（控制理论与控制工程专业论文）大功率智能型充电机的研究与应用.pdf

摘要 本论文通过对蓉电池的充、放电特性的分析以及对以往充电机硬 箨弱羟裁葵法两个方瑟豹改善，设诗了一耪不莰籍对蓑龟洮进孬慑压 限溅充电，还可以进行智能充电，同时具有过压、过流、j 建热保护、 自饿复功钱和并联自动均流的大功率究电机。本充电机的硬件构成以 8 0 c 1 9 6 k c 为控毒器静c p u ，集成蕊靖t c 7 8 7 舞囊步辣渖产生器，鑫 闸管为功率变换器。通避对无源滤波和有源滤波特点的分析，本充电 视采用了无源滤波技术。控箭器的控制算法来用了模糊p i d 技术，通 过m a t l a b 傍龚褥邀单片撬运褥爨嚣婺羲参考参数，霉遥过爨动变淹 法对蓠电池进行智能充电。本充电机坯在硬件和软件两个方面对整个 系统的抗千抗性进行了优纯，使得系统其有徽好的抗干扰憔。 关键词：觉电机蓄电池模糊p i d 均流智骶充电 a b s t r a c t b ya n a l y z i n g t h ec h a r g i n g & d i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa c c u m u l a t o r s ， a n db yi m p r o v i n gt h eh a r d w a r ea n dc o n t r o la l g o r i t h m o ft h ef o r m e r c h a r g e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e s ah i g h - p o w e rc h a r g e r t h ec h a r g e rc a n n o t o n l yc h a r g e a c c u m u l a t o r sw i t hc o n s t a n t v o l t a g e a n dl i m i t e dc u r r e n t ，b u t a l s o c h a r g e t h e m i n t e l l i g e n t l y m e a n w h i l e ，i t i sc h a r a c t e r i s t i co f o v e r - v o l t a g e ，o v e 卜c u r r e n t a n do v e r h e a t p r o t e c t i o n ，s e l g r e c o v e r y a n d a u t o m a t i cc u r r e n t - a v e r a g e di np a r a l l e l 8 0 c 1 9 6 k c , m t e n , a t e dc h i pt c 7 8 7 a n dt r a n s i s t o r sa r eu s e dt ob ea sc o n t r o l l e r sc p u ，s y n c h r o n i z i n gp u l s e g e n e r a t o ra n dp o w e r c o n v e r t e r s 。t h ep a s s i v ef i l t e r i n gt e c h n o l o g yi su s e d a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fp a s s i v ef i l t e r i n ga n da c t i v ef i l t e r i n g 。f u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h mi sa p p l i e dt oi t sc o n t r o l l e r , t h er e f e r e n c ep a r a m e t e r s t h a tm c un e e d sd a r i n g o p e r a t i o n 融! eg o t t e n 砖m a t l a b s i m u l a t i o n t h e n a u t o m a t i cc u r r e n t - t m n s f o r m a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oi n t e l l i g e n t l yc h a r g e a c c u m u l a t o r s 。b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ew h o l e s y s t e m h a v eb e e n o p t i m i z e d t om a k et h es y s t e mh a v ee x c e l l e n ti n t e r f e r e n e e i m m u n i t y k e y w o r d s ：c h a r g e r , a c c u m u l a t o r s ，f u z z y p i d ，c u r r e n t - a v e r a g e d ， i n t e l l i g e n tc h a r g e 诚信声明 y5 7 ；8 6 i 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本充电装置的研究意义 蓄电池在现代工业社会的应用已经非常广泛，而蓄电池的种类也比较多。