毕业论文-基于80196kb单片机的铅酸蓄电池智能充电系统的设计

铅酸蓄电池智能充电系统的设计摘要本文所设计的铅酸蓄电池智能充电系统，内容主要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。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。关键词铅酸蓄电池智能充电80C196KB单片机DESIGNFORINTELLIGENTCHARGINGSYSTEMOFLEADACIDBATTERIESABSTRACTINTHISPAPERTHEDESIGNOFLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGINGSYSTEM,CONTENTMAINLYINCLUDESTOBATTERYCHARGINGMETHODOFRESEARCHANDCHARGINGSYSTEMDESIGNINTHEBATTERYPRINCIPLEANDCHARGINGMETHODSONTHEBASISOFSTUDY,THEPAPERPROPOSESTHECONSTANTPRESSUREANDPULSECURRENTLIMITINGCHARGINGCHARGINGCOMBINATIONOFCHARGINGMETHODSTHISKINDOFCHARGINGMETHODSCANALWAYSTORECHARGECURRENTINOVERALLAPPROXIMATIONBATTERYACCEPTABLECHARGINGELECTRICCURRENTCURVE,ANDTHROUGHOUTTHECHARGINGPERIODTIMELYADOPTEDREMOVEBATTERYPOLARIZATIONMEASURESTHEORETICALANDEXPERIMENTALDATASHOWSTHATTHISMODELCANGREATLYSHORTENCHARGINGCHARGINGTIMEANDIMPROVECHARGINGEFFICIENCYEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATBASEDONTHEINTELLIGENTCHARGING80196KBSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEM,ITSHIGHEFFICIENCY,REGULATINGTIMEQUICKGOODCHARGINGCHARACTERISTICSCANGETFULLY,MAKEBATTERYHASHIGHERUSECAPACITYANDLONGCYCLELIFE,CANMEETTHEELECTRICLOCOMOTIVEMOTIVEBATTERYCHARGINGREQUEST,HASAGOODAPPLICATIONPROSPECTFORIMPROVINGBATTERYPERFORMANCEANDRELIABILITYPROVIDESANEWANDEFFECTIVEWAYKEYWORDSLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGING80C196KBSINGLECHIP目录前言11总体设计方案111系统的设计要求112智能充电方法的选择213系统的结构原理框图214充放电方法的控制与实现32课题的研究现状321充电技术的发展状况322充电电源的发展状况423传统的充电方式43铅酸蓄电池智能充电的基本原理631蓄电池的基本概念和工作原理6311电池的种类和特性6312铅酸蓄电池的基本概念7313铅酸蓄电池的工作原理1032铅酸蓄电池的充电特性1133JA马斯JAMAS三定律1234极化电压1435智能充电的基本原理和控制方法15351智能充电的基本原理15352智能充电的几种控制方法154系统的硬件设计1741开关电源原理1742充电系统的主电路原理与设计18421全桥变换电路的设计18422能量回馈电路的设计20423主回路中建波与抗干扰电路的设计21424移相控制电路的设计2243充电回路控制系统的设计2843180CL96KB单片机最小系统的设计28432模拟量检测电路30433键盘电路30434显示电路30435执行电路3144系统保护措施的设计31441过流保护31442软启动保护325系统的软件设计3251充电系统的主程序设计3252实时时钟中断服务程序设计3453去极化子程序设计356结论36参考文献37铅酸蓄电池智能充电系统的设计前言目前，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1。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2。如今，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总体设计方案11系统的设计要求A系统的基本功能A可以在系统的控制下快速地完成充电过程B充电过程中，实时监测并且随时显示电池的充电状态C充电系统按照设定的充电方法给电池充电，并能根据电池电压和充电电流自动转换充电状态，在蓄电池充满电后，自动转入浮充状态。