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智能控制及可视化技术在充电机中的应用研究 摘要 本论文介绍了作者在总结公司多年设计、生产电动系列叉车的基础上，根 据用户对于高性能、高可靠性智能充电机的需求，在大量的技术调研及用户走 访的基础上研究和开发电动系列叉车用高性能及高可靠性铅酸蓄电池智能充电 机的若干成果。主要包括：介绍了蓄电池智能充电机的工作原理、结构组成以 及硬件设计，根据铅酸蓄电池的充放电特性，采用微机控制的智能充电方法可 以使充电过程较好地模拟最佳充电曲线；以i n t e l 公司8 0 c 1 9 6 k c 高性能单片机 为控制核心设计的可控硅数字触发器，可以简化硬件电路的组成，并可提高控 制精度；将数据库技术及可视化技术应用到智能充电机中，创立以w i n d o w s 2 0 0 0 系统及v b 语言编程的可视化操作界面，便于设定和修正充电参数、存储 和检索充电信息，从而有利于进一步提高了对充电机的管理和控制能力，延长 蓄电池使用寿命，降低使用成本。 关键词：电动叉车充电铅酸蓄电池数据采集数字触发器可视化技术 r e s e a r c ho f i n t e l l i g e n tc o n t r o l a n dv i s u a l t e c h n o l o g ya p p l y i n g o nc h a r g i n g e q u i p m e n t a b s t r a c t 1 1 1 i st h e s i si n t r o d u c e sa u t h o r ss e v e r a la c h i e v e m e n t si nr e s e a r c ha n d d e s i g no f t h ei n t e l l i g e n t c h a r g i n ge q u i p m e n ta p p l i e d f o rt h ee l e c t r i c i t yf o r k l i f t ，b a s e do nt h e c o n s u m e r s d e m a n da n dan u m b e ro fi n v e s t i g a t i n ga n d r e s e a r c h i n g t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l e s ，s t r u c t u r ea n d t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h el e a d - a c i db a t t e r y a r ei n t r o d u c e d o nt h eb a s i so f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o p e r t yo f t h e m a i n t e n a n c e f r e el e a d - a c i db a t t e r y ，i ti sp o s s i b l et h a tt h ec o u r s eo f c h a r g i n gi m i t a t e s t h eb e s tc h a r g ec u l w e sw i t ht h e i n t e l l i g e n tc h a r g i n g m e t h o do f t h ec o n t r o lo f m i c r o p r o c e s s o r s e c o n d l y ，o n t h ec o n d i t i o nt h a tt h e8 0 c 1 9 6 k c m i c r o p r o c e s s o r i si nt h ec e n t e r o f t h ec o n t r o l ，t h et h y r i s t o rd i g k a lt r i g g e rs i m p l yt h ec o n s t i t u t i o no f t h eh a r d w a r e c i r c u i ta n d i m p r o v e s c o n t r o lp r e c i s i o n l a s t l y ，m a k i n g u s eo f t h ed a t a - b a s e t e c h n o l o g y a n dt h ev i s u a lt e c h n o l o g y ，t h i s s y s t e mc a n s e to ra d j u s tt h ep a r a m e t e r sc o n v e n i e n t l y ；c a ne n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f k e e p i n g o rs e a r c h i n gt h ec h a r g i n gi n f o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tw i l li n c r e a s et h e a b i l i t yi nm a n a g e m e n t a n dc o n t r o l l i n gf o rt 1 ec h a r g i n ge q u i p m e n t , p o s t p o n e t 1 1 e i ，e a d 。