各种不同的蓄 电池有不同的应用场合；一些能量密度离的蓄电池，比如镍氢充电电池、锂离子充电电池主 要用于便携式电话机等移动通讯设备、笔记本电脑、摄像机中；而能量密度相对低一点但 价格便宜的铅酸蓄电池则广泛地应用于邮电、电力系统、煤矿等行业。对于镍氢蓄电池、锂 离子蓄电池等能量密度高的蓄电池对其充电的要求不是很严格，而对于铅酸蓄电池，充电 要求则很严格。蓄电池的充电质量问题一直以来都没有为用户所重视调查证明，绝大多数 用户对充电质置好坏的判断和如何选择高品质的充电机缺乏必要的认识，仅凭“红灯在充， 绿灯充满”的直观现象去判断充电机的好坏。大多数用户都是把短命电池归咎于电池本身， 而很少对充电机提出怀疑。何况一般的充电机还是一种市场很容易饱和，不可能实现“利润 最大化”的产品。因此，用户很难通过市场获得高品质的充电设备和延长电池使用寿命的技 术支持。 本论文研究的充电装置主要是针对用在大连旅游游艇上直流电源系统中的充电装置改进 而设计的。该充电装置是以晶闸管为功率变换器的模拟相控电源其输出电压为0 - - 6 0 0 v 可 调，最大输出电流可达到1 0 0 a ，输出电压很稳定但是不具备通讯功能。因为游艇上的直流 电源是由蓄电池提供的，所以充电装置对蓄电池充电的时候都是与负载断开的，这与发电厂 里用到的大功率直流系统是不同的。电厂里的直流电源系统中，充电装置在交流输入正常的 时候不仅要为直流负载供电，同时还要给蓄电池进行充电。对于这些大功率电源系统，如果 采用开关电源，则成本很昂贵。比如用华为研发的5 k w 开关电源，则至少需要1 2 个电源并 联。其价格昂贵不说，这么多电源并联的接线、均流就很麻烦。如果用6 0 k w 的开关电源 因功率器件的价格高，其成本一样的昂贵，而且市场上这种大功率电源的智能充电特点不明 显。 总之，本论文研究的充电装置则是一种以晶闸管为功率变换器的智能型大功率电源既 可以用作游艇上的蓄电池进行充电又可以用在其他领域，如电厂里的直流电源系统。同时 可以对蓄电池进行智能充电，并具有价格低廉、性能稳定、运行可靠及能活化放电等特点。( 详 细的功能特点在1 3 小节里有介绍) 。 1 2 充电装置的介绍 目前在工业应用中，主要有以下两种常用的充电设备。一种是高频开关电源，还有一种 是以晶闸管为功率变换器的相控电源。 河海大学硕士论文 高频开关电源因其功率密度高、输出纹波小的优势占领着很大一部分市场。高频开关电 源的种类也有很多，区别主要在于功率变换器件和移相控制芯片。对于较大功率场合，人们 主要用i g b t 作为功率变换器件，i g b t 的主要优势是能通过的电流比较大耐压值比较高- 但频率不是很高，而且驱动电路比较复杂，因此这种电源的功率密度比用m o s f e t 作为功率 管的电源的功率密度要小。用m o s f e t 作为功率变换器件，因其耐流值不高，所以只适合于 小功率场合。但因其频率很高，而且驱动电路简单。故体积比较小，功率密度高。 在这些高频开关电源中，有些只具备恒压输出功能，不具备通讯功能。对蓄电池进行充 电时，都是手动调节其充电电压。来实现强充、均充、浮充，其缺点很明显。但因其价格便 宜，而且人们对充电设备的好坏意识比较薄弱，这种简易的开关电源在应用于对蓄电池进行 充电的场合还是有很大的市场的。也有些开关电源具有通讯功能，通过与监控模块组合使用， 能对蓄电池进行“自动充电”。即可以对蓄电池自动地实现三阶段充电：强充、均充、浮充。 其具体实现就是通过监控模块对蓄电池的充电电流、充电电压进行采集。然后还是通过监控 机调节开关电源，使之处于需要的充电电压。还有一些以开关电源为核心的智能充电设备 本身具有人机接口，人们可以通过键盘选择不同的充电方式。在这些不同的充电方式中，有 一种智能充电方式，这种充电方式与三阶段充电方式比较类似，但划分的阶段则比较细，比 较多对蓄电池有很好的充电效果。 但是对于大功率的充电系统，如果采用开关电源作为充电设备。则开关电源的功率管则 必须用耐流值大的i g b t 管，但成本较高，控制较复杂。通常的做法就是将几个输出功率比较 小的开关电源并联采用均流技术不过其成本也很高而且可靠性不是很好。此时另外一 种可选的方案就是以晶闸管为功率变换器的相控电源。这种以晶闸管为功率变换器的相控电 源已经经历好几代了，一开始用的是模拟式的。而随着数字时代的到来，人们则采用单片机 为控制器研发了数字式的相控电源。使之具有通讯功能，人们可以实现“遥测、遥控”。各 种相控电源的设计方案不尽相同，但设计的思路却基本相同。 在如图l l 所示的充电机设计方案1 5 9 1 中，晶闸管的触发脉冲则是通过单片机的高速输出 r l 产生，为了保证触发脉冲的正确性，在该方案中设计了一个锁相同步电路。该电路使c p u 向晶闸管输出的触发脉冲与三相电源电压保持严格的同步关系。