B系统的理想技术指标根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源提出下面的理想技术指标A充电电源输出直流电压可在0V180V范围内调整工农业生产使用的电机车所用的蓄电池组一般由48节铅酸蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和电压均假设为3V，则48节电池的极限端电压为144V。因此充电电源开路电压必须在144V以上。根据实际情况，要求充电系统输出的充电电压在0V180V范围内调整。B充电电源输出直流电流可在060A范围内调整充电系统工作时，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。例如对一个5AH的电池组，当采用1倍速率充电时，充电电流应为5A当采用2倍速率充电时，充电电流应为10A。根据实际情况，要求充电系统输出的充电电流在060A范围内调整。12智能充电方法的选择充电方法的选择是十分重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大，导致充电效果的差距也会很大。系统所要求的充电方法，一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，使充电速度得到最大的提高另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力，使负极能够跟得上正极氧气产生的速度，以避免电池的极化现象。根据上面的标准和实际的对象，在分析了传统的充电方法和几种快速充电方法的基础上，本充电系统采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法，将充电过程分成几个子充电过程，充电电流总体上呈逐级递减的趋势并保持恒定电压，而每个子充电过程按“正脉冲充电一停充一负脉冲放电一停充一再正脉冲充电”这种循环过程进行，直至电池的容量达到额定容量的80以上。之后转入浮充状态，使电池电量完全恢复，即达到额定容量。13系统的结构原理框图本充电系统的结构原理框图如图131所示，它包括提供充电的电源和作为管理中心的控制系统。在系统设计中，充电电源采用开关电源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”这种电路的装置称为开关电源。从输入输出关系来看，开关电源是一种“交流一直流”的变流装置，然而由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同样功率条件下其体积和重量远远小于传统的相控电源。除此之外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。系统的主回路由充电电路、放电电路及控制电路组成，其中充电电路采用整流桥式电路。铅酸蓄电池组充电电源充电控制系统CPUI/O设备图131系统的结构原理框图控制电路部分实际上是一个实时监测和控制系统，包括对电池温度、蓄电池端电压、充电电流等参数的监测，对收集信息的分析和计算处理，对充电机工作参数的设置和显示等。其控制过程主要是通过采集蓄电池的相关参数，送入80C196KB单片机进行预定的分析和计算，得出相应的控制数据，从而控制输出电压、电流，完成对蓄电池的智能充电。其中控制电路的核心采用80C196KB单片机芯片，具有高度的集成度。14充放电方法的控制与实现在充电方法的实现上，我们设计了以80C196KB单片机控制为主的控制方法，将采集到的电池温度、电池端电压、充电电流等状态信息，送入CPU后要进行必要的处理和判断，以此来改变充电方式，实现智能充电。其优点是结构简单、便于操作、维修方便、成本低。在放电方法的实现上，采用大功率IGBT管进行PWM控制，以控制放电电流大小，保持其高稳定性。2课题的研究现状21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3。22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4。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。23传统的充电方式A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6。B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A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B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C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。C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23121URI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）3铅酸蓄电池智能充电的基本原理31蓄电池的基本概念和工作原理311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7。