贾鹏开题报告车用蓄电池智能充电系统研究与开发.doc

硕士研究生学位论文开题报告题目：车用蓄电池智能充电系统研究与开发学 院：汽车工程学院专 业：车辆工程学 号：M060113131姓 名：贾鹏导 师：罗素云日 期：2014年11月26日研 究 生 处 制9摘 要传统的蓄电池充电器结构简单、充电方法单一，无法根据蓄电池的荷电状态调整充电方法，达到蓄电池容量的完全恢复，没有对蓄电池充电过程的监测、保护及修复等功能。近年来，随着数字信号处理技术的日益完善，微控制器的性价比不断提高，数字控制的蓄电池充电系统可以实现各种复杂的充电控制方法，而且能够对蓄电池的充电过程进行监控和显示，提高了系统的灵活性，在高效充电的同时延长了蓄电池的使用寿命。本选题设计了一种车用蓄电池智能充电系统。主要研究内容有：（1）直流电源模块电路设计；（2）蓄电池检测电路设计；（3）充电器保护电路设计；（4）控制电路、操作及显示界面设计；（5）蓄电池充电控制策略设计；（6）蓄电池充电过程的C语言编程实现。关键词：蓄电池；控制策略；充电控制正 文1. 选题的来源、背景和意义1.1选题来源选题来源于企业1.2选题背景和意义蓄电池在实际应用中遇到的最大问题是其使用寿命远远达不到设计寿命。设计寿命在10-15年的蓄电池，在实际使用时大都在3-5年便损坏，有些甚至不到一年便失效了，这不但影响了电力系统的可靠性，而且还造成了重大的经济损失。蓄电池的使用寿命由多方面的因素决定，包括蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电控制等。通过对过早失效的蓄电池进行统计及分析发现，大部分都是由于充放电控制不合理而造成的。因此，要提高蓄电池的寿命，最重要的是使用合理的充放电方法对蓄电池进行充放电。如何高效、快速、安全地对蓄电池进行充放电控制，一直是人们关心的问题。虽然蓄电池问世至今已有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，目前很多的充电器仍然采用传统的充电方式，在使用这些传统充电方法的充电过程中，铅酸蓄电池大多存在着的过量充电和析气等现象。在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，给使用者造成了一定的经济损失。对于蓄电池使用者来说，蓄电池的管理维护固然重要，但高效、无伤害的充电装置更是对提高蓄电池的使用效率、延长其使用寿命起着非常关键的作用。因此，既能提高能量利用效率，加快充电速度，又不影响铅酸蓄电池使用寿命的新型高效、快速、无损的充电技术成为现代电力电子技术备受关注的研究方向。随着蓄电池在新能源开发中的广泛应用，对蓄电池的充电方法和充电装置都提出了新的要求，研究并设计一种快速、高效、安全的蓄电池充电系统成为一项很重要的任务。对蓄电池充电的改进可以从两个方面考虑，一是蓄电池的充电方法，二是蓄电池的充电装置。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，蓄电池的充电控制方法和充电装置的研究也越来越广泛，这两个方面的研究设计对光伏发电、电动汽车等新兴绿色环保产业的发展具有非常重要的意义。近年来，随着微控制技术的不断发展，由单片机控制的蓄电池充放电系统，能够满足各方面的要求。比如，可以实现各种复杂的充放电方法，有检测和保护模块对充电过程进行实时监测。减小了装置体积，在提高充电速率的同时还能延长蓄电池的实际使用寿命。2. 文献综述2.1国内外蓄电池充电方法的研究现状从蓄电池充放电的研究历程来看，其技术的发展经过了一个漫长的过程。早在1887年，Peukert就已从两种速率的放电状态中预测到各种速率放电时的放电容量，但他对充电领域的研究分析较少。1935年，Woodbrode发现了充电对温度的敏感性，并注意到电池充电时所要求的指数特性。1967年美国科学家马斯研究了充电过程中析气的问题，找出了析气的原因和规律。他以最低析气率为前提，提出了以最低析气率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线，如图1所示。图1 蓄电池最佳充电电流曲线在充电过程中任何时间t的蓄电池可接受电流值可表示为：式中，为 t = 0时最大初始电流值，为任意时刻蓄电池可接受电流值，为衰减常数表示蓄电池充电电流接受比。 如果充电电流按该条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对蓄电池的容量和寿命也没有影响。大于该指数函数曲线规定的任何充电电流，均不能提高充电效率，而只会增加析气量；反之，小于该指数函数曲线规定的任何充电电流只会增加充电时间。马斯提出的最佳充电电流曲线是各种充电方法的理论基础。按照该理论，充电过程中，若充电电流按马斯曲线的规律变化，既可以缩短充电时间又能保证蓄电池较低的析气率。然而事实上蓄电池充电过程中的充电电流不可能完全按照最佳充电电流曲线的规律变化，因此当前的各种充电方法都是让蓄电池的充电电流尽可能地模拟或者接近最佳充电电流曲线。随着人们对蓄电池充电问题的日益重视，蓄电池充电方法的研究得到了较大的发展，目前已经出现了许多种蓄电池的充电方法：（1）恒流充电方法恒流充电就是以恒定不变的电流对蓄电池进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整，使充电电流恒定不变。