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大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 1 调研报告 参考指导书 撰写 1 课题来源及意义 20 世纪 60 年代中期 美国科学家马斯对蓄电池充电过程中的出气问题作了大量的 试验研究工作 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 从图中 可以看出 在充电过程中 只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流 蓄电池内部就 不会产生大量的气泡 而常规充电一般采用先恒流 后恒压的两阶段充电法 在充电 过程初期 充电电流远远小于蓄电池可接受的充电电流 因而充电时间大大延长 充 电过程后期 充电电流又大于蓄电池可接受电流 因而蓄电池内产生大量的气泡 但 是 如果在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电 电流 则充电速度就可大大加快 而且出气率也可控制在很低的范围内 这就是快速 充电的基本理论依据 然而 在充电过程中 蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身 的充电 并且使出气率和温升显著升高 因此 极化电压是影响充电速度的重要因素 由此可知 要想实现快速充电 必须设法消除极化电压对蓄电池充电的影响 从极化 电压的形成机理可以推知 极化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的 当停止 充电时 电阻极化消失 浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱 而如果为蓄电池提供一 条放电通道让其反向放电 则浓差极化和电化学极化将迅速消失 同时蓄电池内温度 也因放电而降低 因此 在蓄电池充电过程中 适时地暂停充电 并且适当地加入放 电脉冲 就可迅速而有效地消除各种极化电压 从而提高充电速度 目前 大家比较 认同的快速充电方法是脉冲充电 脉冲放电去极化方法 常规充电的方法采用小电流慢充方式 对新的铅酸蓄电池初充电需 70h 以上 进 行普通充电也需 10h 以上 充电时间太长 不但会拉长充电监测的时间 造成电能的 浪费 还限制了蓄电池的循环利用次数 并增加维护工作量 此外 对于像电动汽车 等要求蓄电池连续供电的场合 使用起来不方便 而采用快速充电方法 可以缩短蓄 电池的充电时间 提高充电效率 节约能源 并更好地满足工业应用的需要 具有重 大的现实意义 常规充电的方法由于时间长对电池造成了影响 缩短了其寿命 电池大都采用铅酸蓄 电池 这样会造成铅的大量使用 进而影响我们的环境 对人类生存带来了不利因素 快速充电能够增加蓄电池的寿命 有利于环境的保护 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 2 图 1 最佳充电曲线 2 蓄电池快速充电在工业领域中的应用 蓄电池作为一种可移动的能源已校广泛地应用于国民经济的各个领域 据调查 在煤矿井下 承担菩迢运输作业的以蓄电池为动力的电机车数量约占总机车数量纳 70 蓄电池是一种储能装置 它的储能过程很慢 一股新蓄电池初次储能需 72h 小 时 正常使用储能蓄 12h 小时 因此 对于用蓄电池作为动力的车辆以及其它装置 来说 车辆以及有关装置的使用会因蔷电池的储能所需的时间而受到限制 因此 提 高蓄电池的储能速度具有重大的经济意义 蓄电池的储能过程就是充电过程 我国从 70 年代中期开始 就对蓄电池的快速充电技术进行研究 目前已有为效众 多的蓄电池快速充电装置投入运行 产品巳呈商品化 快速充电技术是对传统的充电 技术的重大变革 它可以大大提高蓄电池的储能速度 新蓄电池的初次充电时间约 24h 小时 正常使用的蓄电池的复充电约 2 3h 小时 充电速度可提高 4 5 倍 任 何快速充电的最终目标是安全和快速 即在确保蓄电池的使用循环次数的必要前提之 下 尽可能地缩短充电时间 快速充电之所以具有生命力 是因为传统的充电技术既 不安全又不快速 3 蓄电池快速充电的原理 蓄电池按其组成电解质物质的不同分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类 酸性蓄 电池占绝大多数 以酸性蓄电池为论述对象 其原理同样适用于碱性蓄电池 铅酸蓄 电池是一种原电池 是借助化学反应而直接产生电流的一种装置 从能量变化的角度 看 原电池过程无非是实现了化学能到电能之间的转变 铅酸蓄电池由正 负极板 电解液和电解槽组成 正极板的活性物质是二氧化铅 Pb02 负极板的活性物质是灰色海绵状酌金属铅 Pb 电解液是浓度为 27 37 的硫酸水溶液 蓄电池的充电过程是在外加电场的作用之下 电流的输送是通过正负离子各向两 极迁移 