a c i db a t t e r i e s l i f ea n dd e c r e a s et h ew h o l e c o s t k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cf o r k - l i f tt r u c k c h a r g e t h el e a d - a c i db a t t e r y d a t a a c q u i r ed i g i t a lt r i g g e r v i s u a lt e c h n o l o g y 合腿工业大学 本论文经答辩委员会全体委受窜鲞，确认符合合怒王照大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 3 1 作单位、职称) 主席勘章龄力只对蜊艇刁 表3 表4 表4 表4 表4 表4 表格清单 可控硅触发字码表2 9 蓄电池参数表4 1 标准充电衄线数据表4 7 实际充电衄线数据表4 8 试样分析结果数据表4 9 坐标系5 1 插图清单 图1 1蓄电池的最佳充电曲线2 图2 1 铅酸蓄电池放电过程1 0 图2 2 铅酸蓄电池充电过程1 1 图2 3 铅酸蓄电池的充电特性图1 3 图2 4 铅酸蓄电池的放电特性图1 4 图2 5 蓄电池充电的温度特性1 5 图3 1 初充电模式2 0 图3 2 正常充电模式2 1 图3 3 均衡充电模式2 2 图3 4 控制器结构框图2 3 图3 5 电压数据采集回路2 4 图3 6d s l 8 8 2 0 引脚结构图2 6 图3 7 同步电压波形图oo 2 8 图3 8 同步电压产生电路2 4 图3 9 同步脉冲产生电路3 0 图3 1 0 外部中断服务程序3 1 图3 1 l 脉冲输出电路o o 3 2 图3 1 2 过压保护电路o o 3 3 图3 1 3 过热保护原理图3 3 图3 1 4 充电机串行通信电路图3 4 图3 1 5 系统软件方块图o o 3 5 图3 1 6 主程序流程图3 6 图3 1 7 软件定时器中断服务程序流程图3 7 图3 1 8p i d 算法的基本方块图3 9 图4 1 系统结构框图4 2 图4 2 接收数据流程图5 0 图4 3 绘制坐标系函数数据流程图5 2 图4 4 进入系统界面5 3 图4 5 用户系统界面5 4 图4 6 串口参数设置界面5 4 图4 5 用户系统界面5 4 图4 7 实时充电电流曲线界面5 5 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师揩肄下进行的研究工僚盈取得的研究成鬻。据 我所知，除了文中特别加戳标意和致谢的地方井，论文中不包含其他人已经发表或撰写过豹 研究成果，也不包含为获得金e 曼兰数塞堂溅其他教蠢机构鲍学位或谨书霹使用避的材 料。与我一同工作的同志对本研究所馓的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文撑黄签字磊谤铲字日期：够月墨。奠3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 鳇王些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名乏易琴 导师签名： 学位论文作者签名：；易万琴 导师签名： 签字日期：年月印t 讨签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 乏 k 电话 邮编 致谢 本文麓在尊敬的导师王浩教授的糟心指导下完成的。感谢移鄢百忙之中獭出 宝贵时间对我的悉心指导。是导师渊博的知识、严谨治学的态度和无私的奉献精 棒不瑟懿痿发我、激瀚我，捷我最终宠残我豹论文。今螽籍燕嵇努力，不甄逡敬， 不负导师的指导和帮助。 懑瓣蜜教台力黢徐有限公司然恚整工程薅及潮浇东褰缀王稷疼等在专簸翔 识上的悉心指导，使我少走了不少帮路，并丰富了知识面。 本文霉l 翅了有关文黻和相关翡谂遽、图表衣数据，在挖囱所露终者表示感谢e 论文的完成，离不开计算机与信息学院、研究生部的领导和老师的支持，更 凝聚着班主任章昌时老师的心血，几霉寒章老师谯生活上对我们关怀备至，农学 习上为我们创造良安子的环境，当信心不足时鼓励我，在停滞不裁时敦促我。为此， 我表示最簸心的感谢。 最麓，感落_ | 莠青巍我玫读在联磷究生籁闻帮麓过我豹簇等、麓事帮亲入，以 及在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的释位专家和老师们。 终考：夏万军 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 牵引用铅酸蓄电池智能充电机的研究背景 1 1 1 蓄电池叉车的广泛应用 早在六、七十年代，西方经济发达国家为了保护环境就已经开始研制各种 各样的绿色能源来代替汽油和柴油，但是，受到蓄电池、电控等关键部件的性 能、寿命以及高性能的充电设备等的制约，一直未得到长足的发展。