（电机与电器专业论文）智能型航空蓄电池充电放电分析系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a i r e r a t tb a t t e r yi sa ni m p o r t a n te l e m e n to fa i r e r a t tm o u n t e dd e v i c i ti se r t t e i a lf o ra i r c r a f ts a f e t y t h er , e r f o r m a c eo f t h ea i r c r a f tb a t t e r yc h a r g e rh a sad i r e c te f f e c to nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dl i f e - s p a n o ft h eb a t t e r y , t h e r e f o r e i n t e l l e c t u a lb a t t e r yc h a r g e rh a sb e c o m eo o ft h em o s tp o p u l a rr e a r c ht o p i c s r e c e n t l y w i t l it h en e e do fc i v i la v i a t i o n , g e n e r a lc h a r g i n g d i s c h a r g i n g a n a l y t i c a ls y s t e mf o ra i r c r a t t b a t t e r yi sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n di ti sc o n t r o l l e db yp e r s o n a lc o m p u t e ra n dd s p b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i so ft e c h n i c a lo r d e r so fa i r e r a l ti r a t t e r yc h a r g e r , e l e c t r i ca n d e l e e t r o n i e sm a i ne k e u i tw i t ht h ef u n c t i o no fc h a n g i n ga n dd i s c h a r g i n gi sd e s i g n e d ah i 曲p e r f o r m a n c e c o n t r o ls y s t e m b a s e d o n t m s 3 2 0 f 2 81 2 i sa l s o p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e c i r c u i t8 c h o r t l e , p a r a m e t e r d e s i g na n dc o n t r o lp r i n c i p l ea i n t r o d u c e di nd e t a i l w i t hf i l eh e l po fd e v e l o p i n ge n v i r o n m c 目a to fv i s u a lb a s i c6 0 ，t h ea p p l i c a t i o ns o t t w a r eo fs y s t e mi s d e s i g n e df o rp e r s o n a lc o m p u t e r i th a sf l m c t i o n so fd i s p l a y , a l a m l ，l , r i n t i n g , d a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t , a n d 0 1 1 w i t ht h en e e do fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dd s et h ec o m m u n i c a t i o np l o t o c o li s d e v e l o p e d , a n dt h es e r i a lp o r te o m m t m i e a t i o np r o g r a mo f r s - 2 3 2i sa l s od e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r i o fc i r c u i t r ya n da u t o m a t i cc o n t r o l ，t h em o d l e i so fb u