在这里需要注意的是，从c p u 出来的脉冲序列需要驱动之后才能去驱动晶闸管，在框图里没有说明。其控制的过程是单片 机8 0 c 1 9 6 k c 通过自身的a d 采集其充电机的输出电压和电流。然后根据给定电压与输出电 压的偏差，采用相应的控制算法，得出需要输出的脉冲触发角，而触发角的改变则是单片机 则通过改变高速输出口的输出脉冲的阃隔来实现的。同时该方案设计的充电机，还具有通讯、 键盘输入和l e d 显示等功能 而在如图l 一2 所示的另一种充电机方案中，晶闸管的触发脉冲则是由专门的集成芯片产 生的。单片机8 0 c 3 1 本身没有专门的a d 转换功能而是通过扩展的a d 转换器采集充电机 的输出电压和电流再通过相应的软件算法，得出一个移相控制电压用于控制触发脉冲角。 2 第l 章绪论 此外，单片机8 0 c 3 1 本身也没有d a 转换器，也是通过扩展的d a 转换器输出移相控制电压。 只不过在本电路里采用了可编程逻辑芯片p l d ，从而省去了许多扩展电路。该充电机同样具 有过压、过流保护，键盘输入，l e d 显示等功能。相对于框图l - - 1 所示的设计方案该方案 通过专门的集成芯片产生触发脉冲，从而减轻了c p u 的工作负担，让c p u 能够实现更高级的 算法。用于产生触发脉冲的集成芯片则有很多种方案的设计者则没有说明。 图l l 一种数字式相控电源设计方案 图1 2 另一种数字式相控电源设计方案 以上介绍的两种方案里，思路都是单片机直接采集或者通过外扩的a d 转换器采集充电机 的输出电压和输出电流，与给定输出形成偏差，通过相应的算法得到控制电压值。然后根据 控制电压值直接控制或者通过d a 转换器改变脉冲产生集成芯片的移相控制电压来改变晶闸 管的触发脉冲角，从而改变输出电压的大小，形成一个闭环调节系统。 3 坷海走学硕士论文 本论文设计的充电装麓也是一种数字式相控电源，其思路跟上面两种方案畿似。其设计 方案如圈l 一3 所示，晶闸管的触发脉冲是邋过集成芯片t c 7 8 7 产生的，而触发是的大小则是 通过单片机8 0 c t 9 6 k c 改变t c 7 8 7 移褶控制电压来改变的。8 0 c 1 9 6 k c 本身没有d a 输出， 控制电压是通过单片机的p w m 输出一个方波信号，然后经过熬流滤波丽得到的。而电雕、电 流的采熊则是通过单片机本身自带的a d 爱换器完成的。相比第一种方案，因为采用了专门 的脉冲产生集成芯片，所以c p u 具有更多的时间用于算法的优化。楣对于第二种方案， 8 0 c 1 9 6 k c 萃片梳酌处理麓力剐更强一些，硒样有利予算法的优化。同埘本方寨设计的充电机 除了备柯r s 2 3 2 通讯接口，还配有c a n 接口，而且在软件方面也包括了了许多新颖的算法， 使得充电杌残为了真正意义上的智能充电机。其功靛的详细情况见1 3 小节里本装置的预期性 能。 l 译码片选l1 稃储器扩腥i 8 0 c 1 9 6 k c 叫d s l 2 3 2 看门j l l 。 藉糟 鱼 叫串行脚r 伽| 刹蕾 片 塥 曼塑要-南ii _ 机 厕 - l 1 。k 卜- 兰茵 崎1 脉冲功放 喟 电压信号= = = = 二= i 剥信号转换r 啼 r 叫卜呻 图1 - - 3 本充电装置的设计方案 1 3 本充电装置的预期性能 晶闸管在很早就被使用了，其应用技术已经很成熟了。但髓着开关电深技术的发展，晶闸 管教应熙没有以辩应用的那么广泛7 。主要是鑫闷譬枣以下裴缺点；1 开关毅攀抵，譬致 体积大 2 容易产生谐波电流，不仅使得输出电压的缎波大。而且产生的谐波电流也会射电 网产生_ 报大的瓣繁t 但怒鑫趣管也有其叁凑数诲多谯点；餐梅便宜，瓣流、耐羝擅罄缀巍， 能做大功率的电源一而且容易实现有源逆变，使得蓄电池能够在线放电。对于用于电厂、大 型轮船的蓄电池充电的丈功率充电设譬。因疑对体积蓑衷不燕，对纹波麴要求懋鞲：较 氛，梭 很多都摄采用晶阐管作为功率变换器。 4 第l 章绪论 本次论文设计的充电装置就是以晶闸管为功率变换器的数字式相控电源。其研究的目的就 是充分利用晶闸管的优点，尽量克服其缺点，设计一种真正意义上的智能充电机。现将本充 电装置的预期性能介绍如下： 一，输出电压0 - - 6 0 0 v 可调，最大输出电流可达到1 0 0 a ，电压纹波低于0 2 ，同时具 备过流、过压、过热保护功能，故障定位和自恢复功能； 二- 各有c a n 和r s - - 4 8 5 两种通讯接口当几个充电设备并联工作时，能自动均流，可 以跟计算机网络相连具有遥测、遥控的功能： 三，能对蓄电池两端电压、充电电流、充电机的输出电压和输出电流进行采集，采用模 糊p i d 调节充电机的输出电压和电流井通过自动变流法来实现对蓄电池的智能充电。其自 动变流的参数一般都是相同的，个别的通过监控机给出，无需人工干预； 四，具有有源逆变功能，可以在线的将蓄电池中的电能反馈绘电网： 五，具有一定的谐波抑制能力，使得充电设备对电网的影响比较小。 由于试验条件和个人能力的限制，在实际开发过程中。有些功能没有进行调试，只是在 论文中做出一些理论上的设计和研究。对于不对的地方，望提出指正。谢谢1 5 河海大学硕士论文 第2 章充电技术的研究 在此章里我们将介绍不同蓄电池的使用特点，并蓍重介绍了铅酸蓄电池的充、放电原 理充电方法及容量检测的方法。 