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8。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。312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。A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。B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IC/205C3121即它的放电速率为05C若采用05小时对它放电完毕，则它的放电电流为IC/052C3122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。C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。D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（3122）CQIT31223123001CITTDTUTR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。E充电状态STATEOFCHARGE即SOC充电状态的定义如式3124，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。SOCCR/CT1003124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3125SOC1ICU/CD1003125CU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3126。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。CRCDCU3126F放电深度DEPTHOFDISCHARGEDOD放电深度定义如式3127DODQE/C3127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3128DODSOC13128当电池放电深度为100，电池的实际使用寿命大约是200250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500600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。G充电深度（DEPTHOFCHARGEDOC充电深度定义如式3129DOCCQE/C3129它是指电池可能剩余的电量CQE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。H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RRORN31210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。电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约510。接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80时，就可以认为电池的寿命基本结束了。I循环寿命CYCLELIFE循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。根据我们前面所讲的放电深度的概念中可以看出，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。J自放电现象SELFDISCHARGE当电池处于闲置不用非工作状态时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。自放电通常与环境温度有密切关系。当环境温度较高时，电池的自放龟现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和湿度下保存。自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相对镍福蓄电池来讲比较严重，经验表明铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30左右。考虑到这一点，在设计蓄电池智能充电系统时，应在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。K电池的记忆效应首先申明一点，电池的记忆效应并不是所有的蓄电池都具有的现象，它是烧结式蓄电池特有的现象，象我们所说的镍镉电池就具有记忆效应，而铅酸蓄电池就不具有记忆效应。