c kc i r c u i t , p w ma n d p i dc o n t r o l l e ra e s t a b l i s h e d b a s e d0 1 1t h e s em o d e l s t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e d ，a n dt h el a m c t e r s o fp i dc o n t r o l l e ri sa d j u s t e d , t h ec o n t r o lp e r f o n n a mi so p t i m i z e da n dt h ec y c l eo fd e b u g g i n gi sa l s o s h o r t e n k e yw o r d s ：a i r c r a f tb a t 蝴j , c h a r g i n g , d i s c h a r g i n g , s i m u l a t i o n ，p i dc o n t r o l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盈巳塑导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 航空蓄电池作为机载电池，用于飞机起动、通讯、照明、导航及随航虑急备用，已有很 长的历史。它是航空器材的重要组成部件，在b 机安全b 行中起着至关重要的作_ = i ，而蓄电 池充电器的充电技术和性能指标将直接影响着蓄电池的安全性、可靠性和使川寿命。因此， 设计一个较为完善的航空蓄电池充放电管理系统，以实现延长蓄电池的寿命、保证蓄电池系 统供电的稳定性等功能，是很有必要的。本章在说明课题研究背景与任务的基础上详细介 绍航空蓄电池的j = 作原理与充电技术，以及充放电系统设计的整体方案。 1 1 课题研究背景、意义以及任务 随着蓄电池制造技术和充电技术的不断发展，航空蓄电池被大量装备于各种类型的飞 机，用于飞机起动、通讯、照明、导航以及随航应急备用。目前，英、法、美、德等国家不 仅用航空蓄电池大量装备中小型直升机、歼击机，而且在波音、空客，麦道等大型运输机上 也使用了航空蓄电池组。随着我国航空工业的发展，近年来引进的3 5 个机种的数百架e 机 以及自行研制的“直八”、“直九”、“直十一”、“飞豹”、“猎豹”等机种均采用航空蓄电池作 为机载电源。 通常，飞机电源系统由主电源、应急电源、二次电源以及地面电源插座等构成。常用的 应急电源有航空蓄电池和冲压空气涡轮发电机。为了减小供电系统的体积和重量，有些飞机 特别是军j j 飞机的麻急电源只配有应急蓄电池。当飞机上主电源故障，b 机供电系统进入应 急t = 作状态时，由应急蓄电池向机上关键e 行负载供电，以确保e 机能够安全返航或着编。 因此，航空蔷电池的性能好坏直接影响e 机的飞行安全，而蓄电池充电器的充电技术和性能 指标将盲接影响蓄电池的安全性、可靠性以及使用寿命。 另方面，蓄电池作为一种储能设备广泛地应用住交通运输、电力、通信、医疗等行业 的殴备中，它已经成为系统的关键部件之一，它的安全可靠运行将直接关系到整个系统舟勺f ： 作。蓄电池充电技术在现代工业自动化、网络化、信息化的时代渐渐显现出其重要性，对蓄 电池充电技术的研究也越来越受到世界各国的关注。例如为了解决能源和环境问题_ l h = 界 各国正在大力发展电动车辆，其中电动自行车已有很多产品投入市场，而作为电动白行车能 源的蓄电池及其充电技术也已经成为重要的研究课题。 就目前我们国内的情况来看，大部分厂家生产的蓄电池充电器都有一个共同的缺点，即 智能化程度比较低而无法满足现代设备对电源的使朋要求，而且充电器使用的充电方法单 一、传统，不仅充电时间长、效率低，还往往影响蓄电池的使_ j 寿命，造成极大的浪费。因 此，设计一个较为完善的蓄电池智能管理系统，以期实现延长蓄电池的寿命，保证蓄电池系 统供电的稳定性等功能，是很有必要的。南京航天航空大学谢少军教授研制了一种通用型航 空蓄电池充电器，该充也器具备充电，放电两种功能，为铅酸蓄电池充电时采用恒压限流方 式，为碱性电池充电时采用先自动恒流放电，后恒流定时充电的方式。西北工业大学张晓斌 教授研制了通用犬容赞航空蓄电池充电器，采用可进行a d 转换的a d u c s l 2 芯片，实时控 制充电电流一i ：作于恒流充电状态和涓流充电状态。 本文根据民用e 机对蓄电池的要求，设计了基于d s p 控制的通用型航空蓄电池充放电 系统，具有对航空蓄电池进行充电、放电、电池容量分析三种功能，铅酸电池充电采用恒压 限流、恒流、两阶段恒流二种方式，镉镍蓄电池充电采用恒流、两阶段恒流两种方式。论文 基于现代电力电子技术与自动控制理论对该系统进行最计，不仅提高了充电系统的充电效率 和性能，延& 蓄电池的使刚寿命，而且大大减小了充电系统的体积，降低了充电系统的重量 东南人学顾i ：学位论文 1 2 航空蓄电池工作原理与充电技术 目前，飞机装备的航空蓄电池主要有钳酸蓄电池和镉镍蓄电池两种类型。