到了八、 九十年代，由于大容量、长寿命蓄电池的大批量生产及大功率晶体管的研制成 功和计算机应用技术的广泛应用，使绿色能源得到长足进展。近期，戴母勒一克 莱斯勒和壳牌公司声明他们将在冰岛首先实现绿色能源计划，其中就包含大量 电动汽车。而作为非常重要的起重搬运设备，蓄电池叉车的发展也非常迅猛。 随着国际、国内对环保要求的越来越高，对内燃搬运车辆的排放要求也越来越 高，这样，对绿色能源的需求越来越迫切，北京奥运提出“绿色奥运”的口号， 因而蓄电池叉车作为主要运输工具也就成为必然，一些对环保要求较高的部门 如：化工、邮电、食品等行业的物流运输也要求无污染，电动车辆的动力源一一 牵引蓄电池的需求也就越来越大，在欧洲一些发达国家，如德国、瑞典等一些 国家的蓄电池叉车的产销量已超过内燃叉车，在美国加州，电动车辆则占有百 分之八十的市场份额，而且这种比例将越来越大。 1 1 2 充电技术的发展概述 对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法有恒流充电和恒压限流充电a 这两 种充电方式的特点及存在的问题如下： ( 1 ) 恒流充电 充魄时自始自终以蠛定不变的电流进行充电，该电流可以通过改变可控硅 的导通角来调整，这种方式实现起来眈较方便，菊于骰捌。这种充电方法特剐 适合于由许多电池串联越来的嚣电池组。当蓄电池组中有个别电池电压、电解 液密度偏低，全缀电涟产生差剐辩，琵侵蓄电涟维中个莠l 落后毫漉遴荦亍宠全充 电，恢嶷其容量，这时最好用小电流长时间的充电模式。 毽滚充电方凌的不麓是：舜戆充电狯羧窀滚怒夸，在兖电中嚣豢毫瀵又_ 遘 大，整个充电时间一般在1 5 h 以上，析出气体多，对蓄电池危害较丈，能耗高( 充 惫效率低予8 黝。镶酸繁邀洼不蹇采建这秘方式。 因此，人们在恒流充电方式的基础上进行了改进，即采用恒流限压充电方 式。戈避免过充邀，在充电器裳溪援疆援接藏，鹱小充敷电流，避兔损螺瞧池。 ( 2 ) 恒压限流充电 恒压充电初期充电电流很大，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。随着蓄电池端电 压升高，充电电流会自动下降，所以析气量少，充电时间较长，能耗较低( 充 电效率可超过8 0 ) 。它的缺点是：充电初期，如果蓄电池放电深度过大，充电 电流会很大，不仅危及充电机的安全，也可能因过流而损伤蓄电池：如果充电电 压选得过低，后期充电电流又过小，充电时间长；此外蓄电池端电压的变化也 很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。为了弥补恒压充电 的不足，在恒压充电的基础上进行了改进，当充电电流较高的时候( 如电池严重 亏电、漏电、负荷过重等) ，这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值 而使电压降低，待电流降低、电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含义。 单独采用恒流充电和恒压限流充电等模式对铅酸蓄电池进行充电，蓄电池 的充电效果不是很理想。一方面这些充电方法充电时间过长，不能适应现代生 产和生活的需要。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的特殊要求，会严重影 响蓄电池的使用寿命。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。统计数据表明，国内搬运机械用牵引蓄电池的平 均寿命为3 年( 可充7 5 0 次) ，国外同型号牵引蓄电池寿命一般为6 8 年( 可充 1 5 0 0 2 0 0 0 次) ，如果充电质量不好以及用户使用维护保养跟不上，许多电池 在使用1 2 后即报废，造成很大的经济损失( 3 吨叉车用8 0 v5 0 0 a h 蓄电池价格 在2 万元人民币以上，占到整机价格的2 0 ，国外同容量蓄电池价格则为国产蓄 电池价格的2 3 倍) 。因此，充电质量的好坏，直接影响到蓄电池的技术状态及 使用寿命。 在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 和研究，并提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如图 1 1 中的曲线a 所示，实验证明：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，我们就把这条充 电曲线作为最佳充电曲线。 图1 1 蓄电池的最佳充电曲线 2 在实际工作中，蓄电池的最佳充电曲线并没有一个很明确的定义，它只是 人们在对蓄电池的研究过程中总结出来的一个概念。随着蓄电池及充电技术的 进一步发展，考虑到综合因素的智能充电曲线得到了长足的发展和完善，如目 前国外大部分充电机均采用更科学、更合理的w a 、w a w o 、u i u 等充电曲线，进 一步提高了充电效率，且大大延长了蓄电池的使用寿命。 1 2 国内、外牵引用铅酸蓄电池充电机的技术水平、现状及发展趋势 随着蓄电池叉车的迅猛发展，对充电机的要求越来越高，从开始的单纯充 足，到目前的延长蓄电池寿命，减少能源消耗，充电机的功能已发生了质的飞 越。现在国外已研制成功只要用一小时就可充满蓄电池的大功率充电机，在体 积上也越来越小，现在最小的大功率充电机只有一只书包大小。 