（电力系统及其自动化专业论文）内燃机车蓄电池组充电系统的设计.pdf

北京交通犬学硕十学位论文abstract a b s t r a c t a b s t r a c t ：t i l i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e s i g no fah i g h c a p a d t yi n t e l l i g e n tc h a r g i n g s y s t e mf o rr e c h a r g e a b l eb a t t e r i e s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r g i n gt h e o r ya n dt h ei n v e s t i g a t i o no fm a n yc h a r g i n g m e t h o d s , at w o - s t a g ec h a r g i n gs t r a t e g yw a sb r o u g h tf o r w a r d a tt h ef o r m e rs t a g eo f c h a r g i n g , t h ec h a r g i n gm e t h o dw a su s e dw h i c ht h ec o n s t a n t - e r a r e n ti sc h a n gm d d l o d a n da tt h el a t e rs t a g e , t h ec o n s t a n t - v o l t a g em e t h o dw a s a d o p t e d t h em a i nc i r c u i to f t h ed 嘶h a sb e e nd e s i g n e db yt h ea i do f t h ee x t e n d e ds t r u c t u r e o f d o u b l e - e n d e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e rw i t hi p mm o d u l e n ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dw h i c hc o m p o s e do fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e , c e n t r a lc o n t r o lm o d u l ew h i c hr e s p o n s i b l ef o rc o m m u n i c a t i o n s , p w ms i g nm o d u l e a n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fp c t h et h e s i sa d o p t st h ed o u b l ec l o s e d - l o o p sc o n t r o l s y s t e mw i t hc u r r e n ta n dv o l t a g e , a n dr e a l i z e st h et w o - p h a s ec h a r g i n go ft h eb a t t e r y s u c c e s s f u l l y s p m c 7 5 f 2 4 1 3 aw a su s e dt op r o d u c ec o n t r o l l a b l ep w ms i g n a lw i t l ld e a d t i m e i no r d e rt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m ，t h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc h i p ， s g l 5 2 5 a n daa n a l o g p lr e g u l a t o ra l s o c a n b e u s e d 勰a s t a n d b y p r o g r a m as e r i e so fe x p e r i m e n t sa n dt h ea c t u a li n s t a l l a t i o nd v b u g g i n go nt h et r a i nh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h i ss y s t e me n j o y sc h a r 西n go fe f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , a d a p t a b i l i t y t oc o m p l i c a t e ds i t u a t i o n i nt h ec h a r g e p r o c e s s ，t h er e c h a r g e a b l eb a t t e r i e ss h e l l t e m p e r a t u r ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y 1 1 l