2 1 电池的使用特点 蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指能将化学能直接转换为电能的装置。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 电池则可以多次反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电用适当的反 向电流通入电池，则蓄电池可以再次将电能转化为化学能储存起来。这种反向充电补充能量 的过程就是电池充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给外部电路的过程则为放电 过程。 蓄电池主要由三部分组成：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。 目前在实际工程中用到的蓄电池主要有以下四种：密封铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢 蓄电池和锂离子蓄电池。这四种蓄电池相同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，不同 的电池是各种电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同。各种不同电池的特性如表 格2 一l 所示： 表格2 - i 各种蓄电池的特性比较 特性铅酸蓄电池镍诵电池镍氢电池锂离子电池 能量w h l k g 密度 3 04 06 09 0 能量i l 几密度6 0i 0 01 4 0 2 1 0 单电池电压( v ) 2 o1 21 _ 2 3 6 ( 平均) 放电曲线缓慢倾斜平直平直倾斜 充放电循环次数 5 0 01 0 0 08 0 0i 0 0 0 自放电3 月1 5 月2 0 月6 月 内阻低 最低 由 最高 放电速率 i o c 3 c 2 c 率要求不高、用电量不大、体积不能太大的产品，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，使它们比较适用于长期电流消耗要求较小的产品。而且它们的能量密度比较 大，从而减小了蓄电池的体积。在太功率直流系统中要用的蓄电池，因其对体积要求不大， 6 第2 章充电技术的研究 对容量要求比较大，而对充放电要求比较高我们可以选择密封铅酸蓄电池。因为它的内阻 较小，可以提供较大的电流，其价格也比较便宜。本论文设计的充电装置就是针对铅酸蓄电 池的充电而设计的。 2 2 免维护铅酸蓄电池 因铅酸蓄电池的特殊优点，在电厂，变电站的直流系统中用到的蓄电池基本上都是铅酸 蓄电池。而铅铅酸蓄电池又分为普通铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池即阀控式密封铅酸蓄 电池( 以下简称v r l a 电池) 。以下我们主要对v r l a 进行详细的介绍。 2 2 1v r l a 电池的特点1 1 所谓免维护铅酸蓄电池是指在规定的使用条件下，使用期间不需要进行维护的蓄电池。 免维护铅酸蓄电池相对于普通铅酸蓄电池的特点如下： a v r l a 电池的正极板栅架一般采用铅钙合金低锑合金制作，而负极板栅架均采用铅钙台 金制作； b 为了减少极板短路和活性物质脱落，v r l a 电池隔板大多采用超细玻璃纤维棉制作， 或将其正极板装在袋式隔板内； c 为了防止氧气、氢气垂直上溢，减少水分损失和活性物质脱落v r l a 电池极板组多采 用紧装结构； d 。为了缩短连接条的长度、减小内阻，提高免维护蓄电池的起动性能，各单格之间采用 内连式接法，露在密封式壳体外面的只有正、负极； e 为了更有效地避免水分损失、v r l a 电池壳体设有收集水蒸气和硫酸蒸汽的集气室， 以便蒸气冷却后变成液体熏新流回电解液内： 为了便于检查电解液密度了解存电情况，v r l a 电池内部设有温度补偿式电解液密 度计。密度计的指示器的颜色指示蓄电池的存电情况和电解液液面高低。指示器显示绿色， 表示电解液密度高于标准值，即蓄电池存电；指示器显示黑色，表示电解液密度低于标准值， 应进行补充充电；指示器显示黄色，表示电解液液面过低，需添加蒸馏水； g 为了防止杂质侵入和水分蒸发v r l a 电池采用了除极桩外露的全封闭外壳： h 为防止v r l a 电池损坏和爆炸，在密封式壳体上设有排气孔和安全阀。安全阀中装有 催化荆，可使氢气与氧气化合成水蒸气，其冷却后将再返回电解液内。 v r l a 电池的工作原理与普通铅酸蓄电池相同。只是普通铅酸蓄电池，在充电终了时，其 充电电流除了用来使正负极板的硫酸铅还原成二氧化铅和海绵状铅外。还有一部分电流被用 在水的分解上，致使蓄电池内产生很多气泡特别是在充电终了时产生和外溢的气泡就更多， 从而造成电解液内水分大量散失。而对v r l a 电池，由于其负极板上的硫酸铅含最比正极板 7 河海大学硕士论文 上多，因此充足电时正极板的硫酸铅全部转化成了二氧化铅，而负极板上仍有一部分硫酸铅 残留。这样，过充电，即充电电流过大时，充电电流不仅在正极板上用来产生氧气，而且在 负极板上使多余的硫酸铅反应生成海绵状铅。