目前，国内常用的电动叉车用的充电机主要有相控式和高频开关电源式两 种。相控电源是较传统的直流电源，它的发展历史较长，技术比较成熟。它将 市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变可控硅的导通相位角，来控制整 流器的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，体积比较庞大， 价格相对较低。它的缺点是功率因数低、谐波较高、对电网的影响较大。 由于可控硅的可靠性较高，它所承受的功率可以做到很大( 几千伏，几百安 培) ，而发热量比开关电源所用的功率管小，因此，在发电厂、变电站等大功率 场合仍有较多的应用。当整流负载容量较大时也应采用对电网来说比较平衡 的三相全控桥整流装置。 开关电源在我国的研究发展比较晚，因其体积小、动态响应速度快、输出 纹波小、效率高等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、 电力等领域中，己经得到了普遍的研究与使用。但相对于相控电源来说，它的 价格比较高，而且功率器件的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场 合，相控式的充电机仍然占有较大比重。 嚣鏊努枣场大部分兖篷裁堙浆轰l w a 、w a w o 、u & u 等宠电夔线方式，兖毫 方式更科学、合理，从丽大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维 护成本，麓纯了炎电过程，辫放了操捧人员艴劳动强度，市场翦爨嚣拳广阔。 近年来，国内外人士正致力予充电机的智能化研究，智能化程度较商的充 电虮鳃决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充魄电流贻终与 可接受充电电流僳持良好的匹配关系，使充电过穰始终在簸佳状态下迸褥( 觅国 1 - 1 ) ，比常规充电模式可节约电鼹3 0 5 0 左右，提高了充电质量和效率，充电 工入哭搀任辅助链工律，为充电技术帮轰电设备翡智髓像发展闯露了一条新路 【l 】【2 j 【3 】【4 】。 1 3 立项的必要畿及可行性分祈 本次立项秀发兹锻羧蓄电池宠电器，主要为嚣逛池系列叉车配套。髓羞国 际、国内对于环保要求的进一步提高，对于蓄电池叉车需求量逐年大幅提高。 而作为本公司重点项目的蓄电池系列叉车产、销量逐年上升，蓄电池充电器需 求也逐年上升，且需求量越来越大。虽然国内蓄电池充电器生产厂家众多，但 产品技术含量不高，质量普遍不过关，都存在这样那样的问题；而国外的充电 器价格昂贵，大约是国产的2 3 倍，且产品维护、维修方便性差，成本高，国 内用户接受能力较差。鉴于此集团公司决定自行系列开发l 3 吨蓄电池叉车配 套充电器，为集团公司增加新的系列产品，增加新的经济、利润增长点。 在开发该系列产品中，我公司具备以下一些优势： ( 1 ) 我公司生产蓄电池叉车已经有l o 几年的时间，并已形成大批量生产， 且在产品的数量、品种、质量、技术先进性等方面均居国内市场的前列。 ( 2 ) 拥有国内叉车行业首家国家级技术中心，并拥有雄厚的硬件与软件设 施，较先进的设计与工艺手段。我厂拥有各类计算机七、八十台，用于辅助设 计、工艺、制造、管理，以提高产品设计、研制速度和质量。 ( 3 ) 拥有研制充电机所需的先进设备。我厂拥有快速成型机，数控折弯机 等一系列先进设备。所有这些都为研制充电机制作优美的外形提供了可靠的保 证。 ( 4 ) 随着国家在环保方面的管理力度加大，特别是这次“人大”会议对“燃 油税”的确定，必然导致汽油价格上涨，从而使电瓶叉车产量急剧提高，伴随 着充电器的市场也会越来越大。 ( 5 ) 我公司有丰富的生产力，有的部门任务不足，生产充电器，可以为这 些部门提供一个新的利润增长点。 ( 6 ) 我公司拥有淄博蓄电池公司、中科院英科智控公司等成熟的关键零部 件配套厂家，可以提供强大的技术支持和服务。 ( 7 ) 我公司有庞大的销售网络，对于产品的销售与服务提供了充分的保证。 综上所述，我公司有足够的技术，设备和人员完成这项设计和研制任务， 并使之达到国内先进水平。 1 + 4 本文豹工作及论文缎织 本论文针对用户需要高性能智能充电机，以及延伸我公司蓄电池叉车用充 魄爨等系残产晶，设诗一个兔维护碧戆他莛痉较巍麴镪羧蓄电渣突电掘，并对 充电过稷的控制方法及可视化方面进行研究。 本论文的圭鼹遗容安摊如下： 第l 章绪论 介缨蓄电池义车用锶能充电枫的研究背景及国内外相关产品的技术水平及 发展趋势，并对该项爵的可行畿分柝作了简单介绍。 第2 章牵引用铅酸彗电池的工作原理和特饿 介绍了蓄电池叉举用铅酸蓄电池的特点、充放电特性及其工作原理，并对 蓄电池的充电终止控制方法进行了探讨。 第3 露餐齄控翱系统凌诗 介绍了数据采集电路的设计及微机智能控制的主回路和控制回路的设计方 案，采用以i n t e l 公司8 0 c 1 9 6 k c 单片机为控制核心设计的可控硅数字触发器，可 以大大简化硬件电路的组成，并可提高控制精度。这种充电方法可以很好地模 拟蓄电池的最佳充电曲线，并设计系统的智能保护系统设计。 第4 章可视化技术在智能充电机中的应用 介绍了可视化技术在智能充电机上的应用：采用可视化技术、数据库技术、 计算机图形学等学科知识及可视化语言( v b 语言) 等将智能充电机的参数设置 和修正、充电过程记录可视化，并可查询和分析，进一步总结充电过程中存在 的问题，不断解决蓄电池等方面存在的问题，大大提高蓄电池使用寿命，降低 用户使用成本。 