这种方法特别适合于由多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电。当蓄电池组中有个别电池电压低时，能使落后蓄电池的容量便于得到恢复，特别适用于小电流长时间的充电模式。恒流充电时充电电流和蓄电池端电压的变化曲线如图2所示。图2 恒流充电曲线这种充电方式的不足之处是：蓄电池的充电电流恒定，在蓄电池充电初期充电电流可能偏小，充电后期充电电流又偏大，蓄电池端电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，蓄电池析气较多。（2）恒压充电方法恒压充电就是以恒定不变的电压对蓄电池进行充电。在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减少。在充电末期只有很小的充电电流，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，恒压充电方法的充电电流自动减小，所以充电过程中蓄电池析气量小，充电时间短，能耗低，蓄电池恒压充电时充电电流和端电压的变化曲线如图3所示。图3 恒压充电曲线这种充电方法不足之处在于：充电初始电流过大，对处于过放电的蓄电池进行充电时，会引起初期充电电流过大，易造成被充蓄电池过流甚至充电设备的损坏等情况。充电过程中，由于不能调整充电电流的大小，因此不适用于蓄电池的初始充电；恒压充电的关键之处在于选择合适充电电压。若充电电压过高，会引起充电初期充电电流过大，严重时会引起极板弯曲、活性物质大量脱落以及蓄电池温升过高等危害；充电电压过低则会使蓄电池充电不足，导致容量降低、寿命缩短。（3）浮充充电方法在浮充方式中,电池以很小的电流（C/30C/20）进行充电,以使电池保持在满充状态。浮充方式广泛应用与电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。（4）阶段式充电法阶段式充电是指恒流和恒压分阶段进行，一般分为二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段、三阶段充电都是为克服恒流和恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。二阶段、三阶段充电曲线如图 4所示。图4 二阶段和三阶段充电曲线二阶段充电法采用恒流和恒压相结合的充电方法。首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。三阶段充电法比二阶段充电方法多了第三阶段的恒压浮充阶段。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。第三阶段以一较低的恒定电压对蓄电池充电。这种充电方法结合了恒压充电和恒流充电的优点，既避免了恒压充电在起始阶段给蓄电池造成的瞬间大电流冲击，又避免了大电流恒流充电可能带来的过充电现象，而且第三级小电流充电可以保证在不损坏蓄电池的基础上能够最大程度地使蓄电池充满电。这种方法比较有效地模拟了铅酸蓄电池的最佳充电曲线，起到了良好的充电效果。（5）快速充电法前面介绍的几种蓄电池充电方法都是比较常规的充电方法，这些充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，充电时间较长，给实际使用带来许多的不便。为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到充满状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少，提高蓄电池的充电效率，国内外一直都在不断地研究和开发快速充电方法和技术，快速充电技术近年来得到了迅速发展。主要有以下两种：1）脉冲式充电法脉冲充电方式首先用脉冲电流对蓄电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，对蓄电池进行充电。脉冲充电的电流曲线如图5所示。充电脉冲对蓄电池进行充电，而间歇停充期间使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池能够吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有充分的反应时间，减少了蓄电池的析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。图5 脉冲充电曲线2）Reflex快速充电法这种技术是美国的一项专利技术，它主要的充电对象是镍镉电池。铅酸蓄电池的充电方法以及充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴，互作参考。Reflex快速充电法实际是对脉冲式充电法的改进。它在脉冲式充电法的基础上加入了反向放电，大大减弱了蓄电池充电时的极化现象，增大了蓄电池可接受充电电流。因此能够减少蓄电池的快速充电的时间。