并在电极溶液界面处发生化学反应来实现的 这个过程就是电解 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 3 电解进行时 在充电电流的作用下 水分子 H2O 被电解为氢离子 H 和氢氧离子 OH H 在外电场作用下向负极板迁移 OH 向正极板迁移 同时正负极板上的硫酸铅 亦发生离解 PbSO4 Pb2 十 SO42 正极板上的 Pb2 在外电场的作用下释放出电子而形成 Pb4 Pb4 与正极板时近的 OH 发 生反应而生成 Pb 0H 4 Pb OH 4 被分解 Pb OH 4 PbO2十 2H2O 生成的 PbO2 依附于正极板上 同时 负极板上的 Pb2 和正极板在外加电场的作用下输送来的电子结合而还原成 Pb 电解质溶液中的 H 与 SO42 结合 生成 H2SO4 从上述分析可知 充电过程总的化学反应为 PbSO4十 2H2O 十 PbSO4 Pb02十 2H2SO4十 Pb 从上式可知 随着充电的进行 正极板上的 PbSO4逐渐变成 PbO2 负极板上的 PbSO4逐渐变成 Pb 同时 电解质溶液中的硫酸分子逐渐增加 水分子逐渐减小 因 此电解质溶液的比重在增加 蓄电池的端电压也随之增加 4 蓄电池快速充电的过程 1 预充电 对长期不用的电池 新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时 一开始就采用快速充电会影响电池的寿命 为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定 小电流充电 使电池电压上升 当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行 大电流快速充电 2 脉冲快速充电 在快速充电过程中 采用分级定电流脉冲快速充电法 将充电电流分成三级 开 始充电时采用大电流 随着电池容量的增加 电压逐渐升高 电流等级开始降低 使 充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小 采用这种方法可以消 除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题 在脉冲快速充电过程中 电池电压上升较快 当电压上升至补足充电电压阈值时 转入补足充电阶段 3 补足充电 快速充电终止后 电池并不一定充足电 为了保证电池充入 100 的电量 对电池 还要进行补足充电 此阶段充电采用恒压充电 可使电池容量快速恢复 此时充电电 流逐渐减小 当电流下降至某一阈值时 转入浮充阶段 4 浮充电 此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量 只要电池接在充电器上并且充 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 4 电 器接通电源 充电器就会给电池不断补充电荷 这样可使电池总处于充足电状态 此时也标志着充 电过程已结束 5 蓄电池快速充电的系统设计 5 1 蓄电池快速充电装置的控制电路 现在蓄电池快速充电以取得很大的进步 好多企业进行应用 我们可以从现有的 条件下来了解蓄电池快速充电系统的设计 下面以 ST72 系列单片机为例来说明目前蓄 电池快速充电的装置以及相关工作原理和过程 它是由法国 ST 微电子公司最新生产的 简单 灵活 低价格的 8 位单片机 采用了独特的制造工艺和技术 大大提高了抗干扰 能力 它专为嵌入式控制应用设计 特别适用于抗噪声干扰高 整体性价比高的控制系 统 它具有以下的主要性能 1 工作电源电压有很宽的适应范围 从 2 4V 5 5V 功耗较低 内部数字看门狗 图 2 智能充电系统原理图 2 丰富的 I O 功能 内部带有 3 个定时器 计时器 有的还多达 16 个通道的 10 位 A D 转换器 两路脉宽调制 多种通信接口 多达 12 级的中断源 3 多种内部程序存储器 除有廉价的 OTP One Time Programming 一次性编程写 入 还有非常方便的 FLASH 程序存储器 可以在线编程 易于修改程序代码 存储器的 容量从 1 5KB 60KB 不等 可以满足各种编程的需要 根据系统功能的需要 选用 ST72 系列的 ST72264G1 单片机作控制芯片 该芯片具 有 4KB 的 FLASH 内部存储器 2 路 PWM 输出 最大时钟频率 8MHZ 有 20 个 I O 引脚 6 个 复用 10 位 A D 转换器 有 SPI SCI I2C 三种通信接口 控制回路采用 ST72264G1 加 上液晶显示和键盘接口等 它利用单片机自身的 A D 端口 组成电压 电流 温度检测 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 5 电路 5 2 蓄电池快速充电硬件和软件设计 AT89S52 是 ATMEL 公司研制的通用单片机 它在 AT89S51 