第5 章结束语 总结了本文的主要工作以及存在的问题，提出了进一步改进的设想。 第二章牵引用铅酸蓄电池的正作原理和特性 零潆遮磅究熬主要慰蒙是蓄惫滚叉车霪牵萼；锈酸蓄宅逮。为了更磐鹃壤瓣 我们所筒对的研究对象，需要介绍一下铅酸蓄电池的工作原瑗、基本概念以及 它们所具有的一些特性。牵引用铅酸蓠电池主要用于工矿企业、仓库、码头及 车站等场掰使用的蓄溆池叉车、搬运擎等作为意流电源，亦霹终必其它方磁戆 配套电源。蓄电逶在谈用对，是出瀚一型号静魄波犟俸按照簸定的数量秘一定 的方式连接成电池组来使用的。由于牵引蓄电池特殊的使用环境和使用要求， 决定了其必须具有高比能、长寿命、良好的抗冲潞性能、较好的均衡性等特性， 著虽易予缳护保养。 2 1 铅酸蓄电池的基本概念 由于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 本课题，本节将简要介绍铅酸蓄电池有关的一些知谢5 】【6 1 【7 】【8 】【9 】。 ( 1 ) 蓄电池容量 蓄电池容量是指在一定条件下可以从蓄电池获得的电量( 用c 表示) ，单位 常用安培小时( a h ) 表示，是蓄电池性能的重要指标。容量分为理论容量、实 际容量和额定容量。 理论容量( c n ) 是假设活性物质全部参加放电反应给出的容量。 实际容量( c ) 是在一定放电条件下蓄电池实际放出的容量。 额定容量( c 。) 是在设计和生产蓄电池时，规定或保证在指定的放电条件 下蓄电池应放出的最低限度的电量。 蓄电池容量除了与极板表面进行的电化学反应的物质数量有关外，还与极 板表面活性物质的利用率、孔率、极板厚度、极板的表面积有关。此外还受电 解液密度、温度、放电条件( 即：充电程度、放电率等) 、蓄电池新旧程度等影 响。在使用过程中，容量受放电率、电解液温度的影响是主要的。当放电率较 小，电压下降缓慢，蓄电池实际放出的电量较高，当放电率变大时，电压下降 变快，蓄电池实际放出的电量较低。在一定范围内，电解液温度高，蓄电池的 活性增加，内阻变小，容量变高，电解液温度低时，蓄电池的活性降低，内阻 变大，容量降低。 ( 2 ) 蓄电池的内阻( ) 内阻( ) 又称全内阻，是指电流通过蓄电池时所受到的阻力，包括欧姆 电阻和电化学反应中电极极化产生的电阻，即： 5r 。+ r ， 公焱2 1 欧姆电阻( r 。) ：包括电极材料、电解液、隔板等组成的电阻。还与电濑 的尺寸、漩配、结构等因素有关。 援纯瞧錾( 囊，) ；毽摇蓄窀涎馒震过程孛泼蒺强纯纛毫玩学扳鬃二产生靛泡 阻之和。主聂与电极材料的本性、电极的结构和制造工艺以及使用条件等因索 有关。 内阻越小，在同样的放电条件下，可以消耗较少的电能，输出较多的电能， 提高电能利用率，从而提高蓄电池性能。 ( 3 ) 充电速率和放电速率 为了瓣不同容量的瞧漶加以比较，藿电池载充电电滚不周电漉鲍绝对毽来 表示，面鼹用电池的额定容量c k 和放电时间t 的眈来表示，称为电池的充电涟 率或放电储翠。国家标猴规定，牵引用铅酸蓄电池的额定容量按5 小时连续放电 寒表示，帮e ；，铡摇个额定容量g 失5 0 0 a h 熬魄逡，充电5 枣鬟重嚣，毫涟究 全充满，则它的充电电流为 ，一e 5 - - - - 0 2 g 似) 公式2 - 2 即它的充嗽速率为0 2c 5 ；若用l o 小孵就达到充满状态，则它的充电电流为 i ；墨1 0 = 0 乞搿) 公式2 3 即它的充电速率为0 1g 。 放电速率的描述和充电德率相同。 ( 4 ) 充电终止电压和放电终止电压 蓄电池充足电时，极板上的活性物质己达到饱和状态，再继续充电，蓄电 池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。 放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压 后继续放电，电池两段电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久 性损害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。 ( 5 ) 电池的过充电 当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，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 对电池的损害。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 会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使 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。这 是因为电池在低电流过充电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。 ( 6 ) 魍池的极化糯象 密予蘩毫渣走隧势不是楚电阻，疆臻著毫渣瓣滚电压遣与菸它毫源有搿不 同。该值暂蓄电池的文作状态有关，它一般有三种状态的值： 当篱电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电 蓬： ( 多警蕾电池充愈对所测得的魄压称为毫滔的充电电压； ( d 电池放电时测得的电压称为放电电压。 