eb i g g e s tc h a r g ec u r r e n th a sb e e ne f f e c t i v e l y l i m i t e d r 咖is a t i s f yt h eo r i g i n a li n t e n t i o no f d e s i g n i n g k e y w o r d s ：r e c h a r g e a b l eb a t t e r y ；, p w m ；d o u b l e - e n d e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e r ；, p ir e g u l a t o r c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲盼叼 签字隰q 年m 1 r 导师签名：；角钇舯为 导师签名：i 巧 记p 删勺 签字闩期：0 7 年l z 月f 同 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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 学位论文作者躲晒日签字嗍7 国7 年伽z 日 致谢 本论文的工作是在我的导师汤钰鹏副教授的悉心指导下完成的，汤钰鹏副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响汤老师渊博的知 识、严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。他在科研方面线了我 很多指导，更把他做人的理解渗透到和我们相处的方方面面在此衷心感谢汤钰 鹏老师对我的关心和指导 在实验室工作及撰写论文期问，白锡彬、王磊、于学涛、喻杰、霍艳等同学 对我论文研究工作给予了热情帮助，我是在一个充满尊重与友谊，团结与互助的 团队里学习和生活的，身边的每一位老师和同学都给了我无私的帮助在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通人学硕士学位论文绪论 l 绪论 1 1 机车蓄电池组现有充电方式简介 东风型内燃机车的控制电源为d c i i o v ，其控制电源由辅助发电机的输出提 供。辅助发电机的输出与机车蓄电池组并联，用来给机车的控制电路提供电源。 在机车柴油机未点火启动时。机车的控制电源由蓄电池组提供。柴油机的启动依 靠蓄电池组给其启动电机供电在柴油机启动后，机车的控制电源由辅助发电机 提供，这时蓄电池组起到对辅助发电机输出电压进行滤波的作用，与此同时，辅 助发电机的输出电压给蓄电池组进行充电辅助发电机的输出电压凼电压调整器 来控制，采用电压负反馈闭环控制方式，通过调节辅助发电机的励磁电流实现输 出稳压，稳压精度为1 1 0 v 2 5 v 。另外，在输出电压超过1 2 5 v 时实现过压保护。 辅助发电机的输出设定有电流限制保护功能，在蓄电池组的充电电流超过1 0 0 a 时，辅助发电机的励磁回路被切断，停止输出，实现过流保护。 韶山型电力机车的辅助供电是出机车电源柜提供的，输出为d c l l 0 v 5 的 电压给机车辅助回路供电。并联的蓄电池组一般为免维护铅酸蓄电池，也为4 8 个 单节串联，标称电压9 6 v ，5 h 率额定容量1 0 0 a h 。蓄电池组靠机车升弓受流后， 主变压器的辅助绕组电压经整流后对其进行充电。当机车没有升弓受流前，蓄电 池组给机车辅助回路供电，完成各种辅助回路机构动作。包括受电弓的升起等 当机车的辅助供电电源柜出现故障时，靠蓄电池组对整个机车辅助回路的供电 可见，在电力机车上，蓄电池组的良好状态对于确保机车的可靠运行也是非常重 要的。 ， 由此看来，机车蓄电池组的作用至关重要，它既起到启动机车柴油机的作用， 又起到对辅助发电机输出电压( 简称辅发电压) 进行滤波的作用。蓄电池组的良 好状态对于确保内燃机车的可靠运行致关重要目前各机务段使用最为广泛的蓄 电池组充电方式是恒压充电方式，系统使用机车辅助电源电压直接为蓄电池组充 电，蓄电池组的充、放电过程合二为一 1 2 机车蓄电池组现有充电方式存在的问题 蓄电池组是内燃机车上重要的储备能源载体，其技术状态的好坏，直接影响 到机车的正常运行车载充电是蓄电池组补充能源的主要手段，车载充电系统的 j 匕京交通人学硕十学位论文绪论 技术性能的好坏对蓄电池组的性能有重要的影响 现用的辅助供电系统主要特点是将机车的辅助供电与蓄电池组的充电合二为 一、融为一体的，是靠辅助发电机的输出电压来向蓄电池组进行充电的采用这 种方法硬件实现容易、结构简单可靠但是单靠辅助电源的输出电压无法达到对 蓄电池组的最佳浮充电压，特别是在蓄电池组严重亏电时造成充电电流过大而对 蓄电池组造成损坏靠辅助发电机的输出给蓄电池组充电的方式存在如下缺点： 辅助发电机的输出电压不满足蓄电池组的充电电压要求，造成机车蓄电池组 经常充电电压不足 辅助发电机的输出电压范围为：1 1 0 v 士2 5 v = 1 0 7 5 i 1 2 5 。对于n g 一4 2 0 型和 n m - 5 0 0 型铅酸蓄电池，单节要求浮充电压为2 3 v 2 4 v ( 标称电压2 o r ) ，由4 8 个单节构成的蓄电池组要求的浮充电压为：2 4 v x 4 8 = 1 1 5 2 v 。可见机车上辅助发 电机的输出电压对蓄电池组的浮充电压都不是最佳的，造成蓄电池组长期处于充 电不足的状态。所以应该提高蓄电池组的充电电压值，对于上述两类蓄电池组， 将充电电压提高到1 1 5 v 1 v ，这样的充电电压对于蓄电池组浮充电压才应该是最 佳的。 