单片机的基础上为 P1 口 定义了第二功能 有六个外部中断 三个定时 计数器 以及四个全双工的串行通信 口 同时在指令上与 AT89S51 兼容 对监控系统较为适用 1 基于 AT89S52 的监控系统硬件电路设计 按照上述系统设计要求 设计了如图 1 所示的监控系统 图 3 AT89S52 监控系统框图 微处理器 AT89S52 非常适用于控制 他的主要结构和特点在前面已经介绍过 了 为了满足外围接口电路的需要 一般都要在输出口处接锁存驱动电路 这里我们 采用的是 SN74HC573 压频变换装置 将模拟的电压量转化成频率值 这是一种 A D 转化方式 将输 出电压 U0 采样通过压频变换装置传给单片机 压频转化装置我们用的是 National Semiconductor 的 LM331 输出控制电路 单片机的输出控制信号通过电阻解码网络转化成模拟电压值 控制电压和电流比较器的基准值 实现对外围功率电路的控制 上电复位电路 为了防止单片机的程序飞跑 出现死锁 我们采用 MAXIM 公司 的 MAX813L 系统监控集成芯片来实现对单片机的监控 该芯片具有看门狗电路 门限 值检测器 手动复位等功能 输入控制和数码显示电路 包括按键和显示部分 通过简单的按键选择 实现 运行方式选择 复位及故障的显示 显示部分采用 SN74HC573 驱动两个 8 位七段 LED 显示 同时通过发光二极管和蜂鸣器提示运行状态 护告警电路 通过硬件电路实现保护 给单片机中断管脚发出脉冲信号 引发 中断程序实现保护 并引发蜂鸣器告警 2 下面介绍本系统中的一些关键性电路 恒压恒流模块 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 6 恒压恒流电路是整个智能充电器的关键部分 电路结构见图 2 恒流恒压电路由 SR12 单片机片内模拟电路模块和片外的 MOSFET 开关管 肖特基二极管 滤波电感 滤 波电容等器件组成 模拟电路模块是 SR12 的特有部件 图 3 为它的结构框图 它由输 入多路开关 两组温 度 传 感器 Rsense0 01 可程控放大器 片内温度传感器 电 流检测电路等组成 可程控放大器总放大倍数为 1 256 放大器的输入可选择为两路 模拟输入脚 ATD0 ATD1 片内温度传感器 模拟地输入 VSSAM ATD0 和 VSSAM 间 可接一个电流检测电阻 用于测量外部电流 它还连接至电流检测电路 可在电流超 过指定值时产生中断并输出信号 图 4 恒压恒流电路 放电模块 快速充电的硬件电路图如下所示 图 5 放电器部分电路 快速充电的原理是通过电池两端不断的充放电来提高充电效率 从而减少了充电 时间 放电器部分利用电压比较器 在 5 脚设置电压基准 6 脚通过一个二极管和电阻 同单片机相连 单片机接受外部控制指令 通过计数器控制 TDIS 端电平的高低 比较 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 7 器的输出应用两个三极管级联 改善了静态工作点 快速充电时 AT89S52 单片机必须不断检测以下几项关键技术指标 电路是否出现 断路 电池是否出现不均衡现象 电池是否达到规定的安全电压 电池是否温度过高 电池是否满足 V 或 T t 条件 压频变换模块 图 6 压频变换器 压频变换器本质上是 A D 变换器 上图是由 LM331N 组成的压频变换电路 它将输 出的电压信号转变成频率 接入单片机的计数器接口 通过计数器的计数计算出输出 电压的大小 系统软件设计 图 7 软件流程图 主程序流程图如图 7 所示 系统上电复位后 首先对单片机 外围芯片及控制状 态进行初始化 然后设置输出控制口的电压阀值 通过读取输出电压的值来判断系统 是否正常 若正常则进入功能设置模块 否则转故障处理 进入功能控制模块后 用 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计调研报告 8 户可以通过按键设置系统的工作状态 是供电模式还是充电模式 然后按下确定按钮 系统进入相应的工作模式 若是供电模式 单片机将实时监测各主要参量若发现故障 或过流过压则转故障处理模块 没有的话继续监测 若是充电模式 插入电池后系统 将监测是否反接 是则提出告警 否则将进入充电状态 在此过程中故障检测的过程 和供电模式相同 但充电模块中有充电中止算法和定时算法 都是判断电池是否充满 的算法 从以上的分析我们知道了蓄电池快速充电系统工作的过程 这对我设计该系 统会有很大的帮助 6 研究内容与进度安排 该题目是关于蓄电池快速充电的设计 在当今时代工业的快速发展需要蓄电池自 身性能的提高 快速充电就是一个很高的要求 蓄电池快速充电装置包括以下几个方 面 从快速充电器的原理以及对充电机的要求 设计充电池充放电电路 通过硬件设 计 软件设计来设计检测环节及报警系统 最终设计出一个快速充电系统 进度安排如下 第 1 3 周 查阅资料 完成调研报告并翻译相关外文资料 第 4 11 周 根据已知