这三种状态的电压具有下述特点：充电电压高于开路电压，而且随着充电 时间的增加而略有升高；放电电e , n 低于开路电压，而且随着放电时间的增加 而略有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产生，主要是因为一般的 密封式蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气 只占一小部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极板上，使得 电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为 电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。上面提到的蓄电池的极化 电阻正是由于电池的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，充电时所产 生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很 大的伤害：当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。 蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。它不仅使电池发热，而且降 低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。 ( 7 ) 电池的老化 电池的老化是指另外一种现象：电池在开始使用的一段时间内，电池容量 增加大约5 l o ，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8 0 时，就可以认为电池的 寿命基本结束了。 ( 8 ) 使用寿命 使用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的次 数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。使用寿命是牵引用铅酸蓄电池的重要指 标之一。与使用中的放电深度、温度、充放电等条件有关。减少放电深度或采 用浅放电可大大延长蓄电池的使用寿命。充电时采用大电流充电，会造成蓄电 池温度高，损害蓄电池寿命。影响使用寿命的原因有以下几方面：正极板的板 栅变形、板栅腐蚀、活性物质在使用过程中发生钝化或产生不可逆硫酸盐化等 问题，都会造成使用寿命缩短。 ( 9 ) 自放电现象 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殿却直在进行，这造成了峨池内的化学能 量无益的损耗，使电池的容量下降，避常将这种飙象称为电池的自放电。自放 电戆大套一般磊擎霞辩阗懿邀逮容爨下簿懿吾分魄寒表示，燕公式2 4 ： 自放电= 【( o o - 绋) ，绕 x 1 0 0 公式2 - 4 其中，q 0 为蓄电池在规定条件下的容量，g 为电池存储一段时间后，在同 样规定条件下的容量。自放电通常与环境温度有密切关系。当环境温度较高时， 电池的自放电现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和适度下保存。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 电相对镍镉电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放 电达3 0 左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电机时，应能在电池长时间不用 的情况下对电池进行补充充电。 ( 1 0 ) 初充电 当蓄电池叉车交付用户使用的初期，为了充分激活蓄电池内活性物质的活 性，延长蓄电池的使用寿命，应对蓄电池进行5 次左右初充电。主要方式是采用 小电流，根据充电曲线对蓄电池进行较长时间充电。 ( 1 1 ) 正常充电 当蓄电池完成初充电阶段后，为了加快蓄电池的充电速度，提高充电效率， 并进一步满足用户的实际使用要求( 单班制的用户一般利用白天下班后进行充 电，并在第二个工作臼上午就使用) ，对充电方式及相关参数进行修正，进行 正常充电。 ( 1 2 ) 均衡充电 蓄毫潼在畿爰孛，枣予究毫不是、黢毫轰来及簿突逛凌嫠惩绫妒不当等黎 圆，使牵引瞽电池活性物质得不到及时恢复，发生钝他现象，影响了牵引蓄电 池的容量和寿命；对成组使用的牵引蓄电池，还存在牮引蓄电池单体间存在差 黪，长期使照会出现牵引嚣魄池单体橱的参数愈来愈不均衡的现象，降低了整 缀牵弓l 蓄电漶麓牲能。均衡兖电可强藏牵弓| 蓄电渣静硫羧盐纯敌障，减少牵雩l 黼电池单体问的不均衡性。 针对以上情况，应视情况对牵引蓄暾池进行均衡充电。如果不及时进行均 鬻态毫，将影螭牵雩l 蓄毫漶搜雳寿会等黢裁。 如有下列情况之一，都应进行均衡充电： 放电电压经常降至终止电压以下； 放电魄流值经常过大时； 兹毫瓣未及潜送行宠邀者； 电解液混入危害不大的杂质时； 连续三次充电不足斌较长时间束使用时： 9 将极群组取出梭查或清除沉淀物后； 蠢论采蠲嚣耱充毫方式燕鬻经用酶蓄毫漶每隔一个蜀。 