同时，在正极板上所产生的氧气也不会外逸， 而是迅速与负极板上的活性物质( 海绵状铅) 发生反应生成二氧化铅，再与电解液中的硫酸 反应变成硫酸铅和水。其详细情况将在下一节作介绍。 正因为v r l a 电池的上述特点才使得它具备下列一些性能优点：a 冰分散失少，一般仅 为普通铅酸蓄电池的1 1 0 左右，使用中一般不需添加蒸馏水；b 自行放电量少：c 极桩和连 接件小：d 起动性能好：e 使用寿命长。 2 2 2 v r l a 电池的充、放电原理 图2 1v r l a 电池的放电原理图 第2 章充电技术的研究 2 2 2 1v r l a 电池的放电原理 v r l a 电池的放电原理与普通铅酸蓄电池的放电原理一样，图2 一l 就是v r , a 的放电原 理图。蓄电池在放电前处于完全充足电的状态，即正极板具有多孔性的活性物质二氧化铅 ( p b 0 2 ) ，负极扳为具有多孔性的活性物质( p b ) 正负极板放在硫酸( h 2 s 0 4 ) 溶液中。 溶解电离产生电动势。正极板：二氧化铅( p b 0 2 ) 属于碱性氧化物，与硫酸( h 2 s 0 4 ) 作 用生成过硫酸铅 p b ( s 0 4 h i 和水( 2 h 2 0 ) ，产生可逆的氧化还原反应( 电离) ，即： p b 0 2 + 2h 2 s o | - p b ( s 0 4 ) 2 + 2 h 2 0 其中过硫酸铅极不稳定，它又电离成为4 价的铅离子p b 4 + 和2 个硫酸根离子2 s 0 4 2 , 即； p b ( s 0 4 ) 2 与p b “+ 2 s 0 4 2 一 p b 4 + 沉淀覆盖在正极板上。2 s 0 4 2 。溶入电解液中所以，正极板相对电解液具有+ 2 o v 的 电位。随着电离的进行电离与反电离将达到平衡。 负极板：根据电极电位原理，p b 在硫酸溶液的溶解张力作用下，2 价铅离子p b 2 + 将“跑” 到电解液中。而负极板上留下2 个电子2 e ，即： p b 每p b 2 + + 2 e 。 所以，负极板相对电解液形成约一0 1 v 的电位。随着溶解的进行，溶解与反溶解将达到 平衡。由此可见，蓄电池将产生电动势e ，即 e = 2 0 v 二o 1 y e 2 i v 当外电路接通时，在正负极板间电场力的作用下，负极板的电子2 e 。将沿着定向移动到正 极板，形成电流l f 正极板上4 价的铅离子( p b 4 + ) 得到2 个电子2 e - 变成2 价的铅离子p b 。， 即：p b “+ 2 e 一p 酽+ 2 价的铅离子很容易与溶液中的硫酸根离子结合，成为较稳定的硫酸铅，沉附在正极扳上， 即：p b 2 + + s c ) 4 2 l p bs 0 4 显然，电离与反电离的相对平衡被打破，电离又将进行。负极板上由于失去了2 个电子 2 e ，p b 2 + 与2 e 的束缚力消失，p b 2 + 很容易与另一个s 0 4 。结合，成为较稳定的硫酸铅p b s o 。， 沉附在负极板上。 电解液随着溶解电离的进行，硫酸逐渐减少，水逐渐增多。放电后，正负极板中的生成 物均为硫酸铅，电解液中的生成物为水。理论上讲，随着放电的进行。上述过程将进行到正 负极板上的活性物质全郝转变为硫酸铅，电解液全部变成水电动势减小到零为止，即完全 放电状态，但实际上是不可能的，因为电解液很难渗透到极板的最内存中去。 v r l a 电池的充电原理见图2 2 。蓄电池充电前处于完全放电状态而充电是放电的逆 反应。充电的反应物就是放电的生成物。 硫酸铅虽然较稳定，但仍属微溶性物质，微量的硫酸铅溶解于电解液中，并进行电离， 即： p bs 0 4 一p b 2 + + s 0 4 2 9 河海大学硕士论文 在外电场力的作用下，使得正极板处p b 2 + 失去2 个电子2 e 。，并沿外电路定向移动到负极 板，形成充电电流i c 。 2 2 2 2v r l a 电池的充电原理 图2 2v r l a 电池的充电原理图 正极板处p b 2 + 由于失去2 个电子2 e 碴成4 价的铅离子p b “，即： p b n 2 e 一p b 4 + 4 价的铅离子p b 与2 个硫酸根离子结合成过硫酸铅即； p b “+ s 0 4 2 - - p b ( s 0 4 h 过硫酸铅再与水作用生成二氧化铅和硫酸，即： p b ( s 0 4 h + 2 h 2 0 = p b 0 2 + 2h 2 s 0 4 = 氧化铅则沉淀覆盖在正极板上硫酸则溶于电解液中。 负极板处- 2 价的铅离子p b 2 + 获得从正极板过来的2 个电子而变成p b 即： p b 2 + + 2 e 一p b 第2 章充电技术的研究 p b 沉附在负极板上，电解液随着充电的进行，硫酸逐渐增多，水逐渐减少。充电后，正 极板中的生成物为p b 0 2 ，负极板中的生成物为p b 电解液中的生成物为硫酸。 2 2 3v r l a 电池的充电方法 从上一节我们可以得知，对铅酸蓄电池的充电不仅仅是在其两端简单地加一个电压，电 压的高低决定了其蓄电池的充电电流。大概的情况则是：在蓄电池充电的开始，因为两极的 活性物质的量比较大，比较适合用较大电流恒流充电，等到电压到达一定的程度，再改为恒 压充电。但为了更好地对蓄电池进行充电。