铅酸蓄电池和 镉镍蓄电池都属于二次电池。即充放电能反复多次循环使_ j 的一类电池，它们都能够满足如 卜i 条件“： ( 1 ) 电极反应可逆，是一个可逆的电池体系； ( 2 ) 只采用一种电解质溶液，避免因采_ f 不同的电解质而造成电解质之间的不可逆扩散； ( 3 ) 放电生成难溶于电解液的固体产物，可避免充电时过早生成枝晶和两极产物的相互 转移。 1 2 1 航空蓄电池工作原理 电池是将化学能转换为电能的装置j 电子导体可以单独地完成导电任务( 如铜、铝等金 属) ，而离子导体( 如电解质溶液) 却不能。要想让离子导体导电，必须有电子导体与之相 连而形成两类导体相串联的结构，构成金属一溶液一金属的导电系统。在金属与溶液的界面 上发生氧化还原反应，这是电池的基本工作原理下面将着重介绍铅酸蓄电池和镉镍蓄电 池的工作原理。 1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是1 8 5 9 年由酱兰特( p l a n t e ) 发明的二次电池，它具有价格低廉、供电可靠、 电压稳定等特点。如图1 - l 所示铅酸蓄电池的上e 极扳为二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极板为海绵 状金属锚( p b ) ，电解液采用硫酸( h 2 s o d 。 图1 - 1 单体锚酸蓄电池结构示意图 铅酸蓄电池的基本化学反应式如式( i - 1 ) f l j ( 1 2 ) 所示，其中式( 1 - 1 ) 为铅酸蓄电池l e 极板 上的化学反应方程式，式( 1 - 2 ) 为锚酸蓄电池负极板上的化学反应方程式。 p b 0 2 + 3 h + + h s 噶+ 2 e 3 淞 2( 1 ) p b s o , + 2 h o i - p b + h s o ：一2 e 渗攀蓉参p b s 0 4 + h + ( 1 - 2 ) 式( 1 i ) 表明，自左向右的反应是放电；p b 0 2 以极大的速率吸收外电路的电子并以次 低价p b ”形式在电极表面形成l b s o , l 自右向左的反应是充电：在外电源作用下p b ”释放 电子，并与电解液作用生成p b 0 2 。 式0 - 2 ) 表明，自左向右的反应是放电：p b 以极大的速率溶解，在向外电路供出电子的 同时，p b 2 + 还夺取界面电解液中h s 0 4 。使之生成p b s 0 4 ；自右向左的反应是充电；电极表 面的p b ”以极大的速率夺取外来电子使e b s 0 4 恢复成活性物质。 由式( 1 1 ) 和式0 - 2 ) 可以得到铅酸蓄也池完整的化学反应方程式，如式( 1 3 ) 所示： p b + p b 0 2 + 2 h + + 2 h s o ：溯2 p b s o + 2 h 2 0 0 - 3 ) 由式( 1 - 3 ) 可知，铅酸蓄电池在放电之后两电极活性物质都转换为硫酸铅，称为“取硫酸 盐化”理论。硫酸起传导电流作用，并参加电池反应，但参加反应的是h s 0 4 ，不是s 0 4 2 。 因为h 2 s 0 4 的二二级离解常数相差很大 2 第一章绪论 2 镉镍蓄电池 镉镍蓄也池是1 8 9 9 年由瑞典科学家尤格尔( w a u n 9 1 t m r ) 发明的，它具有屯池结构紧凑、 自放电较小、性能稳定可靠、可大电流放电、使_ f 】温度范用宽等优点，其最大的特点是循环 寿命长，可达2 0 0 0 4 0 0 0 次。如图1 2 所示，镉镍蓄电池的止极为氢氧化弧镍( n i o o h ) ， 负极为海绵状金属镉( c d ) ，电解液为氢氧化钾溶液( k o h ) 或者氢氧化钠溶液( n a o h ) 。 图l - 2 单体镉镍蓄电池结构示意图 镉镍蓄电池的基本化学反应式如式( 1 - 4 ) 和0 - 5 ) 所示，其中( 1 川为镉镍蓄电池的正极化 学反应方程式，0 - 5 ) 为负极化学反应方程式 2 n i o o h + 2 h 2 0 + 2 e 杀鸡赫2 n i ( o h ) 2 + 2 0 h 一0 - 4 ) c d + 2 0 h 一蜘c d ( o h ) 2 + 2 e 0 - 5 ) 由式( 1 - 4 ) 和0 - 5 ) 可以得到镉镍蓄电池完整的化学反应方程式，如式( 1 - s ) 所示： c d + 2 n i o o h + 2 h 2 0 鞋斡2 n i ( o h ) 2 + c d ( o h ) 2 ( 1 秭 由化学反应方程式0 - 4 ) 和o - s ) 可知，电池放电时，负极c d 被氧化，生成c d ( o h h , 正 极上n i o o h 接收由负极经外线路流来的电子，被还原为n i ( o h h ，充电时变化正好相反。 由式( 1 劫可知，电解液k o h 或n a o h 并不直接参加反应，只是起导电作朋。电池放电过程 中消耗水，充电过程中生成水。在电池过充电时，电流直接电解水，在正负极板上将分别有 人量氧气和氢气析出。 式( 1 7 ) 为镉镍电池的温度系数，表示电池电动势会随温度的升高而降低。即温度每增加 l o c 。