辅助发电机的输出没有恒流特性，不能实现对蓄电池组的恒流充电 内燃机车辅助发电机的输出只是一个恒定电压源( 稳压电源) ，不能输出恒压 恒流的特性，这是一个严重缺陷，这对于机车蓄电池组的充电是非常不利的。现 有机车的辅助发电机输出只设置了输出电流限制的保护功能( 由过流继电器实 现) ，而不能实现输出恒流特性这样当机车蓄电池组。亏电”( 对蓄电池用电时 问过长，造成电压偏低) 比较严重时，即输出电压低于9 2 v 时( 现有机车的控制 电路供电标准为d c 7 7 v - - d c 2 0 0 v ) ，辅助发电机对蓄电池组的充电电流就非常大， 达几十安培至上百安培特别在蓄电池组严重亏电至8 0 v 以下时，充电电流可达 2 0 0 a 以上充电电流过大，将造成蓄电池组发热严重，充电极板变形老化等问题， 这样将大大缩短蓄电池的使用寿命，这种现象频繁出现会严重损坏蓄电池，造成 整个蓄电池组的报废事实上，在各机务段内。时常发生蓄电池组因过充电( 充 电电流过大) 而损坏或蓄电池组运用周期缩短的现象对蓄电池组增加恒流充电 功能，就可以解决对蓄电池组的过充电问题，避免因过充电而损坏蓄电池，可大 大延长蓄电池的运用寿命，延长其检修更换的周期 1 3 充电系统的主要性能指标要求 1 3 1 该充电系统主要技术参数： a 、输入电压 2 北京交通大学硕+学位论文绪论 额定电压：d c i i o v , 最高电压：d c 2 0 0 v , 最低电压：d c 7 7 v 输入电压纹波( 峰一谷值) ：小于额定电压值的1 0 b 、输出电压 额定输出电压；d c l l 5 v i v ( 对应铅酸蓄电池组) ； 输出电压纹波：峰谷值小于i o v ( 与蓄电池组并联) ； c 、恒流充电值：5 0 a i a ( 标准充电制式) d 、输出容量：6 o k w ； e 、环境条件： 环境温度：一2 5 6 0 ； 海拔高度：不超过1 5 0 0 m ； 振动及冲击加速度：符合t b t 3 0 5 8 标准。 1 3 2 单片微机系统的功能： 控制充电系统的起动和停止； 指示充电系统运行故障状态； 通过检测电池电压和充电电流等实现充电系统输出过压保护、蓄电池组的欠压 保护、充电过流保护等功能 对辅助发电机输出电压( 即充电系统自身的输入) 状况和蓄电池组的状况进行 实时检测，对其故障状态进行报警指示和存储记录。 北京交通- 人学硕十学位论文蓄也池充电理论基础 2 蓄电池充电理论基础 2 1 蓄电池的分类及技术指标 自法国普兰特1 8 5 9 年发明铅酸蓄电池以来，至今已有一百多年的历史。它与 其他所有的化学电源一样，是一个电能与化学能互换的装置。由于它具有电动势 高、充放电可逆性好，使用温度范围广、电化学原理清楚，生产工艺易于掌握和 原材料丰富而价廉等特点，因而获得了广泛的应用自2 0 世纪5 0 年代起，传统 的铅酸蓄电池技术发展很快。1 9 5 7 年英国首先发明了再化合免维护汽车蓄电池， 德国阳光公司发明了触变性凝胶工业用铅酸电池，1 9 9 3 年美国g n b 公司发明并生 产了i 型阴极吸收式密封铅酸电池，1 9 8 5 年f 1 本y i j a s a 公司开始生产m s e 系列 大型阴极吸收式密封铅酸蓄电池。特别是阀控式密封铅酸v r l a ( v a l v e r e g u l a t e d l e a d a c i d ) 蓄电池的问世，解决了酸液和酸雾易于外溢的技术难题，使它能与电子 设备放大一起使用，应用领域更加广阔了1 7 i 2 1 1蓄电池的分类 电池是一种化学电源，是在氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能。 而电池又可为一次电池和二次电池。一次电池是一次性应用的电池；二次电池是 多次反复使用的电池，这里的。二次”实际上是多次的意思，二次电池又称为可 充电电池或蓄电池。蓄电池的性能参数很多，主要的3 个指标为【刀： 1 ) 工作电压，蓄电池放电曲线上的平台电压 2 1 蓄电池容量，常用安时( a h ) 或毫安时( m a h ) 表示 3 ) 工作温区，蓄电池正常工作的充放电次数 蓄电池的性能可由蓄电池特性曲线表示，这些工作曲线为充电曲线、放电曲 线、充放电循环曲线、温度曲线和储存曲线。蓄电池的安全性由特定的安全检测 进行评估j 。 对于蓄的种类，就目前市场上主流产品而言，有4 类蓄电池；铅酸蓄电池、 镍镉蓄电池、氢镍蓄电池和锂离子蓄电池l ”。 铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆 性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富( 且可再生使用) 及 北京交通火学硕十学位论文蓄电池充电理论基础 造价低廉等优点主要应用在交通运输，通信，电力，铁路，矿山，港口等国民 经济各个部门，是社会生产经营活动中不可缺少的产品，具有广阔的发展前景 2 h 2 1 2蓄电池的技术指标 蓄电池技术指标有额定电压、额定容量、充放电曲线循环寿命等。 目前内燃机车蓄电池组有多种形式，其中以n g - 4 2 0 型铅酸蓄电池组和 n m 5 0 0 型阀控式密封免维护铅酸蓄电池组的应用较为普遍n g - 4 2 0 型铅酸蓄电 池组4 8 个单节( 每节标称电压2 0 v ) 串联组成，标称电压9 6 v ，1 0 1 1 率额定容量 4 2 0 a h ：n m - 5 0 0 型f 刚空式密封免维护铅酸蓄电池组，4 8 个单节( 每节标称电压2 v ) 串联组成，标称电压9 6 v ，1 0 h 率额定容量5 0 0 a h 。 