在电池的正常使用过程中电池放电完全，电池极板上的晶体尺寸保持较小，如果电池放电不完全，NIOOH未完全转化为NIOH2，NIOOH将凝结在一起，形成较大的晶体结构即枝状物，极板上的晶体尺寸改变当再次充电时这些集结了的晶体结构不再参加反应，使得电池无法充电至电池的额定容量，这时便称电池具有了记忆效应。一有记忆效应的电池表现为即使己充满电，电池也无法释放出额定的容量。记忆效应是一种暂时的现象，一也常被称为电池的可逆故障，只要将电池充满后再做深度放电，如此反复几次，便可以将电池再次激活，恢复其原有的容量。313铅酸蓄电池的工作原理19世纪中期，铅酸蓄电池的问世解决了部分小用电设备的随机用电向题。虽经历了100多年的发展，但其工作原理基本上没有什么变化，它的正常充放电化学方程式为3121122442PBOHSPBOH以上铅酸蓄电池的充放电化学方程式为理想化的原理方程式，似乎只要不受到机械损伤，一只铅酸蓄电池就可以无休止地使用下去，完成充放电过程。铅酸蓄电池在充电时，正极由硫酸铅PBSO4转化为二氧化铅PBO2后将电能转化为化学能储存在正极板中负极由硫酸铅转化为海绵状铅PB后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅PBO2变成硫酸铅PBSO4而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅PB变为硫酸铅PBSO4而将化学能转换成电能向负载供电。铅酸蓄电池在充放电过程中，正极和负极必须同时以同当量、同状态如充电或放电进行电化学反应才能实现上述充电或放电过程，任何情况下都不可能由正极或负极单独完成上述反应。由此可知，如果一只铅酸蓄电池中正极板是好，而负极板损坏了，那就等于这只铅酸蓄电池变成了报废的铅酸蓄电池。同样，如果一只铅酸蓄电池中的负极板是好的而正极板损坏了的话，这只铅酸蓄电池也将变成一只报废的铅酸蓄电池。除此之外，正极板中可以参加能量转换的物质量活性物质的量与负极板中可以参加能量转换的物质量活性物质的量要互相匹配。如果不匹配，一个多而另一个少的话，多出来的部分就是一种浪费，而且每种参加电化学反应的物质与另一种物质相匹配的量都是不同的，科学家们把每一种物质可将一个安培小时的电量转化为化学能储存起来的量叫做该物质的电化当量即电能与化学能转换的相当物质的量。每一种活性物质的电化当量都是由其电化学反应方程式计算出来的。事实上，蓄电池在充电时候会有气体析出，这是因为在进行充放电过程中还会有其他的化学反应发生，如充电时候会产生氢气和氧气两种气体，其化学方程式如下（31212）22HO32铅酸蓄电池的充电特性通常，对铅酸蓄电池进行充电时，都是用曲线来表达电池的端电压、锡电压、电解液的密度以及电解液的温度随时间的变化，把这样的一些曲线，称为电池的特性曲线，来表示电池的各种特性。一般因电池和极板种类的不同而略有差异。在充电过程中，电池端电压的变化，可表示如下（321）UER式中U充电时电池的端电压V正极板的超电势V负极板的超电势VI充电电流AR电池的内阻Q。充电时电池的电压变化曲线如图322所示图322铅酸电池充电时电压变化从图322可以看出，在充电开始时，由于硫酸铅转化成为二氧化铅和铅，相应的有硫酸生成，因而活性物质表面硫酸浓度迅速增大。因此，电池端电压沿着OA而急剧上升。当达到A点后，由于扩散使活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧上升时，端电压也就上升的较缓慢ABC部分。这样，活性物质逐渐从硫酸铅转化成为二氧化铅和铅，活性物质的孔隙也逐渐扩大，孔隙率增加。随着充电的进行，逐渐接近于电化学反应的终点，即充电曲线的C点。当极板上所存硫酸铅不多，通过硫酸铅的溶解，提供电化学氧化和还原所需的离子极度缺乏时，电化学反应的极化增加，这时正极的电极电势变得很正，使得氧气大量析出。负极的电极电势变得很负，达到析出氢的电势，结果充电的电池端电压迅速升高，大量气体析出，进行水的电解过程，表现为充电曲线的CD段电压急剧上升。需要指出，尽管在电解液中具有较高的氢离子浓度，以及H2/H的平衡电势比PB/PBSO4还正，但由于氢在铅上具有很高的超电势，所以在充电过程中主要进行PB2离子的还原，而不是H离子的还原，只有在充电后期方有氢的析出，如有比氢超电势低的杂质存在于极板的表面，其结果是充电终期端电压低下，充电不完全。33JA马斯JAMAS三定律1967年美国人JAMAS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，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流，和可以接受的充电电流曲线。对蓄电池快速充电的理论也进行了探讨，并在实践的基础上提出了蓄电池快速充电的一些基本定律。在充电过程中，用某一速率的电流进行充电，蓄电池只能充到某一极限值，当达到这一极限后，继续充电时，只能导致电解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电速度。图332为蓄电池在充电过程中，只持续产生微量气体的充电特性曲线，在充电中任一时刻T，蓄电池可接受的充电电流3310ATIE式中IO当T0时的最大起始电流I任意时刻T时蓄电池可接受的充电电流A衰减率常数，也称充电接受比。