电动势将降低0 5 m v 。 ( ! 兰) = - 0 5 m v 。c 。( 1 7 ) 1 2 2 航空蓄电池充电技术 2 0 世纪6 0 年代中期美国科学家马斯( j a m a s s ) 在大量实验的基础上提出了电池充电 基本定律马斯三定律之后，人们对电池充电模式和停充控制方式进行了大量深入的研 究，提出了多种切实可行的方法对蓄电池而言，通常使用的充电方法有以下5 种： 1 恒压充电 恒压充电是指每只单体电池均以某恒定电压进行充电。如图i - 3 所示，其中u 为充 电电压，i 为流经蓄电池的电流，e 为蓄电池电动势，r 为蓄电池内阻。 图l - 3 恒压充电图1 4 恒压限流充电 东南人学硕上学位论文 由图l - 3 可知，i - ( u e ) ，r o 因此，恒压充电主要特点为：充电初期e 较小电流i 相当大，蓄电池电动势和电解液相对密度上升较快，随着充电的延续e 逐渐上升，充电电 流l 逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，充电时间短，能耗低。 2 恒压限流充电 恒压限流充电主要是用来克服充电时充电电流过大的缺点，通过在充电电源和被充蓄电 池组之间串联一个限流电阻来自动调苗充电电流，如图1 4 所示，其中r 一为限流电阻，充 电电压为( u i - r _ i ) 。当充电电流过大时，其限流电阻上的压降r i 也大，从而减小了充电 电压；当充电电流小时，限流电阻上的压降rm l 也小，充电设备输出的电压损失也小。这 样就自动调节了充电电流，使之不超过某个限度。恒压限流充电方式也可以通过充电系统的 数字控制器限制充电电流的大小来实现。 3 恒流充电 恒流充电是指以某一恒定的电流对蓄电池进行充电。如图1 - 5 所示，其中i 为恒流源， e 为蓄电池电动势，r 为蓄电池内阻，即充电电路以恒定的电流i 对蓄电池进行充电。此方 法特别适用于采用小电流长时间的充电模式，对由多个蓄电池串联而成的蓄电池组进行充 电，而且此充电方式有利于对容量恢复较慢的蓄电池进行充电。 图l - 5 恒流充电 图1 6 两阶段恒流充电 4 n 阶段恒流充电( n 2 ) n 阶段恒流充电方式是指在不同的充电阶段，以不同的恒定电流进行充电，一般充电电 流的大小随着充电的进行而递减。以两阶段恒流充电方式为例，如幽l - 6 所示，在第一阶段 时，开关s 。闭合，s 2 断开，充电系统以i t 对蓄电池进行充电；在第一：阶段时，开关s i 断开， s 2 闭合，充电系统以1 2 对蓄电池进行充电，1 2 -utd(i-d)一602510。*085015 4 7 8 u h ( 2 1 7 ) 2 。m 2 + 2 在这里，滤波电感l i 取7 0 u h 。 2 3 i 6 输出电容的选取 流过电感的最大电流i l 。为：2 2 k w ( 6 0 0 8 ) = 4 5 8 a 。 按输出最大脉动电压不超过i v 来计算，认为理想情况下，k 期间变压器向负载和电容 供电，t 口口期间电容向负载供电，则有： l ( 半) 4 5 8 + t i - 0 一8 5 j c ：i 7 主：了一= = = ：8 ；i 一= 8 5 9 u f ( 2 1 8 ) 以+ 厂 l + 4 0 + l 矿 、 此处，输出电容c i 选用4 7 0 u f 2 5 0 v 的电解电容。 2 3 2 电流可逆双象限变换器参数设计 电流可逆双象限变换器参数的设计应当从充电和放电两种l ：作状况来考虑。 2 3 2 1 放电工况设计 当电流可逆双象限变换器一f ：作在放电状态时，功率管q 4e 作在脉宽调制状态，使得变 换器：i ：作在恒流状态。放电时主要考虑放电电阻r f 功率管0 1 4 及输入电感l 0 的设计。放 电时最人输入功率为2 a v x 5 0 a ，最小输入功率为2 0 v x 2 a ，升压变换器最低输出电压为 2 0 v ( 1 - 0 2 ) = 2 5 v 2 3 2 1 1 放电电阻的选取 放电电阻由最小输入功率、升压变换器的最低输出电压可得： r ，：u 2 0 b ；2 5 * 2 5 ：1 5 6 3( 2 1 9 ) 只d 4 0 、 这里取8 个1 1 0 q 2 0 0 w 电阻并联，故p f = 1 1 0 8 = i 3 7 5 q 2 3 2 12 功率管的选取 由于放电时最高输出电压为： 虬一= 只。r = 4 1 2 0 0 + 1 3 7 5 = 1 2 8 5 矿( 2 - 2 0 ) 又由丁放电时最大电流为5 0 a 。故功率管q 4 选用3 个3 3 a 2 0 0 v 的m o s f e t 并联 2 3 2 1 3 输入电感的选取 放电时最低输出电压为； 虬d 。= 只。- r = 4 4 0 + 1 3 7 5 = 2 3 5 矿( 2 - 2 1 ) 1 7 东南大学硕l 学位论文 此时，功率管最小占空比为： 小差一- - 豢- o s c z 珑， 输入电感按最小放电电流2 a 时电癌电流连续来设计： 。u o t d ( 1 - d ) ：2 3 5 2 5 1 0 4 0 1 5 0 8 5 ：1 8 7 “( 2 2 3 ) 。 