单节蓄电池放电的端电压达到1 8 v 时认为放电终止则蓄电池组放电终止时 电压为8 6 + 4 v 2 2 蓄电池的充电理论 电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大 多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电系统对蓄电池 的使用寿命具有举足轻重的作用。 上世纪6 0 年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试 验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2 1 所示如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的 容量和寿命也没有影响原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速 充电方法的研究方向r “ o 图2 - 1 马斯提出的最佳充电曲线 f i g 2 - 1t h eb e s td 坷c 弘c m a 私o f n m a s 5 北京交通火学硕+学能论文 蓄电池充电理论基础 由图2 一l 可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快主要原因是充电过程 中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中。内部产生氧气和氢气，当氧气 不能被及时吸收时，便堆积在正极板( j f 极板产生氧气) ，使电池内部压力加大， 电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现 象。 蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： p b 0 2 + p b + 2 h 2 s 0 4 2 _ p b s 0 4 + 2 h 2 0( 2 1 ) 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应可逆过程就是热力学的平衡过程， 为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一 些理想条件是外加电压等于电池本身的电动势但是，实践表明，蓄电池充电 时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等 各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中， 这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象 一般来说，产生极化现象有3 个方面的原因。 1 ) 欧姆极化充电过程中，j 下负离子向两极迁移在离子迁移过程中不可避免 地受到一定的阻力，称为欧姆内阻为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施 加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现 所谓的欧姆极化随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中 的高温 2 ) 浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表 面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去实际上，生成物和反应物的扩 散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。 也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀这种现象称为浓度 极化。 3 ) 电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极 上电子运动的速度造成的例如；电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其 附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态放电时，立即有电子释放给外电路 电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢m e em e + ，不能及时补 充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化这种表面负电荷减少的状 态促进金属中电子离开电极，金属离子m e + 转入溶液，加速m e e m e + 反应进 行。总有一个时刻，达到新的动态平衡但与放电前相比，电极表面所带负电荷 数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重 阻碍了正常的充电电流同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少， 电极电势变负 6 北京交通人学硕+ 学位论文蓄电池充电理论基础 这3 种极化现象都是随着充电电流的增大而严重【4 】 2 3 充电方法的介绍 2 3 1常规充电法 常规充电制度是依据1 9 4 0 年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就 是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上， 常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制这个现象对 蓄电池充电所必须的最短时问具有重要意义【4 】。 