2 2 铅酸鬻电池的工作原理 目前，国内使鼹舱叉车用牵弓l 瓣敷池均为锈酸蓄电涟，锻黢蓄电池的鼹壤 蔽活毪貔矮为二氧仡锈( 瑚岛) ，爱摄蔽舞海绵羧绍( 尹5 ) ，这群的正、受辍叛餮 于稀硫酸( h ，s 0 4 ) 中，就会产生2 伏左右电压。当蓄电池放电时，正、负极 板上的活性物质都与稀硫酸发生化学反应。两个极板上都逐渐地变成了硫酸镪 ( p b s 0 4 ) 。姿嚣令极教上夔绝大部分活蛙物反黎变成了同群豹硫酸镑磊，镪簸 蓄电湾魂压就降到了终止电压，不鼹在放电了。锻酸蓄电溜敖完电对，就波立 即对它进行充电，使正、负极板的活性物质在恢复为原来的= 氧化铅和海绵状 铅，这样锻酸蓄电池就可以继续放电了p l 。 2 2 1 铅酸蓄电池的放电 当充满电的铅酸蓄电池接上负载放电时，外电路便有电流通过，图2 1 详 细地说明了产生放电终了产物的过程。 原始产物 f 电离过程i ( 负 成流过程 最终产物 图2 1 铅酸蓄电池放电过程 极) 此过程中，负极发生的电化学反应为： p b + s 0 2 , 一p b s 0 4 + 2 e 公式2 - - 5 由于化学反应的发生，电路中有了电流，显然电路中的电流是有效物质铅 不断溶解释放电予的结果。 正极发生的电化学反应为： p 6 a + 2 e + 4 h + + 舳；一匕令p b s 0 4 + 2 见o 公式2 - - 6 由上式可见，因正极不断地接受电子，使肋“离子还原为p b “离子，其最 后的结果是大量的有效物质p 6 仍变为p b s o , ，这一过程同样是化学能转变为电 能的过程。 1 0 + 在放电过程中。负极反应的2 - 5 式与正极度应2 - 6 式综合越来，可以得到 下列愿极总反应式； 确岛粕墨s q + p b 弓p b s 0 4 + 2 或o p b s 0 4 公式2 - - 7 ( + )( 一)( + )( 一) 由2 7 式反应说明，铅酸蓄电池放电过程是化学能转变成电隧的过程。砸负 极的p 绫与鳓都交城了p b s 0 4 。滚黎滚的浓度，特别是极投缨手l 内静浓发交 纯是报太的。困浓差缀化、电位学极化等极亿掰索的影嫡，使锻酸蓄电漶端电 压逐渐下降；同时该过程中消耗h ，s o , 生成h ，0 ，电解液的比煎逐渐降低。应 此，可根据放电过程中，铅酸蓄电池端电压的下降及电解液比漾的降低程度来 势蘩锤羧藿邀滚懿敖壤稚疫或是秀敬迤终了，这蕊褰建谂摄攒豹。 2 2 2 铅酸蓄电池的充电 铅酸蓄电池在放电以后，正、负两极板上的终了物质都是硫酸铅。要使正、 负极板上的硫酸铅再恢复为原来的二氧化铅和海绵状铅，必须用直流电源进行 充电。充电的过程中，正、负极板发生的反应正好与放电过程相反。 图2 2 表明产生了充电终了产物的过程。 o 充电电源 原始产物 电离过程 成流过程 最终产物 图2 2 铅酸蓄电池充电过程 在负极上，由于直流电源的作用，电子不断地由难极运送到负极，使负极 还原速度太大魏大予氧纯反蔽速度。嚣鼗p b s o 。不断热被还簸为黪，其反应式 辩下： p b s 0 4 + 2 e 国p b + 卿一 公式2 - 8 由于电源地作用，负极积累了一定的负电荷。由于溶液中电场的作用，使 魄解滚孛秘褒孑淘受摄迂移与龟极主瓣离下寒夔裹孑慈会蔽，辩： 2 日+ + 删一亡壕s o , 公式2 - - 9 在充电过程中，负极p b s 0 4 不断地恢复为尸6 ，是外电源作用地结果。因此， 炎电是电能不敝地转化为化学能地结果。 在正裰上，p b s o , 在蠹流电源的作用下，使电予不断地从铅酸鬻电池的正 极输出，因迁移作用，电解液中的孵离子不断地从挺极周隧穆向负极，s 群“离 子戴不断遗移到正檄来，过程反应如下： p b s 0 4 十2 h 2 0 + 涮一* 2 e 日p b 0 2 + h 2 s 0 4 公式2 1 0 凌上式露浚看爨，镑静讫台徐国正二徐褒藏正蔽债，这一过程楚氧位芨斑， 使有效物质p b s 0 4 不断地变为，西a ，这同样是在外电源的作用下得到的结果， 西藏迄是邀戆转曩二麓纯学簸熬过程。 把2 8 式与2 1 0 式合并超来，用一个总的方程斌表示整个充电过程发生的 反敷： p b s 0 4 + 2 吼d + p b s 0 4 c ：p b d 2 + 4 h 2 s o , + p 6 公式2 1 1 ( + )( 一)( + )( 一) 2 一l l 式说明，在充电过程中，由于正、负极的有效物质分别恢复为m d ，与 肋，电解液中消耗了水生成巩s o , ，电解液的比重是逐渐升高的。到充电终期 电解液比重升到最大值并保持不变。 铅酸蓄电池到了充电终期，正、负极板上的硫酸铅绝大部分变为二氧化铅和 海绵状铅。这时若在继续充电就要引起水的分解，正、负极上均有气泡剧烈的 冒出。正极冒出氧气，负极冒出氢气。充电电流越大，则气泡越甚。因此在充 电末期电流不宜过大，这样对铅酸蓄电池的使用寿命也是有益的，反应式如下： 2 h 2 s 0 4 + 2 0 日2 如觋+ d 2 + 2 也 公式2 一1 2 综上所述，在充电整个过程中，由于正、负极上的p b s o 。分别逐渐恢复为 p 6 d ，与尸6 ，特别是各种极化因素的影响，使铅酸蓄电池端电压逐渐上升，到 充电终期上升到最大值：在充电过程中，消耗风0 生成h ，s o , ，电解液比重则 逐渐上升，到充电终期，上升到最大值，保持不变；同时充电到终期，水开始 大量分解，有大量气泡冒出，使电解液出现沸腾状。