2 l _ 2 + 2 。 当然，最终输入电感还应结合充电： 作状态来选取。 2 3 2 2 充电工况设计 当电流可逆双象限变换器工作在充电状态时，功率管q 3 工作在脉宽调制状态，使得变 换器工作在恒压或恒流状态。充电时主要考虑功率管q 3 及输出电感l o 和输出电容c o 的设 计 2 3 2 2 1 功率管的选取 由前面的分析可知，功率管q 3 承受的电压最大为5 0 v ，考虑1 2 的安全裕量，则功率 管承压5 0 xi 2 = 6 0 v ，又由于最大充电电流为5 0 a ，故选取q 3 为3 个3 3 a 2 0 0 v 的m o s f e t 并联。 2 3 2 2 2 输出电感的选取 假设最低充电电压按2 0 v 来计算，则此时最小占空比为2 0 1 6 0 = 0 3 3 。按最小充电电流 2 a 时电感电流连续来计算【1 5 1 ： l o 掣：可2 0 2 5 1 0 - s * 0 6 7 ：8 3 8 订( 2 - 2 4 ) 2 l m 2 + 2 综合放电工况，电路中的l o 取1 2 1 u h 5 0 a 。 2 3 2 2 3 输出电容的选取 输出滤波电容一般按照输出电压的纹波要求来计算，参考文献1 4 5 1 给出了输出电压纹波 与输出电容的关系 4 5 1 ： c = v , r 2 d ( i - d ) 8 观 取a u = i v ，则电容c 为： c ：6 0 ( 2 5 1 0 = _ 6 ) 2 * 0 3 - 3 * 一0 6 7 ；8 6 l 旷 8 + l + 1 2 l l o 呻 这里输出滤波电容c 取4 7 0 u f 5 0 v 的高频电解电容。 1 8 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 第二章蓄电池充放i 乜系统的碗件设计 2 4 控制电路的设计 航空蓄电池充放电系统控制电路设计的目标是使系统在各种工作状况下均能稳定的运 行，并且达到应有的动态性能。控制电路主要由充放电电压电流的控制和保护西部分组成， 实现了p w m 驱动、a d 采样、过压过流保护、电池保护、电池巡检等功能。由于电压电流 的闭环控制器均采用数字控制方式，主要通过软件算法来实现，因此本节将重点介绍过流保 护电路、绝对值电路、电池保护和巡检电路。 2 4 1 过流保护电路 系统运行时电压电流的保护包括过压、欠压和过流三个部分，由于对过压和欠压的保护 采用了软件保护的方式，即通过采样得到的电压数据来判断系统的运行状况，若出现过压和 欠压的情况，控制系统通过软件立即禁止所有驱动，实现保护功能，因此这里只介绍过流保 护电路。过流保护电路由电流的检测和调理电路、电流保护电路组成，如图2 1 5 所示。 a ) 电流信号检测与调理电路 ? n 1 c l 薯l p 即m l ”电流保护电路 曲驱动屏蔽电路 图2 1 5 过流保护电路 图2 1 5a ) 为电流信号检测与调理电路，从电流传感器输出的信号c t i 首先经过了由 r l 、c l 组成的低通滤波电路，滤除高频干扰信号，然后通过u l 构成的电压跟随器，实现 了电路前后两级的隔离。由于2 8 1 2 的i o 口输入电平必须低于3 3 v ，因此在芯片引脚的输 入前端加了一个稳压管z l ，使a d 口输入的电压幅值不超过3 3 v 从图2 1 可知，功率主 电路上设置了2 个电流检测点c t i 、c t 2 和3 个电压检测点v t l 、v t 2 、y r 3 ，而图2 1 5 的a ) 是c t i 信号的检测与调理电路，其余信号的检测与调理电路与图2 1 5a ) 相同。 图2 一1 5b ) 为电流保护电路。比较器u 3 的止极端通过调节电位计可以设定一个保护电 平。住止常情况下，比较器u 3 的负极端的电压低，丁止极端的电压，此时比较器输出高电平， 1 9 东南大学硕 l ：学位论文 二极管d l 导通，c t i 1 为高电平，信号通过反相器之后转变为低电平，因此在正常情况下 芯片引脚m d r 的输入为低电平。当电路过流时，比较器u 3 的负极端的电压就会高于正极 端的电压，此时比较器输出低电平，二极管d i 反向截止，c t i 1 为低电平，信号通过反相 器之后转变为高电平，因此在过流情况下引脚m d r 的输入为高电平。系统通过检测引脚 m d r 的电平来判断电流的状态，若m d r 为高电平，则软件关f | 1 所有驱动，实现对电路的 保护。 当电路过流时。除了通过软件关闭驱动以外，还设计了硬件屏蔽驱动的电路，如图2 - 1 5 c ) 所示。c t 2 1 的电平变化情况和c t ! 1 相同，由前面分析可知，c t i i 在正常情况下为高电 平，过流时为低电平，因此c t 2 1 也是在正常情况下为高电平，过流时为低电平。正常情况 下，c t l 1 和c r 2 1 均为高电平，与门u 5 输出为高，u 6 的输出g i 与p w m x 相同。而只 要c t l 1 和c r 2 1 中有一个为低电平，与f - ju 5 就输出为低，从而u 6 输出o i 也为低电平。 