一般来说，常规充电有以下3 种 1 ) 恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保 持充电电流强度不变的充电方法，如图2 - 2 所示。控制方法简单，但由于电池的可 接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用 于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法 绷蠛厂 厂 兜电 拄淡 图2 - 2 恒流充电曲线 f i g 2 - 2 c o n s t a n t c u n - e n t c h a r g i n g c 2 ) 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 7 北京交通人学硕十学住论文蓄电池充电理论基础 图2 - 3 阶段充电法充电曲线 f i g 2 - 3m u l t i - s t a g ec h a r g i n sa h v e 二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2 3 所示首先， 以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段 之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 三段式充电采用先恒流充电，再恒压充电，最后采用浮充充电。当电流衰减 到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段这种方法可以将出气量减到最少，但 作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制加之机车运行时间较长。蓄电池 组对充电的快速性要求并不高。所以二阶段充电法只要在恒压阶段的恒压值设置 较低以保证蓄电池组不因过充电而损坏。 3 ) 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐 渐升高，电流逐渐减少与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线 用恒定电压快速充电，如图2 4 所示由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流 很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统 翻2 - 4 恒压充电法充电曲线 f i g 2 - 4 c o n s t a n t v o l 诅g c d u t r g i n g w v e 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充但在充电初期电流过大，对 蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 8 北京交通人学硕十 学位论文蓄电池充电理论基础 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。 例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的 2 3 2快速充电技术 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态 的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用 效率快速充电技术近年来得到了迅速发展闱 下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法这些方法都是围绕着最佳充电 曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。 1 ) 脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接 受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新 发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时问，如 此循环，如图2 - 5 所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而问歇期使蓄电池经化学反 应产生的氧气和氢气有时问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，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间， 减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率 脉冲式充电是指充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端，如图2 5 所示 脉冲快速充电方法的理论基础是通过在充电电流中叠加个一定频率、宽度、高度 的负脉冲或短时间的中途停充电，使参加反应的铅离子来得及通过p b s 0 4 溶解而生 成p b 和l b 0 2 并提高其浓度，又使生成的h 2 和h s 0 4 离子来得及从电极表面附近 移开其综合效果是降低蓄电池的浓差极化，允许加大充电电流，缩短充电时间。 