需要根据蓄电池两端的电压的情况给出充电电流。 充电过程中，充电电流应小于或等于蓄电池可接受的充电电流，如果充电电流大于可接 受充电电流过剩的电流将以有害的负反应过程电解水消耗掉。在大量析气的状态下， 用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的t 0 ( e p 浪费的电能超过了9 0 ) 这样既延长 了工作时间，又由于产生了严重的析气使正极板腐蚀，损坏了蓄电池。长期充电不足会使得 蓄电池容量下降，造成蓄电池的早期损坏。对存放中的电池和处于潺流充电过程中的电池， 应定期进行活化充电。过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质要遭受气体的冲击，这 种冲击会使活性物质脱落；此外，正极板栅合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过 充电时会使应用期限缩短。充电过程中的温度不宜过高，否则会使腐蚀加剧。对应于铅酸蓄 电池的充电要求，并结合实际的充电要求。目前常用的为以下两种充电方法： 第一种充电方法为三阶段充电法，首先对蓄电池以恒流方式充电。为了避免产生剧烈的 化学反应而影响寿命，电流额定值一般由生产厂家规定为： i = 0 1 c o z l 式中卜蓄电池组的容量，即0 1 倍率充电制 因为充电电流i d 、充电电压u d 、蓄电池反电动势e 和充电回路总电阻( 主要是电池电阻) r 之间具有以下关系： 厶= 池一e ) r ( 2 - - 2 ) 而且回路电阻r 一般保持不变，电池反电动势e 变化缓慢，因而，在某一时刻，改变充 电电压u d 也就改变了充电电流l d 。随着充电的继续，反电动势不断升高充电电压也需不断 升高。当电池电压升至均充电压乃( 一般取2 4 0 v ，单体) 时。充电过程进入第二阶段，即以固 定电压u d l 进行恒压限流充电。随着充电的进行。充电电流也随之逐渐降低。当充电电流降 低到浮充电流扛时，电池已基本充满，其中： ，。= o o l c o z j 这时开始计时，再充3 h ( 时间可由用户设定) 后，电池就基本充满。为了补充蓄电池的自 放电所损耗的电能。装置转入浮充阶段，即以电压u d 2 进行恒压充电。这就是所谓的三阶段 充电法。 第二种充电方法为四阶段充电法。这种充电方法比较高级是目前用到的充电方法中较 河海大学硕士论文 好的一种充电方法。其四个阶段如图2 3 所示。 图2 - - 3 四阶段充电方式的示意图 第一阶段，以i b l 恒流充电，当电压达到e b l 时转入第二阶段。第二阶段以电压e b l 进 行恒压充电，随着电池电压的提高，电流会逐渐减小，当充电电流达到i b 2 时转入第三阶段。 第三阶段以i b 2 恒流充电，这时电池电压进一步提高当电压达到e b 2 时转入第四阶段。 第四阶段以e b 2 僵压充电，直到电池充满为止。相对于三阶段充电方式，四阶段充电方式对 蓄电池两端电压及其电流分的更仔细，更接近于蓄电池的充电特性，其充电效果明显要好一 些。 以上的两种充电方式都遵循了同一个原则，即一开始的充电电流比较大，随着充电的进 行，端电压不断升高，充电电流越来越小。但以上两种充电方式对充电电流的划分不够精确， 下面归纳出了一种更为合理的充电方式。 因为一开始蓄电池的端电压比较低，也即蓄电池两极的活性物质比较多，比较适合用比 较大的电流对蓄电池进行短时间的恒流充电，但随着充电的进行蓄电池端电压的上升，两 端活性物质的减少，充电电流应该减小。而充电电流的大小则由蓄电池两极的活性物质决定。 而蓄电池两极的活性物质的多少与蓄电池的端电压有直接的关系。从而建立了蓄电池的充电 电流与其端电压的关系。即当端电压比较低的时候，其充电电流比较大，端电压比较高的时 候，其充电电流则比较小，但也不是简单的线性正比例关系。同时采集蓄电池的温度，因为 在相同的蓄电池端电压，不同的温度下，其充电电流不应相等，要进行温度补偿。温度比较 高的的时候，充电电流应该相对比较小温度比较低的四时候，充电电流应该相对比较大。 其详细的情况则在第五章的智能充电方式里有介绍。这种根据蓄电池的端电压给出蓄电池的 充电电流的自动变流法就是本论文介绍的智能充电方式，主要是通过软件来实现，其详细的 软件介绍也在第五章。 2 3 蓄电池的容量检测方法4 1 目前，电力系统中蓄电池的常用检测方法就是平时测量单体电池的端电压以及每年进行 的容量核对性放电。但平时浮充状态下的电池端电压测量本身并不能真正完全反映电池的性 能状况，即使性能变差的电池在浮充时也能测得合格的端电压；而一旦停电须放电时，该电 12 第2 章充电技术的研究 漶裁可能无法保证事敝靛态下筋藏宅要求，蔽稀扩大事故范萄。掰敛经常检测电滩豹容餐菲 常霄必要。由于电池的容量与电池内阻存在密切凰有规律的关系，一般丽吉，电池的容量越 大，蠹隧就糖，j 、，西藏可鞋逶过蓄宅穗海疆豹浏鬣，对毫涎静容量避行在线评估。 内阻测鬣是一个比较复杂的过程，目前常见方法主要有；密度法、开路电压法、直流放 电浚饔交流法。 密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用予开口式鼬酸蓄电 遗麴瘫疆嚣鬃，显然不逶台v r i , a 奄法豹容量硷溅。