屏蔽了p w m 信号，从硬件角度实现了对电路的保护 2 4 2 绝对值电路 图2 1 中的电流可逆双象限变换器可以使系统工作于充电和放电两种t 作方式，由于充 电电流和放电电流的方向是相反的，因此从c t 2 检测点采样后得到的反映电流大小的电压 信号需要加绝对值，这样才能够保证充电和放电时系统电流反馈环均为负反馈。绝对值电路 如图2 1 6 所示 r l z 图2 1 6 绝对值电路 当输入u i 0 时，运放u 7 的输出小于0 ，u 8 的输出大于0 ，二极管d 2 两端加上了反向 电压被关断，二极管d 3 正向导通，u 8 作为一个电压跟随器，因此u o _ u i 。当输入u f ( o 时， 运放u 7 的输出大于0 ，u 8 的输出小于0 ，此时d 2 导通，d 3 关断，u 7 作为反向电路，由 于r i i = r 1 2 ，因此u o = - u i ，故u o - - f u i i 图2 1 6 所示的绝对值电路经p s p i c e 仿真后的波形 如图2 1 7 所示。输入波形是幅值为3 v ，频率为5 0 h z 的正弦波，经过绝对值电路的作用， 输出时原来负极性的波形均变成了正极性。 崩荆毒搿： ：潞! ： ：i ： 蒜老择刹蒜嚣：崩紊蹲替蒜刀 + ：再 雕瓣隧 ：簿：瞎陡喜辫辜葺薛氍喜鞠誊舞# 基薯多 ! ! 。r 崩划豢慕；赫跨拣舔j 辫辕i 糟蒜圭；簖拳 嘲丰臻专臻誊蒜崮誊粒瓣箍耋誊舞捧孽 图2 1 7 绝对值电路的仿真波形 第二章蓄电池充放电系统的硬件设计 2 4 3 电池保护电路 系统任务 5 中规定，电池短路或反极性的时候需要有保护报警功能，因此控制电路中设 计了电池保护电路。当输出端电池朱接、反接线输出端短路时，电池保护动作，充放电系统 不能投入运行，同时系统报警。电池保护电路如图2 1 8 所示。 v t l l 图2 1 8 电池保护电路 如图2 1 8 所示，电池电压经r 1 5 、r 1 6 采样后与设定电压进行比较。当电池未接、反 接或输出短路时，r 1 6 上端采样电压必定小于或等于0 。故可调节r 1 4 ，设定比较电压为3 v 。 正常情况下，比较器u 9 正极端的电压低于负极端的电压。比较器输出低电平，b p 无信号。 当出现故障时，比较器正极端的电压就会高于负极端的电压，比较器输出高电平，b p 出高， 系统立即要求保护。二极管1 3 4 的作用是i l j 来限制与非门u 1 0 的l 脚处的电压，使其不低于 0 v 。 2 4 a 电池巡检电路 v c c la t i v “ s嚣 ，l ， 6 一吲吲r r l lffff l 工工工三f 。上 墨j ii 巨a t 嚣= j i i 巨i - - - - a 2 - - - 4 0 4 - - - i 21-4i - - i l ll y , - - - 4 i t t 鬻| ii p * 一l ， l lh m 一” n”叫“卜 ” m “ n 卜o 螂 抽h + 辩 。一1 坚曼r 一 *n -叫”“p i静-甜i，wl“vwm 璜 i 知 图2 1 9 电池巡检电路 2 i 东南人学颂十学位论文 航空蓄电池通常都是若干个电池单元串联在一起进行供电的。在充电或放电时，如果某 一电池单元的电压低丁或高于各单元平均电压0 i v ，则说明电池充放电不平衡，系统保护 动作并报警，这就需要系统在进行充放电的过程中定期地检测每个电池单元的电压，即有必 要进行电池巡检。电池巡检电路如图2 1 9 所示。 由于航空蓄电池的电池单元数比较多，因此不可能为每一节蓄电池单独设一个检测单元 以达到隔离的目的，本系统所设计的电路采用了电子继电器a q w 2 1 4 作为多路转换器，它 的工作原理与光耦器件类似。电池巡检电路给每一个电池单元配备一个继电器，当需要检测 某一个电池单元时，只需要打开相应的继电器。电路使用译码器来控制继电器，保证在任何 时候都只有一个继电器导通，所有继电器的输入端并联在一起，经分压电阻分压，再送入 a d 转换器。 图2 - 1 9 中的7 4 h c1 5 4 是4 线一1 6 线译码器，用来选择并控制继电器的通断。u 1 2 、u 1 3 的输入片选信号来自于d s p 芯片的八个引脚，通过程序的设计，可以使u 1 2 、u 1 3 按照如 下的顺序有规律地选择各自的输出引脚：a i b i ，b i a 2 ，a 2 8 2 ，b 2 a 3 ，a 1 i b i l ，b i i a l 2 。 当u 1 2 选择输出引脚a i 。u 1 3 选择输出引脚b l 时，1 号电池被选通，此时检测到的l 号 电池的端电压为u i = i n + 斟- = u ( 0 1 ) u ( 0 2 ) o ，图中的o l 、0 2 是夹在各个电池两端的接头。 当u 1 2 选择输出引脚a 2 ，u 1 3 选择输出引脚b i 时。2 号电池被选通，此时检测到的2 号 电池端电压u 2 = i n + i n = u ( 0 3 ) u ( 0 2 ) 0 。其他情况则依次类推。可见检测到的电池端电压 交替出现正负，因此如图2 1 9 所示，采集到的端电压u 。