脉冲快速充电具有如下几个特点： 1 充电时问短于常规充电新蓄电池的初充电一般需7 0 - 9 0 小时，使用中的补 充充电也约需1 3 1 6 小时，而快速充电，一般初充电不多于5 小时，补充充电不多 于1 小时。 2 蓄电池容量增加。快速充电能消除极化，使化学反应充分，因此蓄电池的容 量有所增加同时，新蓄电池初充电后不必放电即可使用，这样既节约了电能， 又给使用带来了方便 9 北京交通人学硬十学位论文蓄龟池充电理论基础 3 去“硫化”效果显著。一般去硫化充电方法，既费时又麻烦，而用脉冲充 电法仅需4 5 小时，并且效果良好。 采用脉冲快速充电时，虽然蓄电池析出的气体总量减少，但因出气率高，活 性物质易受冲剧脱落，所以对蓄电池的寿命有一定影响因此，目前蓄电池充电 器市场上，仅仅使用脉冲充电法的并不是很多。大多数是采用脉冲充电法和其它 充电法( 典型的如三级充电法) 相结合的方法，将充电过程分几段曲线，每段曲线分 别采用恒流脉冲充电或恒压脉冲充电的方法。 2 ) r e f l e x t m 快速充电法 幽2 - 5 脉冲充屯法充也曲线 f i g 2 - 5p u l s ec h a r g i n g c u r v ( 2 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。出于 它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电 池的快速充电的时问。铅酸蓄电池的充电方法和对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。 如图2 - 6 所示，r e f l e x t m 充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬 间放电脉冲，停充维持3 个阶段。 厶h ， 图2 - 6r e t l e x t m 快速充电法充电曲线 f i g 2 - 6f a s tc h a r g i n g a eo f r e f l e x t m 1 0 北京交通人学硕十学位论文蓄电池充电理论基础 3 ) 变电流自j 歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图2 - 7 所示。其特点是 将恒流充电段改为限压变电流白j 歇充电段充电前期的各段采用变电流间歇充电 的方法，保证加大充电电流。获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段， 获得过充电量，将电池恢复至完全充电态通过间歇停充，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，使蓄电池可以吸收更多的电量 从理论上讲，为了快速充电，充更多的电量，就要加大充电电流。尽管蓄电 池具有阴极吸收功能，正极产生氧气可以通过隔膜和气室被负极吸收，但是阴极 吸收速度是有限的( 因为密封式蓄电池的内压是有限的) 。加大充电电流的同时，会 造成蓄电池j 下极出氧速度过快，吸收速度跟不上，必然引起电池失水。为了避免 这种现象，陈体衔教授提出了问歇停充这一概念，这也就是这种方法的核心。通 过问歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气有时问被重新化合吸收掉，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的进行，使蓄电池可以吸 收更多的电量。通过蓄电池充电的最佳曲线，可以理解变电流的必要性。最佳充 电曲线表明，蓄电池的充电电流在逐渐缩小的情况下会使充电效果得到最佳，所 以变电流闻歇充电在刚开始使用大电流充电一段时白j 后停充，然后再次充电时， 采用减小一级的恒定电流进行恒充。因为蓄电池的容量在使用大电流恒充后己经 得到很大的补充，屯池本身的接受能力已经有了一定的限制，再次充电时使用同 样的电流恒充，充电效率会下降，同时会使电池的温度急剧上升，影响电池的使 用寿命脚。 ol 舯曲o3 0 04 。o 7 5 ，由 6 ， 6 0 图2 - 7 变电流间歇充电法充电曲线 f i g 2 - 7v a r i a b l ei n t e r m i t t e a tc h a r g i n gc t u r e n ta 岫w 4 ) 变电压间歇充电法 北京交通人学硕士学位论文蓄电池充电理论基础 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图2 - 8 所 示。与变电流问歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是问歇恒流，而是间歇恒 压 图2 8 变电压间歇充电法充电曲线 f i g - 2 - 8v a r i a b l ei n t o m i t t e n tc h a r g i n gv o l t a g e c u r v e 2 4 本设计采用的充电方式 本设计的充电方式采用了现阶段比较切实可行的采用先恒流、再恒压的两段 充电法。