开爨龟压法楚透过溺蠢薷龟拖酌漆电压 来估葬蓄电池内阻，耩度很差。直流放电法就悬通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池 主熬瓣闻电援降，遥j 窭黢舞定律赞募警蔫奄涎蠹辍，这静方法在实蔑孛褥戮广泛瘟瑙，毽壹 流放电法依然存在如下缺点：( ”必须程静态或脱机的情况下进行。无法实现在线测避。( 2 ) 丈蠢蔽电会对蓥奄滚洼藏较大援害，( 3 ) 嚣要一令电疆鞫：较毽定懿大负载。 交流法则是通过对电池注入一个低频交流信母，测出鬻电池两端的低频电压和流过的低 鬏毂滚良及舞者戆楱袋差，获蠢毒 算电溉熬蠹疆。交流法拳要灸交流交攘法，冀嚣璞懿下： 交流变频测量法感先对电池注入一个幅值恒定且频率相对较离的低频交流电压信号测 出漉逑藿邀漶静 囊藏彀濠蕊，将其与系缓设定谴笼较，警旗漉毽 羲子竣定餐瓣适当弑枣抵藏 电压信号的颓率。以削弱直流系统分布电容的分流作用。当低频电流值高于系统设定值时， 涮爨藿裁跑瑟端懿低羧交滚电聪睡度和凌过熬撩频交滚电凌疆黢i s 驳及嚣者静穗佼差a ， 根据公式z - - w i ，r = z l c o sa ，从而计算出电池的等效电阻，萁中系统设定值与廑流系统分布电 容懿大，l 、毒关，设冬璇矮安装瓣逶遘谡试臻定。 从以上可以看出，交流变频测量法舆有很多晟著的优点如：能消除直流系统分布电容 懿影响，体鬏，l 、，对奄涟秃接霉，逶台凌线快速测量，搜黢狯揍兜蘸等。农这量捷如了交溅 变频测量法的思路和方法，但本充电机的功能不包含容量检测功能。关于容量检测则是由导 瓤所研剿的誊漉监控援来完成，本竞电瓤是与导j | | l 豹监控壤聚套傻蕊致。， 内阻测黛法需要注意的是：蓄电池的内阻一般都很小如果连接导线与鬻电池的两极接 魁不是t 测褥的内阻镶差藏缓太。所淤凌枣联戆嚣毫洼缝孛，接皴一定要好。聚鐾宰餍： 诗霎 蓄电池容量的c p u 的a d 分辨牢一定要高，c p u 的计算能力也一定要强。 遁过诧牵瓣套绍，我髓了瓣烈了蓄魄渣毂充艘电原理、器量检测方法及戳往戆竞瞧右洼， 同时归纳出了种有利于延长蕾电池使用寿命的智能充电方法。 l3 河海大学硕士论文 第3 章充电装置的硬件设计 本章是论文的重要部分，介绍的主要内容如下：主回路及其工作的情况，介绍了变流器 处于整流和逆变两种情况下的运行情况：控制回路及其工作的情况，介绍了控制回路的硬件 电路：通讯回路硬件电路及其工作的情况。 3 1 主回路的硬件设计 充电装置采用可控硅三相全控桥整流电路具有整流和逆变切换的功能如图3 1 所示。 主回路主要由以下几个部分组成：1 交流接触器、保险丝和主变压器z b ：2 谐波抑制 部分：3 变流器和交流器本身的谐波吸收回路部分；4 由电抗器、电容组成的直流滤波部分， 由电流分流器组成的电流取样、充电电压取样部分，以及整流逆变切换的开关等器件组成。 其中主变压器既起到隔离和改变输出电压的最大范围的作用，又起到谐波抑制的作用，交流 接触器则起到输入过流保护作用，如果仅用保险丝则保险丝被烧坏之后需要更换；谐波抑制 部分由串联在变流器交流输入回路的电感和并联在变流器的交流输入端的多组串联l c 电路 组成，每阻l c 回路滤除不同频率的谐波；变流器则是由大功率晶闸管和相应的谐波吸收电路 组成：直流输出部分的两个大的电抗器主要起抑制脉动电流的作用，两个保险丝则起到输出 保护的作用，雨4 个开关则起到逆变和整流切换作用。分流器则将充电电流转化为控制回路 能采集的电压信号。 z 蓟：茧： 黼 一、 m 口一 【 姗 。一 l 碧t ” 目碟 - 一 = 一1 1 j l 一 口 “ 旃：孙搿 234 图3 1 装置主回路电路图 在这里需要注意的是：本装置采用的是三相全控桥整流电路，在相同的输入电压情况下， 比三相半控桥有更大的输出功率，输出纹波相对比较小。根据本装置的输出功率来设计，如 果采用三相半控桥，则晶闸管的耐压值则需要提高一倍。变压器的匝数比也需要提高倍， 成本不仅没有降低还提高了。而没有采用1 2 相整流是因为相对于本装置需要达到的输出功率， 1 2 相整流的成本太高( 变压器的成本高，需要的晶闸管的个数是三相全控桥的二倍) 。 14 第3 章充电装鬣的碗件设计 3 1 1 主磷路串元件兹参数确定 ( - - ) 变渡接触器鲍选戮，交溅竣八事联了一个交漉接融嚣，箕主要穆建是辕入过滤的 时候能够起剁保护跳闸的作用。在此装鬣中，交流接触器涟1 0 0 a 等级的。即当输入电流超过 1 0 0 a 娃鑫，交滚接燃器就会被控割跳阅。 ( - - ) 根据电池充电的墩高电压确定变压器的变比( 变压器的输入为3 8 0 v ) 。在此装置 中，变压器鹅接线方焱为为a ￥型，这襻变压嚣的= 次绕缀输出电压￥与变压器竣一次绕缀 输入电压u m 是同相僦，当为3 8 0 v ，变压器的匝数比为1 ：1 则变压器的二次输出相电压 u v 剐戈3 8 0 v ，线电燕u v w 则必4 s 3 8 0 v 。震对于三褪垒辑整濠电路，感瞧受载( 魏邀跨霹 以餐成是感性负载) 其输出电滕u d 的计算公式如下： 左 u a = 2 1 1 7 u 2 c o s a = 2 3 4 u 2 c o s 掰=u 2 l c o s g - - - - - i 。3 5 u 2 l c 0 $ 掰 、，3 式中u 托先变压嚣二次绕缀辫线电鹱鸯效毽。