( p l 23 ，2 2 ) 需经过绝对值电 路作用之后再送入a d 转换引脚a d c 聃a 5 。由于电阻的分压作用，绝对值电路的输出电压 u o 如式( 2 - 2 7 ) 所示。 u d = 雨芝襄瓦i u i ( 川，2 ，3 2 2 ) ) 2 5 本章小结 在设计航空蓄电池充放电系统硬件时，将充电和放电结合起来，由一套功率主电路和控 制电路组成，既实现了充电和放电的功能，又简化了系统的结构。 功率主电路采用了开关电源方案，通过控制继电器与开关管的导通与关断。可以使系统 工作于充电和放电两种工作方式。主电路包括了电源变换器和电流可逆双象限变换器两部 分，电源变换器主要由半桥逆变电路组成，电流可逆双象限变换器主要由b u c k 降压电路和 b o o s t 升压电路组成。本章详细介绍了半桥逆变电路、b u c k 降压电路和b o o s t 升压电路的工 作原理和参数选择的方法，并对这些电路进行了p s p i c e 的仿真。 控制电路主要由电压、电流的控制和保护两部分组成，实现了p w m 驱动、a d 采样、 过压过流保护、电池保护、电池巡检等功能。控制电路以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心， 通过算法来实现的数字控制器实现了对充放电电乐与电流的控制。本章详细介绍了控制电路 中过流保护电路、绝对值电路、电池保护电路和电池巡检电路的设计思路与工作原理 第三章蓄电池充放电系统的软件设计 第三章蓄电池充放电系统的软件设计 3 1 刖舌 航空蓄电池充放电系统的软件主要包括了上位机界面软件、i - 位机控制软件和上卜- 位机 之间的通信程序。上位机软件主要实现显示、报警、打印、数据存储与管理等功能，卜位机 软件主要实现充放电控制、电压与电流的采样、驱动、保护、电池巡检控制等功能，而通信 程序实现了上下位机之间信息( 控制命令与数据) 的交换，使得系统的控制变得更加灵活与 方便。 本章将详细介绍航空蓄电池充放电系统上位机软件、下位机软件的设计思路和关键技 术，上下位机之间通信协议的制定以及通信程序的设计 3 2 系统上位机软件的设计 航空蓄电池充放电系统的上位机软件主要实现充放电过程中电压、电流等数据的实时显 示、系统故障报警、充放电记录与充放电电压、电流数据的存储、管理、分析等功能。上位 机软件设计遵循了软件工程的基本原则，在实现系统基本功能的前提下，界面设计以布局合 理、美观友好为目标，尽可能地提高此应用软件的易操作性。上位机软件采用v i s u a lb a s i c6 0 为前台开发。【具编写代码，a c e e 2 0 0 3 为后台数据库，开发数据库应用系统。 3 2 1 上位机软件界面设计 v i s u a lb a s i c 是以b a s i c 语言作为其基本语言的一种可视化编程工具，它曾是中国最为 流行的编程i ：具，甚至到现在还占据着非常重要的地位。结构化程序设计语言v i s u a lb a s i c 采用事件驱动编程机制，具有简单易学、开发效率较高等优点，但是代码执行效率一般，面 向对象的特性也比较差，其自身的局限性导致了在软件开发中逐渐被其他工具所代替，如 v c 、j a v a 等，但是不管怎样，由于其简单易川、设计方便等优点，v b 仍然是开发与系统 无关的综合应用程序的首选，特别适合于工程应h j 软件的界面设计”。为了在最短的时间内 开发出功能全面，界面友好的上位机软件，本项目选择了v b 作为界面设计的基本 具。 图3 - 1 航空蓄屯池充放电系统上位机软件的功能模块示意图 东南人学碗i j 学位论文 上位机软件的基本功能包括对系统的用户、蓄电池充放电的任务、系统运行所产生的数 据进行有效地管理，因此上位机软件主要由以下三大功能模块组成：用户管理模块、任务管 理模块和数据管理模块。图3 一l 为航空蓄电池充放电系统上位机软件的功能模块示意幽，软 件具体的界面见附录。系统州户管理模块具有添加用户、修改密码和注销用户的功能；系统 任务管理模块负责航空蓄电池充电、放电、电池容量分析等任务的管理；系统数据管理模块 实现了对数据库的访问与维护，可以完成充放电记录与充放电数据的添加、查询、删除等操 作，特别是曲线库的建立不仅方便了对充放电数据的分析，也节约了系统的存储空间。 3 2 2 数据库的设计 a c c e s s 是微软公司发布的o f f i c e 软件包中的关系型数据库软件，具有功能灵活、界面 友好、易于学习和操作等特点，拥有广泛的用户群体。a c c e s s 是开发单机小型数据库应用 系统的理想工具，可以独立开发数据库应用系统，也可以作为后台数据库与v i s u a lb a s i c 等 高级语言结合使用。本项目就采用a c c e s s2 0 0 3 作为后台数据库管理系统的开发工具。 系统建立的数据库为“c h a r g e r m d b ”，主要包含以下6 张表：用户信息表a d m 、充电信 息表c i n f o r m a t i o n 、放电信息表d i n f o r m a t i o n 、蓄电池充电数据表c d a t a 、蓄电池放电数据表 d d a t a 和各单体电池充电电压表c b a t t e r y v o l t a g e ，下面分别介绍这些表的结构。 ( 1 ) 用户信息表a d m 用户信息表用来保存系统操作员的信息，包括了用户名与用户密码，系统用户管理的功 能主要是为了防止非操作员误启动系统，从而带来不必要的麻烦和损失。表a d m 的结构如 表3 1 所示。 表3 1 表a d m 的结构 i编号 字段名称数据类型说明 i 1n a m e 文本，长度为1 6用户名，士- t t t i 2p w d 文本，长度为8用户密码，必填字段( 是) l ( 2 ) 充电信息表c i n f o r m a t i o n 充电信息表记录了每一次充电操作所设置的参数，包括充电电池的类型、数量、充电方 式，恒压充电时的充电电压，恒流充电时的充电电流、充电时同、充电过程中发生的故障类 型等。充电信息记录能够生成报表，支持打印输出。表c i n f o r m a t i o n 的结构如表3 2 所示。 表3 2 表c i n f o r m a r i o n 的结构 编号字段名称 数据类型说明 l c h a r g e n o文本，长度为2 5充电编号，主键 2 b a t t e r y 文本，长度为5 蓄电池类型( 酸性或碱性) 3 n c o u n t数字，长整型 蓄电池数贯 4 c a p a c i t y数字，单精度型单体电池容量 5c m e t h o d 文本，长度为5 0充电方式 6 c v o l t a g e 数字，单精度型 充电电压( 恒压方式) 7c c u r r e n t l 数字，单精度型阶段充电电流 8 c c u l t e n t 2 数字，单精度型二阶段充电电流 9c r i m e l 数字，长整型一阶段充电时间 l oc t i m e 2 数字，长艳型二二阶段充电时间 l i c h a r g e t i m e 数字，长辂型充电完成总时间 1 2 c o o p e r a t o r文本，长度为1 6 操作员 1 3c n o t e 备注充电过程中的故障情况 第二三章蔫电池充放电系统的软件设计 ( 3 ) 放电信息表d i n f o r m a f o n 放电信息表记录了每一次放电操作所设置的参数，包括电池的类型、数量、放电电流大 小、放电终i r 模式、放电终j p 时间( 时间终i p 模式) 、放电终止电压( 电压终止模式) 、放电 时问、放电过程中发生的故障类型等。放电信息记录也能够生成报表并支持打印输出。 表d i n f o r m a t i o n 的结构如表3 3 所示。 表3 3 表d i n f o r m a t i o n 的结构 编号字段名称数据类型说明 l d i s c h a r g e n o 文本，长度为2 5放电编号，主键 2 b a t t e r y 文本，长度为5 蓄电池类型( 酸性或碱性) 3n c o u n t 数字，长整型蓄电池数量 4d c u r r e n t 数字，单精度型放电电流( 均为恒流放电) 5 d t y p e文本，长度为5 0放电终止模式 6d t i m e 数字，长整型终止时间( 时间终止模式) 7 d v o l t a g e 数字，单精度型终止电压( 电压终止模式) 8 d i s c h a r g e t i m e 数字，长整型 放电总时问 9 d o p e r a t o r 文本，k 度为1 6操作员 1 0d n o t e 备注 放电过控中的故障情况 ( 4 ) 蓄电池充电数据表c d a t a 蓄电池充电数据表的建立是为了保存充电过程中系统经过采样所得到的参数，包括实时 充电电压与充电电流、电池温度等数据。表c d a t a 的结构如表3 4 所示 表3 4 表c d a t a 的结构 编号字段名称数据类删说明 lc r e c o r d 自动编号，k 整璎，递增记录编号，主键 2 c h a r g e n o 文本，跃度为2 5记录对应的充电编号 3w r i t e t i m e 日期与时间记录写入的时间 4 v o l t a g e 数字，单精度型实时充电电压 5c u r r e n t 数字，单精度型实时充电电流 6 t e m p e r a t u r e数字，单精度型实时电池温度 ( 5 ) 蓄电池放电数据表d d a m 与充电数据表类似，蓄电池放电数据表的建立是为了保存放电过程中系统经过采样所得 到的参数，其中包括了实时放电电压与放电电流、电池温度等数据表d d a t a 的结构如表3 5 所示 表3 5 表d d a t a 的结构 编号 字段名称数据类型说明 l d r e c o r d自动编号，睦禚璎，递增记录编号，主键 2 d i s c h a r g e n o文本，长度为2 5记录对应的放电编号 3w r i t e t i m e 日期与时间记录写入的时间 4 v o l t a g e 数字，单精度型实时放电电压 5c u r r e n t 数字，单精度型实时放