应此，在铅酸蓄电池充电 过程中，可根据端电压、电解液比重、气泡生成情况三方面来判断铅酸蓄电池 的充电程度及充电程度是否放电终了的标志。 2 3 牵引用铅酸蓄电池的充放电特性 ( 1 ) 充电特性 充电过程通常要完成两个任务，首先是使电池恢复额定容量，另一个是补 充电池因自放电而产生的容量损失，以维持电池的额定电量。常温下的最佳浮 充电压约为2 2 5v ，单体。 电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压。 这就是说，电池充足电后，充电机应输出恒定的浮充电压( 2 2 5v 单体) 。图2 3 是按5 d , 时率额定容量8 0 及1 0 0 ( 蓄电池叉车由于考虑到起重系统的安全性， 为了确保在高货位进行叉取货物时有足够的电量，电控系统将剩余电量控制在 2 0 ) 敖奄爱蕊蠢聪隈流巍窀懿充嘏特往甏。教窀嚣豹蓄奄漶充满魄所需对闻 随放电量、充电初期电流、温度而变化。如图2 3 中8 0 9 6 放电后的电池在2 5 。c 时 遴移瞧基隈浚充惫( 瞧基为2 ，2 5 y 肇薅、滚滚巍0 。l g ) ，l o d 霹左蠢可渡充邀 至放电量1 0 0 以上。 浮充嗽压不能逑裹，黻免嚣严繁i 童充惫嚣缩短涎洼鳃寿愈。采怒适当静浮 充电压，锚酸蓄电池的浮充寿命可达3 年以上。实践证明，实际的浮充电压岛规 定麴浮充电压相差s 蛙，锻酸蓄电涟的寿念埯壤短一半【如 。 充 充 充 电 电 电 羹 程 瞧 ( ) 流压 2 焉 糕髫 畿警 鑫， 龟廷 恒压2 2 3 v 单格( ；5 ) i。 。上_ t _ l ，k 乳蹴翻研： 雾罐 ： 婆捌 卜l1 卜l l 彤， ： 。 一r1 下 l 瓣 莨 s 引l 霜瓣 。， 擎 ，。、；! 1，皂警摹二 ? 。一二”j_ht i髑“1 4 6 1 瓷瞧鞋鞫( 夺畦) 图2 3 铅酸蓄电池的充电特性图 ( 2 ) 放电特性 放电电流越小放电容量越大；反之，放电电流越大放电容量越小。放电容 量还会随着环境温度的降低而减少。图2 4 为2 5 c 温度下0 1c ，一2 o c ，的放电电 流放电至终止电压时的恒流放电特性图。 2 4 充毫终史条释茬裁方法 蓄电池谯充足电后，电池的温度和内压都会快速上升，同时电池的端电压 开始下降，出现电压负增擞。如果此时继续进行快速大电流充电，j c 寸蓄电池的 矮害是显然瓣。蠢瑟，凳了缳迁邀避毵兖是毫又不：过突迄，盛绠采建一定夔方 法来控制充电的停充等闯鬏。 现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有定时摊制、电压控制、温度控 制及最小终业电流等方法进行充电终止羧制。在牵引用铅酸蓄电池梵电机中， 逶鬻采强邀篷二次静数( 菇2 v d t 2 ) 撩裁、最长充毫簿闽 定辩控裁) 、篱窀、遣澈度 等掖制方法。 、 淬梅 2 1 2 0 端 毛l 9 压 1 8 l - 7 l _ 6 i l il 1 ii ni ；li 、 、 、 i 献、 r 八谢 g 1 0 1 c t 0 3 c s 1 、 n 工0 5 c 5 、 1 d 芝。i 5 ： ， 1 ； 2 0 c i l l i n 2 61 0 3 0 s i nl h23581 02 0 h 放电时间 图2 4 铅酸蓄电池的放电特性图 2 4 1 电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有： 最高电压控制、电压负增量控制、电压二次导数控制。 ( 1 ) 最高电压( 。) 控制 从充电特性曲线可咀看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电 过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止充电。 这种控制方法的缺点是：电池充电的最高电压随环境温度、充电速率而变， 因此，最高检测电压必须采用一定的温度补偿，并且还必须根据充电速率加以 适当修正。若最高检测电压不能随温度变化而自动调整，则低温时，电池充不 足电，高温时，电池充足电后仍会继续大电流过充。这样，可能降低电池寿命， 也可能损坏电池。另外，蓄电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别， 因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。 ( 2 ) 电压负增量( - a v ) 控制 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度、充 电速率等因素影响，因此，可以比较准确地判断电池己充足电。采用这种检测 法的快速充电机，可以对电池数不同的电池组充电。负增量检测法的缺点是： 电池电压出现负增量后，电池己经过充电，因此电池温度较高。此外，镍氢电 池充足电后，电池电压要经过较长时间才出现负增量，过充电较严重。因此， 这种控制方法主要适用于镍铬电池。为了避免环境温度过高时损坏电池，最好 1 4 与冀它控素方法配合应蘑。 ( 3 ) 电压二次鼯数( d 2 v l d t 2 ) 控制 这耱拣铡方法怒逶过捡溪电漶激压豹二次导数来实囊控潮静，实验j i 芷鞠， 当暇池在充足电时，d 2 v d t 。将达到某个确定的假，此时结束充电即可。这 秘方法只逶_ 蘑l 予整流充电模式，美嚣t e m i c 公司捶壤熬充耄控裁芯凳u 2 4 0 2