图332充电电流接受特性曲线图332是一条自然接受特性曲线，超过这一接受曲线的任何充电电流，不仅不能提高充电速率，而且会增加析气。小于这一接受特性曲线的充电电流，就是蓄电池具有的储存充电电流，该电流称为蓄电池的充电接受电流。如果遵循接受特性曲线充电，在某一时刻T，已充电的电量C是从0到T时曲线下面的面积，到最后全部充电电量为C也就是先前放掉的容量。JAMAS在实验的基础上，提出了蓄电池快速充电的三定律。第一定律蓄电池在采用任意放电电流后，其充电接受比和放电放掉的容量的平方根成反比。它定量地表明随放电深度不同，充电接受能力的变化。第二定律对于任何放电深度，一个电池的充电接受比A是和放电电流ID的对数成正。它定量地表明随放电率的不同，充电接受比的变化。第三定律一个电池，经几种放电率放电，其接受电流是各放电率下接受电流之和。因此电池在充电前或在充电过程中应适当地给予放电。这就等于改变放电的深度，即不管被充电电池最初的放电深度如何，可以给它加上新的符合需要的放电深度，以使接受电流接近于充电电流，从而进一步打破了指数曲线的自然接受特性。34极化电压当充电电流超过蓄电池接受电流值时，就会大量地产生气体。这是由于极化现象严重引起的。极化是一切电化学反应所具有的共同现象。极化电压降由三部分组成，即欧姆极化纯电阻电压降、浓差极化和电化学极化。A欧姆极化指的是电池内部各个导电部分，包括极板、隔板、电解液和外部连接部分如极柱、连结条的电阻等所产生的电压降，此压降值遵循欧姆定律，当充电电流停止后可立即消失。B浓差极化由极板表面附近决定电极电势数值的那种离子浓度的变化所引起。当未接通电路时，电池中电解液的浓度在各处的分布是均匀的。充电开始后，由于发生了电化学反应在正极附近消耗了水，并有硫酸产生，负极附近也有硫酸产生。两极极板附近硫酸浓度的升高，造成与其它地方的电解液浓度的差异。而电极的平衡电势是根据H离子和HSO4离子浓度确定的。C电化学极化溶液中的铅离子需要得到或失去电子进行还原或氧化反应。电子传导的速度接近于光速，它比离子失去或得到电子进行氧化还原的电化学反应速度快得多，因此在阴极上将有过剩电子的积累指与通电流前相比，而在阳极上将有电子的减少。阴极上电子的过剩促使铅离子以更快的速度获得电子而还原。同理阳极上电子的减少促使铅离子以更快的速度失去电子而氧化。最终达到动态平衡，即电子传导的速度与电化学反应速度相等，这时电极表面上电荷的数目不再继续改变，但与未通电流之前相比，阴极上积累了电子，阳极上减少了电子，于是引起电极电势和平衡电势的偏离，正极即阳极的电势更正，负极即阴极的电势更负。这种由于电化学反应的迟缓性所引起的电极电势偏离平衡电势，称为电化学极化，偏离的数值称为过电势或超电势。在切断电源后，由于电化学反应的迟缓性而产生的平衡电极电势的偏移就迅速地下降，在微秒级内就显著地降低。由于极化产生的过电势，不仅阻碍充电电流，放慢了电化学反应。而且还产生一系列副作用，诸如产生大量气体，使电解液温度升高，水分损失，从而增加维护量，能量无谓的损耗等等。这些都需要设法防止和消除。也就是实行智能充电要解决的问题。若有适当的方法消除极化，而不影响蓄电池本身的性能，就可以达到智能充电的目的。35智能充电的基本原理和控制方法351智能充电的基本原理智能充电的特性曲线如图3511中的II线所示。它是通过改造蓄电池固有的可接受电流的特性曲线图33中I线，尽可能地延长其初始最大电流的时间来达到缩短总的充电时间的目的。图3511中II线超出蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线斜线部分，按照马斯理论，超出部分的电量将用于产生气体释出，使电解液的温度升高，造成电池极板活性物质脱落损坏等一系列副作用，发生这种现象的原因是伴随着大电流的充入，电池极化现象严重地阻碍电化学反应的进行，最终导致蓄电池的不可逆反应，为了使持续电流能顺利地进行充电，就必须适当地消除电流引起的极化现象。消除极化是智能充电的关键技术所在。图3511智能充电的特性曲线352智能充电的几种控制方法如前所述，智能充电是通过尽可能地延长蓄电池所固有的可接受初始电流的持续时间来实现的。在这段时间里，所要解决的问题是消除极化，而消除极化的主要手段是对蓄电池实施放电，放电量一般为窄而深的放电脉冲。目前国内外各种快速充电装置无一例外地采取这一手段来达到充电快速的目的。但采取的具体策略有按引进放电脉冲的时刻不同分为充电后期引进放电脉冲法和充电全过程引进放电脉冲法按引进放电脉冲的具体方案不同，又分为固定电阻为负载实施放电方式和逆变放电法。A充电后期引进放电脉冲法采用这种方法，是在充电前期以恒定的大电流进行充电，当反馈系统检测出蓄电池的端电压达到一种“极化点”时，实施放电。B充电全过程引进放电脉冲法采用这种方法，是在充电全过程实施放电脉冲去极化。整个充电过程按照“充电一停充一放电一停充一充电”这一既定的程序周而复始。权衡这两种方法，第二种方法更为合理科学。这是因为第一，极化电压是伴随大电流的介入而产生。在大电流充电的初期，极化电压就已严重存在，不及时予以处理，大电流充电在其初期就难于进行。第二，采用第一种方法，反馈系统检侧出的蓄电池的端电压包含有整流叠加电压的成分，该值随充电电流大小而异，以此作为指令来控制充电过程并不能真实地反映出蓄电池电动势的增长状况。