图6所示为Reflex快速充电的电流曲线，在脉冲充电的之后加入了一定时间的反向放电过程，然后再停充一段时间，这种方法可以增大蓄电池的充电电流，缩短蓄电池的充电时间。图6 Reflex快速充电曲线3. 研究内容和创新点3.1研究内容本选题在总结国内外蓄电池充电方法的基础上，运用电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术设计一套蓄电池充电系统。主要研究内容有：（1）直流电源模块电路设计（2）蓄电池检测电路设计（3）充电器保护电路设计（4）控制电路、操作及显示界面设计（5）蓄电池充电控制策略设计（6）蓄电池充电过程的C语言编程实现3.2创新点（1）采用多阶段充电控制策略，与传统蓄电池充电器结构简单，充电方法单一的情况相比，能够有效减小充电过程对蓄电池的损坏。（2）根据蓄电池的荷电状态调整充电方式，实现高效充电的同时延长蓄电池的使用寿命。（3）对蓄电池的充电过程进行监测、显示及保护，提高充电过程的可靠性和安全性。4. 研究方法和设计方案4.1研究方法运用电力电子技术、微电子技术、计算机技术及自动控制技术等学科知识，理论联系实践完成蓄电池智能充电系统的输入电路、检测电路、保护电路、控制电路及显示电路的设计。4.2设计方案根据充电系统的功能和技术要求，对蓄电池充电系统的总体方案进行设计，系统总体结构如图 7所示。在系统的总体设计中，将系统分为若干个部分，主要由检测电路、直流电源模块、充电控制电路、保护电路、显示电路和单片机等部分组成。对各个部分分别进行硬件设计与实现，单独调试后再进行系统的整体组装调试。图7 蓄电池充电系统总体结构框图5. 研究重点、难点及解决方案5.1研究重点、难点（1）直流电源模块电路设计直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。它作为能源，可保证电子设备的正常运行，蓄电池放电之后，只能接直流电对其进行充电才能恢复其工作能力。（2）系统检测电路设计系统检测电路主要由电压检测电路、电流检测电路组成。可靠的检测电压和检测电流是控制电路有效工作的基础和依据。（3）蓄电池充电控制策略设计及充电过程的编程实现本文采用多阶段充电控制策略，这些控制策略依赖于C语言软件编程实现，是整个充电控制系统的核心部分。5.2解决方案（1）系统了解直流稳压电源结构，在理解整流桥式电路工作原理、滤波电路工作原理和稳压电路工作原理等必要知识的基础上根据蓄电池充电系统的实际需求设计直流电源模块电路。（2）分析充电电压、充电电流以及温度等参数的特点和检测精度，通过选择合适的传感器和设计可靠的检测电路完成对系统必要参数的检测。（3）根据多阶段充电控制策略的具体要求选择合适的算法，通过C语言软件编程实现。6. 完成学位论文的计划安排（1）2014.11-2014.12撰写开题报告，进行开题答辩。（2）2015.1-2015.4根据充电系统的功能要求和技术指标，对蓄电池充电系统的总体方案进行了设计。（3）2015.4-2015.9根据蓄电池的基本工作原理和特性，确定蓄电池充电系统所采用的充电控制策略，完成了蓄电池充电系统的硬件设计与实现。（4）2015.5-2015.10完成了蓄电池充电系统的软件设计与实现，进行蓄电池充电系统的整体组装和调试。（5）2015.9-2015.12 毕业论文撰写。7. 经费落实情况经费来自企业8. 预期学术成果及应用价值（1）完成硕士研究生学位论文。（2）完成蓄电池智能充电系统，为蓄电池充电的相关研究提供一个可靠的开发流程和设计方案。9. 参考文献1杨帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦.北京:电子工业出版社,2001.2侯聪玲,吴捷,李金鹏.蓄电池充电方法的研究.电源技术,2004,12(4):64-66.3桂长清,郭丽.实用蓄电池手册.北京:机械工业出版社,2010.4欧玉珍,王天培.铅酸蓄电池充电器电路设计研究.产业与科技论坛,2011,11(1):18-22.5陈红雨,吴玲,任超.从欧洲蓄电池会议看国外蓄电池的研究动态.蓄电池,2000,23(4):35-37.6吴瑶.电动汽车智能充电系统的研究.南华大学学报,2011,11(1):58-61.7段万普,郑琰,孙婷.蓄电池的使用与维护.北京:电子工业出版社,2011.8周志敏,周纪海,纪爱华.阀控式密封铅酸蓄电池实用技术.北京:中国电力出版社,2004.9Alvarez,J.,Marcos,J.,Lago,A.,et al.A fully digital smart and fast lead-acid battery charge systemC.IEEE 34th Annual Power Electronics Specialist Conference,2003:913917.10R.F.Nelson,E.D.Sexton,J.B.Olson,et al.Search for an optimized cyclic charging algorithm for valve-regulated leadacid batteriesJ. 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