方采用的是晶闸管整流电路。这一类电源不但体积大，而且效率也很低；同时很多时候向电网注入了大量谐波，对电网造成了危害性可想而知。就是因为以上的很多问题一直困扰着我们，所以，为了解决这一问题，本论文尽可能地设计了一套无论在功能上，还是在技术上都很齐全的开关型智能蓄电池充放电系统。本文首先介绍了蓄电池冲放电工作原理和特性以及蓄电池对充放电电路的要求。而在主电路设计中选用的是电压型 PWM 变流器，通过分析 PWM 工作原理，来让我们更深刻地了解蓄电池充放电装置的总体设计方案。不仅如此，我们通过一系列的对比分析对主电路参数的选择也进行了深刻地研究。在检测电路设计过程中，通过介绍分析交流电压检测，交流电流检测以及直流电压电流的检测，从而得出参数。在控制电路设计的模型中，我们把 80C196MC 作为本次论文系统设计的主要控制核心，运用了空间矢量法和 PI 调节产生的 PWM 脉冲的这样一种控制技术。而且还详细地分析了它具体实现的这一过程。最后，本文不仅阐述了电池电压转换电路的原理，而且对蓄电池电流和电压的采样都很好地并且有效地完成了。在结论中，更对系统的结构功能进行了总结。该系统结构的开关型智能蓄电池充放电系统设计具有很强的优化性，很好地完成了我们当初假想设计任务。关键词：铅酸电池、PWM 变换器、80C196MC、PI安徽三联学院毕业论文1Lead-acid battery charge and discharge system designAbstract:With the development and progress of social science, computer technology is more and more popular, involved in many areas has been applied on the locomotive. Especially battery monitoring device - charging and discharging power supply. But we all know that although todays society has developed rapidly, but in some ways technology is still very limited, and there are many places thyristor rectifier circuit is used. This kind of power supply not only bulky, and efficiency is low; At the same time, a lot of the time added a large amount of harmonics to the power grid, caused harm to power grid. In view of the above these problems, this paper designs a full set of switch type intelligent battery charging and discharging system.This paper first introduces the battery discharge working principle and characteristics as well as the requirement of battery to charge and discharge circuit.In use in the design of main circuit is voltage type PWM converter, by analyzing the PWM principle of work, to make us more profound understanding of the overall design scheme of the storage battery charging and discharging device. At the same time, also studied the selection of main circuit parameters.In the process of detection circuit design, by introducing the analysis of voltage test, ac current and dc voltage current detection, which parameters are obtained.In the control circuit design of the model, using 80C196MC as the core of system control, using the space vector method and PI regulation of PWM pulse control technology. But also it areanalysed in detail on the concreteimplementation of the process.Finally, the paper expatiates the working principle of storage battery voltage type current transformer detection circuit, well done for battery current and the voltage of the sample. In conclusion, the more the structure and function of the system are summarized.This paper designs the switch type intelligent battery charging and discharging system with optimization of system structure, completed