第三，经验表明，所谓“极化点”并不是一个固定的量值，不同容量的蓄电池，以及蓄电池的残余容量不同，其极化点也不尽相同。C以固定电阻为负载实施放电法这种方法的具体电路如图35114所示。充电装置中设置一固定电阻R，开关K闭合，蓄电池组E对负载R放电。图3521固定电阻放电法图3522逆变放电法所用电路E逆变放电法逆变放电法所用电路如图3522所示。蓄电池组E通过开关K闭合向交流电网逆变放电。比较上述第C和第D两种方法，后者更为合理、科学，这是因为第3种方法存在如下弊病放电脉冲量的最佳点无法确定。放电脉冲既然作为快速放电的极其重要的手段，理所当然地存在一个量的最佳值。放电脉冲的深度和宽度对消除极化的效果影响甚大，其值太小难以消除极化，而其值太大不但降低充电效率同时又会引起新的极化电压。而电路中的电阻值R一经确定，放电深度即随之确定，很难寻求放电量的最佳值。4系统的硬件设计41开关电源原理充电电源采用开关电源，开关电源一般由功率变换主回路和控制回路两部分组成。主回路有多种不同的拓扑结构控制回路是实现电源各种性能要求的核心，其控制机理有调频、调幅、调宽、谐振等。高频开关电源的原理框图如图411所示9、10。交流电网滤波电路输入整流滤波电路高频变换器输出整流滤波电路控制电路保护电路市电输出直流图411高频开关电源系统结构图从图411中可以看到，高频开关电源主要由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等几部分组成。其基本原理是交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一定的直流电压，再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。42充电系统的主电路原理与设计421全桥变换电路的设计本充电系统采用的是全桥移相控制的零电压PWM变换电路。它是目前应用最广泛的软开关电路之一，其特点是电路很简单，便于操作，但存在一个缺点，即滞后臂开关管在轻载下难以实现零电压开关，这使得它不适合用于负载范围变化较大的场合。电路不能实现零电压开关时，将产生以下几个后果。A由于开关损耗的存在，需要增加散热器的体积B开关管开通时存在很大的DI/DT，将会造成较大的EMLC由于副边二极管的反向恢复，高频变换器副边漏感上的电流瞬变作用将在二极管上产生电压过冲和震荡，所以在实际应用中需在副边二极管上增设RC吸收网络。针对上述问题，常见的解决方法是在变压器原边串接一个饱和电感，扩大变压器的零电压开关范围。但是，采用这一方法后，电路仍不能达到全工作范围的零电压开关。另外，饱和电感在实际应用中不可能具有理想的饱和特性，这将会导致以下几个后果A增加电路环流，从而增大变换器的导通损耗B加重了副边电压占空比的丢失，从而增大了原边电流及副边二极管的电压应力C饱和电感以很高的频率在正、负饱和值之间切换，磁心的损耗会很大，发热严重砰S1。改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路是针对上述缺点所提出的一种电路拓扑。它通过在电路中增加辅助支路，可使开关管在全负载范围内实现零电压开关，它在小功率3KW电路中具有明显的优势。图4211所示是一种改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路。与基本的全桥移相控制的零电压PWM变换电路相比，它在滞后臂上增加一个由电感LRX和电容C。两个元件组成的支路。改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路。图4211改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路该变换电路采用移相控制方式，其主电路的工作原理和基本的零电压PWM变换电路完全一样。全桥变换器中功率开关元件的选用典型的全控型开关器件有电力晶体管GTR、门极可关断晶体管GTO、场效应晶体管MOSFET和绝缘栅极双极型晶体管IGBT等。GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而驱动电路简单。而且它的导通电阻远远小于双极型晶体管BJT的导通电阻，这使得它能代替BJT成为高频开关电源的主流开关器件。也正是由于导通电阻小的MOSFET的出现，高频开关电源得以迅速发展11、12。IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANISTER是MOS结构的双极型器件，属于具有功率M0SFET的高速性能与双极型器件的低电阻特性的功率元件。IGBT的应用范围一般都在耐压为600V以上、电流为10A以上、频率为1KH么以上的区域，多应用在工业用电机、民用小容量电机、变换器、照相机的频闪观测器以及感应加热电饭锅等产品上。IGBT的工作原理和静态特性IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。它是一种场控器件，驱动原理与MOSFET基本相同，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。