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蒯大电流冲击，又避免了大电流恒流充电可能带来的 过充电现象。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。 1 2 北京交通大学硕士学位论文蓄电池组充电系统主电路设计 3 蓄电池组充电系统主电路设计 3 1 主电路方案的选择 式： 恒压恒流充电方案依据其功率变换主电路结构的不同，可以分为如下几种形 ( 1 ) 降压斩波方案 j j n l 兀弓天 +g l + 机乍蓄 u，l dc 宁 电池组 图3 一l 降压靳渡电路图 f i g 3 - 1b u c kc h o p p e rc i r c u i t 系统主电路采用b u c k 降压斩波电路( 图3 1 所示) 。使用这种电路结构，系 统结构简单、工作可靠，有利于缩短研发周期，降低生产成本。但是，该电路结 构充电电压变比r ： 去坠：d ( r l ，升压方式) 以及 i 与r l ，即2 l 厶c o “国，即岛，c 口的谐振频率远小于讲，则 衰减系数 等= ( 等) 2 “= 国o , o 越大，则谐波衰减越多。u = 1 0 处，即： “铲志一o o * 懒 输出电路中频率为2 0 k h z 的谐波幅值： 4 = 而f 铲扣嘲出韦c 叫：r = 2 。u s i n ( d t a t t ) = 2 。u s i n ( ：圳 6 l = 。f u s i n c o , d t = 1 2 。( u s ( q r ) 1 ：7 = ；u ( 1 - c o s ( d r o l t ) ) = ；u o c 6 s ( z 。万) ) a l ：- 等4 2 ( 1 - c o s ( 2 d ) ) 逆变器输出电压中最低次谐波的频率m = 2 0 k h z ，按照滤波器l c 体积小、重 量轻、成本低的原则选定滤波电感值为7 5 ，电容值选择6 8 0 0 胪，则 w o = ，；：一= l a x l 0 7 5 f 6 0 8 8 ，z f = 2 0 船矗 甜：! l ：2 0 x 1 0 j x 。1 4 1 0 鳓 i 珥。1 0 。 可以满足滤波要求 2 l 北京交通大学硕士 学位论文充也控制系统设计 4 充电控制系统设计 4 1 控制方法的选择和实现 4 1 1阶段充电法充电阶段的转换方法选择 为了使蓄电池组获得较好的充电曲线，本设计采用了先恒流、再恒压的两段 充电法。充电各阶段的自动转换方法有： 1 ) 时间控制，即预先设定各阶段的的充电时间，由时问继电器或c p u 控制转 换时刻 2 ) 设定转换点的充电电流或充电系统的充电电压值，当实际电流或电压值达 到设定值时，即自动转换。 3 ) 采用积分电路在线监测蓄电池组的容量，当容量达到一定值时，发出信号 改变充电阶段”。 上述方法中，时间控制比较简单，但这种方法缺乏来蓄电池组的实时信息， 控制比较粗略；容量监测方法的控制电路比较复杂。在以上三种转换方法中选择 了第二种方法即设定充电系统的转换点充电电压为l l s v ，在蓄电池组亏电较严重 时通过限制充电系统输出电流使电路工作在恒流状态下在蓄电池组端电压升高 到接近满充电状态时，此时要继续维持恒流充电将使充电系统输出电压高于1 1 5 v ， 电路将自动转换为恒压充电 4 1 2阶段充电法的实现方案 为了实现蓄电池组的智能充电，本充电系统的控制回路需要实时采集充电系 统的充电电压、充电电流等状态信息，然后送入单片机进行分析和处理，得到相 应的控制信号，控制主回路开关管的通断，从而改变充电电流的大小同时，为 了确保充电系统安全稳定的工作，控制回路也需要实时监测主回路各部分的电压 和电流以及碑m 模块，有效的防止事故的发生。 本设计采用充电方法具体实现为采用电压、电流双闭环控制。在充电系统的 输出侧使用电压传感器和电流传感器分别检测蓄电池的充电电流和充电系统的充 电电压电流、电压两路信号经过信号调理后送到单片机经过p i 调节处理，处理 产生的与之相对应的两个控制值将经过比较环节，比较环节将选择两个控制值中 北京交通大学硕士学位论文充屯控制系统设计 较小的一个作为输出。在蓄电池组充电刚开始时由于蓄电池组亏电较严重，此时 反馈环中的电压反馈产生的控制信号值将大于电流反馈产生的控制信号值，经过 比较环节后输出的是电流环所产生的控制值。i p m 模块各开关管将山电流环控制 值产生相对应占空比的p w m 脉冲控制，从而使充电系统工作于恒流充电状卷 当充电系统经过一段时间到接近满充状态时，随着蓄电池组端电压的提高， 电流环若要维持恒流充电，电流环产生的控制信号值又会大于电压环产生的控制 信号值，经过比较环节后将由电压环所产生的相应控制值来控制充电电路的输出 值，电压环的作用将使充电系统工作于恒压充电状态这就是两段充电法的基本 控制思想，它可以使电路在蓄电泡组亏电严重时限铜充电电流为恒定值5 0 a ，当 蓄电池组接近满充时以限制为恒压充电使蓄电池组不至于过充电。 4 1 3控制系统的整体结构 控制系统框图具体如图4 一l ： 图4 1 控制系统整体结构图 f i g 4 - 1h a r d w a r es l m c t t w eo f c o n t r o ls y s t e m 4 2 数据采集模块的设计 信号 数据采集扳主要由传感器、输入信号调理模块、数字信号处理模块和s m b u s 总线通讯组成。其中输入信号调理模块负责将传感器传来的输入的模拟信号进行 调理( 如电平变换和滤波) ，以满足数字电路对信号的要求；数字信号处理模块包括 北京交通人学硕士学位论文充电控制系统设计 将模拟信号转换为数字信号对数字信号的滤波处理，由m c u 和一些必要的外设组 成。