两对于n 燕，我# 】不韪取瓣太小，嚣为走，l 、 的时候，容拐引起换相失败，缀不稳定。所以我们一般将a 角的最小值设为1 5 度，设电池充 电电压的最大使为u m 双，再为此蜜一点余地，则输出电燕u d 魄最大值应凳1 0 5 x u m a x ，魇 以u 2 l = i 0 5 x u m m 4 1 3 5 c o s l 5 。而变压器的原边绫电压u 为3 8 0 v ，同时存在十，一1 5 的波动， 所以在计算变压器的变比时，照边的电蹑u 应必3 5 0 x ( 1 一1 5 ) 面变压襁的变比则为： n = ( 1 0 5 x u m a “1 3 5 c o s l 5 ) 4 3 x 3 8 0 ( 1 - 1 5 ) 】 毙热，零克电装鬟瓣充电瓣象戈壶2 5 0 节z 2 5 v 豹蓄嗽池缀戏瓣蓄亳逮缎( 誊逄滚缒最燕 充电电压一般取2 ，4 v ) ，则u m a x = 2 5 0 * 2 4 = 6 0 0 v 。变压器的一次绕组输入电压为3 8 0 v ，则 n = ( 6 3 0 1 1 。3 5 c o s t 5 班l 。7 3 2 * ( 3 8 0 * 9 5 9 铋哟8 6 ，取0 , 9 。鞠婪变燕器骢次绕缀辕入线壤匿为蓬 常的3 8 0 v 交流时，变压器的= 次绕组输出线电联为5 7 0 窝流输出。 除7 确定变压嚣的交比之拂，我们还要擐攥变漉器嬲最大输出凌率确定交匿嚣垂冬容量。 当变流器的煨太输出功率为p m a x ，则我们的变聪器的最大容量应为1 2 p m a x 。在此装置中 最大输出功零为6 0 k w 。所跌蹩压器静娥大容量列先7 2 k w 。 ( 三) 根攒变流器的最大输入电压，也即变联器的最大副边电压，和变流器需要输出的最 大电滚，我们可以确定晶网管躯选型参熬。主要瓣参数为趱压菹帮瓣涟篷，当最大辕入电压 为u f m a x ( 有效值) ，最大输出电流为l s m a x ( 有效值) ，则晶闸管承受的最大正向电压为 4 2u f m a x ，承受蛉擐犬反鑫毫匿为2 4 3u f m a x 。考露割毫喇熬港渡，爨铁取磊滴管羲芷 向耐压值为2 u f m 找，葳向耐联值为3 u f f 嫩l x ；耐流值为1 5 1 s m a x 。 ( 霆) 拜美s 、s 2 、s 3 、默在手动选择怼，簧 j 遮蠲霹遴遘1 0 0 a 逸涟转嚣荚。蘩暴震要遴 过髓控机选撵，则选用能通过1 0 0 a 电流的继电器。在本装置的实际运行过稷中，因逆变的功 能浚枣耀裂+ 是是在零论文申敲一些探 譬。爨鞋燕手逶避簸控撬采控裁缝惫器懿一整设诗窀 路都没有设计。 ls 河海大学硕士论文 3 , 1 2 主回路的工作原理 电路的工作原理如f ：当蓄电池处于充电状态，即将开关的s l 和s 2 闭合或者通过控 制回路的单片机控制使s l 和s 2 闭合，此时变流器处于整流状态，我们通过相应的控制回路 将n 角控制在o a “2 的范围内，通过控制回路改变c t 角的大小而输出所需要的充电电压。 当蓄电池因为活化需要放电时，为了不浪费电能，也为了放电的方便，我们将开关s l 和s 2 断开，s 3 和s 4 闭合，使电路处于逆变状态，同时通过控制回路将角控制在n 2 acn ( 即 0 b 2 的时候，输出电压也不是等于零，也就是 n 2 d n ( 即o 0 2 ) ，不一定是工作在逆变状态。所以在当变流器处于逆变状态下，我 们选择的1 3 不能太大，而如果逆变角太小的情况，换相的裕量角不足容易引起失败。当充 电装置处于逆变运行状态时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管形成短路， 或者说变流器的输出平均电压和直流电动势顺相串联。由于蓄电池的内阻很小，从而容易形 成极大的短路电流，这种情况就是所谓的逆变失败。为了防止逆变失败，我们在下面简单介 绍一下逆变产生的条件和逆变失败的原因： 逆变产生的条件：首先是将图3 一l 的开关s l 和s 2 断开s 3 和s 4 闭合，即提供了一反 相的电动势e m ，即蓄电池的电压。而此时变流器的输出电压u d 的极性也应该反过来，这时 从电路里我们得到输出电流i d 爿e m - u d ) r e ( 此时u d 为绝对值) 。此时电路内电能的流向与整 流时相反，蓄电池输出电功率，电网吸收电功率。因为逆变的内阻r e 的值很小，所以为了防 止过电流，同样应满足u d 稍微低于e m 的条件，e m 的大小取决于蓄电池的电压，相对比较 固定。而u d 可通过改变a 的大小来进行调节，由于逆变时u d 的极性为负，故d 在逆变的范 围2 d ( 即0 b 2 ) 内。因此逆变产生的第二个条件就是n 1 2 2 ，3 。 逆变失败的原因很多，主要有下列几种情况： 1 触发电路工作不可靠。不能适时地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使 晶闸管不能正常换相。使交流电源电压和直流电动势顺相串联，形成短路； 2 晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力或在应该导通期间。器件不能导 通，造成逆变失败； 3 在逆变工