当U。为正且大于开启电压UGE间时，IGBT导通。由于具有电导调制效应，高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极和发射极间施加反向电压或不加信号时，IGBT关断。IGBT的驱动电路设计IGBT是电压驱动型器件，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取1520V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压一般取515V有利于减小关断时间和关断损耗。而且在栅极串入一只低值电阻数十欧左右可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。此类混合集成驱动器种类繁多，常用的有三菱公司的M579系列如M572L和M57959L和富士公司EXB系列如EXB840/EXB841和EXB850/EXB851。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。本系统采用的EXB841属于大容量高速型驱动器最大40KHZ运行。422能量回馈电路的设计由于本充电系统采用的是恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法，在整个充电时期内，始终适时地采取了通过负脉冲瞬间放电消除极化的措施，因此硬件设计中需要提供蓄电池放电的通路。一般充电系统采用的是当蓄电池达到一定的极化程度后，通过附加的负载进行放电，以消除极化。但是，这样会产生不必要的能量消耗，同时也使充电器的体积变得很庞大。本充电系统采用图4221所示的结构框图，蓄电池的放电通路由开关元件Q和滤波电感L组成，称为能量回馈电路。在正脉冲充电末期，DC/DC变换电路中的开关元件全部断开，存储在滤波电感L，中的能量全部转移到蓄电池组中。在负脉冲放电期间，能量回馈电路开始工作，它将电池的能量送回到滤波电容6中去，从而实现了蓄电池在充电过程中适时的放电，可消除电池的极化现象。与传统的放电回路相比，该能量回馈电路能避免不必要的能量消耗，同时也可使充电系统体积大大减小。图4221能量回馈电路图423主回路中建波与抗干扰电路的设计主回路中建波电路的设计整流滤波电路对降低电源中的噪声干扰起到了重要作用。当采用高频开关电源供电时，其整流与变换的工作电路更为复杂，且开关电源工作在较高频率，外界与本机元器件不可避免的会产生电磁感应相互干扰，而电源的噪声会进一步影响其它设备的正常工作。因此，在高频开关电源中，如何降低和消除噪声干扰是一个非常重要的部分。在开关电源中，主要采用电源输入滤波、工频滤波、电源输出滤波与抗辐射干扰等主要措施来减少噪声的传递与影响13。输入滤波是指接在交流电网与开关电源之间的滤波设备，一般由低通滤波和共模扼流圈等元件组成，其主要作用是抑制开关电源本身对交流电网的反干扰同时也抑制交流电网中的高频干扰串入开关电源。工频滤波器又称平滑滤波器，接在工频整流器与逆变电路之间，能将工频整流器输出的脉动电流变为平滑直流。另外，由于是工频滤波，频率较低，电容量及电感量应取很大，所以还可起到抑制高频干扰的作用。输出滤波电路一般由滤波电感和滤波电容组成，对整流后的脉动电流起平滑作用，使之成为纹波很小的直流电流。本充电系统只设计了输出滤波电路。本充电系统的输出滤波电路如图4231所示，其中图4231输出滤波电路整流电路的设计整流器的作用是将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器三相交流图4232前级整流电路图提供纹波较小的直流电压。并且，当电网瞬间停电时，滤波电容器存储的能量尚能使开关电源直流输出维持一定的时间。对前级整流电路的设计如图4232。对电源输出时的后级整流电路采用一个整流桥即可。424移相控制电路的设计在设计过程中，选用了美国UNLTRODE公司生产的专用移相控制集成芯片UC3879，其特点是A输出导通延长时间编程可控B电压模式控制或电流模式控制C实际开关频率可达300KHZE图腾柱式驱动输出电路，最大驱动电流为100MAF内置10MHZ误差放大器G欠电压锁定功能编程可控H启动电流低，仅为150MAI具有软启动控制功能UC3879的引脚排列如图4241所示图4241UC3879引脚排列引脚功能介绍如下UREF引脚1精密SV基准电压输出端，具有短路电流限幅特性。当UI引脚10上的电压低于欠电压锁定阀值时，控制器被禁止，直到肠才输出的电压达到475V。实际应用当中，该端与GND引脚之间应接旁路电容。该电容的ESR尺和ESL应尽可能低，其大小取01UF比较合适。COMP引脚2误差放大器输出端。当误差放大器的输出电压低于09V时，相移为零。EA引脚3误差放大器反相输入端。该端接电阻分压器，对变换器的输出电压进行检测。另外，该端与COMP引脚2之间接环路补偿元件。CS引脚4电流检测信号输入端。该端为电流故障比较器的同相输入端。电流故障比较器的反相输入端接大小为225V的基准电压。当该端上的电压检测信号超过20V，且误差放大器的输出电压信号超过RAMP引脚19上的电压信号时，移相限流比较器将对相移大小逐周进行限制。当该端上的电压检测信号超过25V时