the established design task.Keywords: lead-acid batteries, PWM converter, 80 c196mc, PI安徽三联学院毕业论文目录第一章 绪论 .11.1 铅酸蓄电池的发展历史 .11.2 课题的背景 .11.3 铅酸蓄电池的工作原理 .1第二章 蓄电池充放电装置主电路的设计 .22.1 蓄电池充放电系统的总体设计方案 .22.2 电路设计要求 .22.3 主电路选择 .32.3.1 三相电压型 PWM 变换器简介 .32.3.2 三相电流型 PWM 变换器简介 .32.3.3 电压型、电流型变换器比较 .42.4 主电路参数的选择 .42.4.1 计算并选择变压器参数 .52.4.2 计算交流侧电感参数 .62.4.3 计算直流侧电容参数 .7第三章 蓄电池充放电装置的检测电路设计 .103.1 交流电压检测电路 .103.2 AD736 芯片的原理 .103.3 交流电流检测电路 .113.4 直流电压、电流检测电路 .12第四章 控制电路的设计 .144.1 控制系统的硬件结构设计 .144.1.1 控制系统的设计 .154.1.2 电流外环控制系统设计 .174.2 软件设计 .18第五章 结论 .27致谢 .29安徽三联学院毕业论文I参考文献 .30安徽三联学院毕业论文0第一章 绪论1.1 铅酸蓄电池的发展历史铅酸蓄电池是一位对物理科学研究有着巨大贡献的物理学家普兰特先生在1859年发明的，距离现在已经有一百四十多年的历史了。基于它价格便宜、 原材料也易获得， 可靠性强等等这些优点，在发明以后，一直在作为电池电源的使用中占着绝对的优势。后来的一百多年更是经历许多重大的改进，使得铅酸蓄电池的能量密度，使用的寿命等特性都得到了非常迅猛的发展。1984年，VRLA 电池在美国和欧洲得到小范围应用。1992，世界上的阀控式密封铅酸蓄电池的使用在欧洲和美国已大大增加，而电信部门也在推进亚洲所有国家都用 VRLA 电池。1996 阀控式密封铅酸蓄电池取代传统的富液式电池，铅酸电池已被广大用户认可。综上所述，我们很清楚地知道铅酸蓄电池已经不再是单一的电池它的的应用范围越来越广泛。1.2 课题的背景随着社会科学技术的发展，铅酸蓄电池被应用的范围越来越广，尤其在交通，通讯，电力等部门更是得到广泛的应用。可是，本来可以工作到 1015 年的铅酸蓄电池，却因为很多时候对铅酸蓄电池充放电原理的不合理的设计，造成了充电量不足， ，只能进行短暂的充放电，对电池的使用寿命是大大的损害，正式基于这样的一个背景前提下设计了一套高科技的开关型智能铅酸蓄电池充放电系统设备。1.3 铅酸蓄电池的工作原理正极极群，负极极群 ，电解液和容积是铅酸蓄电池的重要组成部分。正负极放在硫酸的水溶液中的下反应方程式 PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 4H2O + PbSO4正极电解液负极正极电解液负极安徽三联学院毕业论文1图 2-1 智能充放电装置总体框图第二章 蓄电池充放电装置主电路的设计2.1 蓄电池充放电系统的总体设计方案我们通过分析如图(2-1)可以很明显地得出，在智能充放电装置的系统设计中的，单片机是贯穿整个设计装置的核心控制部件，在整个装置中起到了举足轻重的作用，它根据电流、电压反馈和温度采样情况，通过温度补偿以后的，电压给定和电流给定，决定了智能充放电系统的工作状态。2.2 电路设计要求根据铅酸蓄电池电路的设计需要，以下几点的技术指标需要我们在快速充放电时注意：电 压 反 馈电 流 反 馈异 常 信 号单 片 机80C196M电 源 控制 模 块 电 流 调 节电 压 调 节温 度 采 样 外 部 控 制 信 号报 警 显 示功 率 回 路安徽三联学院毕业论文2图 2-2 电压型 PWM 主电路1. 2%是电网频率所允许的波动范围；2. 输出电压 u：120V 0.5%；3. 电流输出 i：0.00A90.00A,需要连续可调；4. 功率因数：0.99；5. 效率： 75%；6. 纹波系数： 0.5%。2.3 主电路选择随着电力电子技术的应用普及，电网中有很多的污染变得越来越严重，尤其是大家都在关注的谐波污染。还有一点需要注意的是因为功率因数低的缘故，许多和电力电子相关的设置设备给电网在某种程度上造成了很多不必要的负担和质量问题。谐波电压和谐波电流产生的危害就是最典型的案例之一。根据 PWM 变流器双向流动的这一特点来消除谐波污染，本课题就采用了 PWM 变流器设计方式的蓄电池充放电装置。2.3.1 三相电压型 PWM 变换器简介对三相全桥 PWM 整流器的主电路结构如图所示（ 2-2） ，正弦波 PWM 控制，正弦脉宽调制电压，相电压控制，可以使各相电流和同相位的正弦波电压都相同，从而使功率因数为 1。 UabUcIaIcIbLaLcLbV1D1V6V5V4V3V2D6 D2D4D5D3 负载CdABCUd安徽三联学院毕业论文32.3.2 三相电流型 PWM 变换器简介对电流型 PWM 整器主电路如图(2-3)所示。控制直流的方法：正弦波调制UVW 直流输出P输 入 电 容 N直 流 电 感交流输入实现功率因数接近于 1 个条件：我们首先需要做的是当电流过我们的开关时，我们要把电流在各个开关之间进行很好的分配；然后把交流电流波形成为正弦波，这里的正弦波需要与我们的电源电压有相同的相位。2.3.3 电压型、电流型变换器比较1，从电路的结构上看，电流型比电压型简单2， 从 PWM 控制的脉冲频率看，电流型的开关频率比电压型开关频率要高。3，从保护特性上看，电压型变换器在负载短路时过电流保护比电流型过电流保护要难过电压保护比电流型过电压保护要容易。4，电压型 PWM 整流器的操作简单，响应速度快所以综合以上四的比较，电压型变换器应该是本系统主电路最好的选择。2.4 主电路参数的选择选择电压型变换器的结构模型如下：图 2-3 电流型 PWM 整流器主电路安徽三联学院毕业论文4eLCVdcRsRsRsRsRsRsa bc0eabecidciLLLR1R11iaicib RLVa VbVa VcVb2.4.1 计算并选择变压器参数从图（2-4 ）可以分析，直流侧电压的 AC 线电