最后通过s m b u s 总线将由此模块采集到的充电电路信号发送到主控模块数 据采集模块结构图如图4 2 所示： s m b u s 总线 爵匿一 i 燮阿| 广 a d 转 匡圊 巨习一围 区习匿 图4 - 2 数据采集模块结构幽 f i g 4 - 2h a r d w a r es m u m u eo f d a 扭“俩6 0 nm o d u l e 4 2 1信号调理模块的实现 电流，故障 护、故障代i 1 )l 四传感器的选择 在电路设计中，对电压和电流数据的采集，选用了霍尔传感器。霍尔传感器 是利用电磁转换的原理来设计的，它在内部把互感器、霍尔元件和电子电路进行 了很好地结合，因而既有普通互感器测量范围宽的优点，又兼顾了电子电路速度 快的长处l e m 系列传感器可实现测量回路和主回路之间的电气隔离，主电路发 生故障不会导致测量回路发生故障，测量回路不会给主回路带来干扰各传感器 在主回路中的位置如图3 5 所示l c 滤波电路的输出侧，使用电流传感器a 2 和 电压传感器v 1 分别检测蓄电池组的充电电流和充电电压 l e m 型传感器负载电阻的选择首先应满足传感器的要求，阻值在规定的范围 之内；其次，还要和调理电路相互匹配，并且满足调理电路的参数限制。要防止 负载电阻两端的电压在输入调理电路之后，导致输出波形失真输入量不能超过 北京交通大学硕士学位论文充电控制系统设计 电路中运放的供电电源1 2 v 过大的负载电阻会限制被检测电流量和电压量的幅 值范围，使传感器的测量能力不能完全发挥。若选得太小，在整个电流范围内， 转换得到的输出电压都很小，由于a d 转换器精度的限制，最后转换的数字量对 被测信号的分辨率很小，也会限制测量精度综合上述两种情况考虑； 由于蓄电池组的充电电流限流值为5 0 a ，所以选取原边额定电流为5 0 a 的 l e m 传感器l t 5 9 s 7 测量充电电流。主要参数为： 原边额定电流有效值：。，= 5 0 a ； 测量范围：卜7 0 a ； 副边额定有效值电流：。= 5 0 m a 总精度= o 8 ； 线性度 o 2 负载电阻选择1 5 0 q ，。当充电电流为5 0 a 时，电流传感器的输出电压为： 5 0 m a 1 5 0 f l = 7 5 v 机车辅助供电电压额定值为1 1 0 v ，选取l e m 电压传感器l v 2 8 p 测量蓄电池 组的充电电压。传感器参数为： 原边额定有效值电流：，。= 1 0 m a , 副边额定有效值电流：b = 2 5 m a ； 总精度= o 6 ；线性度 o 2 输入侧串接外部电阻值为：1 5 k o ，当充电电压为i i o v 时原边输入电流为： 1 1 0 v 1 5 k 0 = 7 3 m a ，输出电流为焉x 7 3 m a = 1 8 3 m a ； 负载电阻选择3 0 0 q ，当原边电压为1 1 0 v 时电压传感器副边电压为 1 8 3 m a 3 0 0 f l = 5 5 v 2 ) 信号调理电路的设计 由于下文所选的单片机a d 转换模块所能转换的模拟信号电压范围为0 - 3 3 v ， 所以应将接入单片机a d 转换引脚的模拟信号调理为此电压范围。 恒流充电时从屯流传感器副边的电压值为7 5 v ，要使电流传感器副边电压值 在送入单片机a d 转换引脚时的电压值调理为2 5 v ： 焉= 可选择比例放大电路的放大系数为 北京交通人学硕十学侥论文充电控制系统设计 恒压充电时从电压传感器副边的电压值为5 5 v , 同样使电压传感器采样值在送 入单片机a d 转换引脚时电压值调理为2 5 v ： 嚣5 v * 1 2 可选择比例放大电路的放大系数为1 2 5 放大电路如图4 3 ，为了调试方便图中电阻2 r 1 7 使用可调电阻 幽4 - 3 比例放人也路幽 f i & 4 - 3p r o p o r t i o na m p l i f i e r 4 2 2a d 转换的实现方案 m m 模块各开关管的开关频率在本充电系统方案中选择为1 0 k h z ，需要同时 进行模数转换的信号为六路，所以模数转换部分采用选用s i l i c o n 公司生产的 c 8 0 5 1 f 3 1 0 所带的模拟多路器模块，c 8 0 5 1 f 3 1 0 器件是完全集成的混合信号片上 系统型m c u 芯片，工作频率为2 4 m t l z ，它所集成的的a d 是真正l o 位2 0 0k s p s 的2 5 通道单端差分a d c 转换速度和转换通道数可以满足该模块的要求。模拟 多路器模块可以把0 - 3 v 的模拟电压值转换为精度为l o 位的数字量，也可以满足 充电系统的要求 数据采集模块的采样频率定为1 0 k h z ，即每1 ，i 芦分别定时对充电电路输出电 路和电流进行一次采样，采样的定时山c 8 0 5 1 f 3 1 0 的定时器模块来实现，a d 转换 模块的启动方式有六种，本设计采用定时器溢出方式启动。c 8 0 5 1 f 3 1 0 的a d 模块 具体特性如下： l 模拟多路选择器 北京交通人学硕十学位论文充电控制系统设计 模拟多路选择器( l m l , e x o ) 选择去p g a 的正输入和负输入，p i 0 - - p 3 4 、片 内温度传感器输出和正电源( v d d ) 中的任何一个都可以被选择为j 下输入； p 1 0 - p 3 4 和g n d 中的任何一个都可以被选择为负输入当g n d 被选择为负输 入时，a d c 0 工作在单端方式；在所有其它时问，a d c 0 1 - 作在差分方式 2 工作方式 a d c 0 的最高转换速