基于AVR单片机控制的智能充电器设计_硬件部分_.doc

宁波理工学院毕业论文（设计）开题报告（含文献综述、外文翻译） 题 目 基于AVR单片机控制的智能充电器设计(硬件部分) 姓 名 学 号 专业班级 06自动化2班 指导教师 分 院 信息科学与工程分院 开题日期 2010年 3 月 25 日 第1章 文献综述基于AVR单片机控制的智能充电器设计（硬件部分）如何高效、快速、无损地对蓄电池进行科学充电，一直是蓄电池界关心的问题。虽然蓄电池问世至今也有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，其充电一度主要采用恒压、恒压限流、恒流等模式，这些充电方法未能遵从电池内部的物理化学规律，大多存在着严重的过充电和析气等现象。现行的各种充电方法中，由于种种原因，其充电电流未能依据蓄电池的状态变化动态地跟踪可接受的充电电流曲线，因此充电质量和效果并不理想。由于充电效率低，在充电过程中将会造成大量的气体析出，析气使正极板腐蚀，导致蓄电池损坏，严重地影响蓄电池的使用寿命。对于蓄电池使用者来说，蓄电池的管理维护固然重要，但高效、无伤害的充电装置更是对提高蓄电池的使用效率、延长其使用寿命起着非常关键的作用。因此，既能提高能量利用效率，加快充电速度，又不影响铅酸蓄电池使用寿命的新型高效、快速、无损的充电技术成为迅速发展的现代电力电子技术备受关注的研究方向。1.1 国内外的研究动态1.1.1 充电技术的发展状况对于蓄电池，传统的充电方法主要是恒压充电、恒流充电或两者相结合等方法，这些充电方法没有动态的跟踪蓄电池可接受的充电电流的大小，实践证明这些充电方法不但充电时间长而且很容易对蓄电池过冲，缩短蓄电池的寿命。通过对恒压充电和恒流充电两种方法的改进，出现了另一种传统充电方法，即分段式充电方法。此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电方法，采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方。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。三阶段充电法，是先采用恒流充电法达到设定的电压之后转为第二阶段，高恒压充电阶段，当充电电流小到设定值之后转为第三阶段涓流充电，此时电压值变为浮充电压1。这种充电方法优点是：技术实现简单，基本能满足充电要求，成本低。缺点是：不能区别电池的放电深度；容易造成过充电，导致蓄电池内部电压过高，极化现象严重，蓄电池失水过多，对蓄电池造成不可恢复的伤害。针对传统充电方法充电时间长，不安全等特点，国内提出了一些新的快速充电方法，比如说分级定电流充电法、变电流间歇充电方法等，这些方法都是在传统充电方法上的改进，以满足马斯提出的铅酸蓄电池最佳充电曲线。分级定电流充电法结合了恒流充电法和恒压充电法的特点，在充电初期采用尽可能大的充电电流充电，使蓄电池在短期内充入尽可能多的容量，中期采用较小的充电电流，最后采用小电流充电，使蓄电池完全充满电。它有效的防止了恒流充电法和恒压充电法中所存在的问题，实现相对简单，是目前应用最为广泛的充电方法2。智能充电方法是让实际充电电流动态跟踪可接受充电电流，这种充电方法不会对蓄电池造成过充电，而且充电时间很短，一般在5-6个小时左右。智能充电方法由充电系统、智能控制回路和蓄电池组成，将检测到的蓄电池的充电电压和充电电流送到控制模块根据蓄电池可接受充电电流曲线动态调整充电电流，使蓄电池在析气最小的情况下充电，既能延长蓄电的寿命也能缩短充电时间。尽管己经有很多充电方法出现，但由于各种条件的限制，仍然不能满足最佳充电电流曲线的要求。目前市场上使用最广泛的仍然是三阶段充电方法3。1.1.2 国内外发展现状采用单片机技术的智能充电器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，相控式的充电器仍然占有较大比重。 而国外市场大部分充电器均采用Wa、WaWo、U&U等充电曲线方式4，充电方式更科学、合理，从而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，简化了充电过程，解放了操作人员的劳动强度，市场前景非常广阔。近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接受充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约电能30%-50%左右，提高了充电质量和效率，充电工人只担任辅助性工作，为充电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路5。1.2 单片机充电终止条件控制方法利用单片机对蓄电池充足电后，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，出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。因此，为了保证电池能充足电又不过充电，必须利用单片机采用一定的方法来控制充电的停充等问题。现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有定时控制、电压控制、温度控制及最小终止电流等方法进行充电终止控制6。1.2.1 最高电压控制从单片机对蓄电池的充电特性曲线可以看出，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，单片机应立即对蓄电池停止充电。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。1.2.2 定时控制通常用在单片机控制的恒流充电模式中。例如，对于10Ah的蓄电池，采用0.2C充电速率，电池5h可充足：采用0.4C充电速率时，2.5h就可充足电，因此根据电池的容量和充电电流，可以很容易地确定所需的充电时间。充电过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者充电电流迅速降低到浮充电电流。这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法比较简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，然而充电时间是固定的，所以不能根据电池充电前的状态来自动调整。因此，只有充电速率小于0.3C时采用这种控制方法才最有效果。1.2.3 温度控制为了避免损坏电池，电池温度过低时不能立即开始快速充电过程；电池充足电后，充入的电量都消耗在电池中，电池的温度很快上升。电池温度上升到规定数值后，单片机必须立即停止对蓄电池充电的过程。电池的温度可以通过与电池在一起的温度传感器件来检测，再反馈给单片机。当电池温度超过规定值时(一般为50)，单片机控制自动转入浮充电模式。当环境温度较低时，规定的最高温度值相对过高(50)，这样容易造成过充电，容易损伤电池。为了避免损伤电池，又常采用温升控制法，即当温升达到一定值时，充电器便自动转入浮充电模式。上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括时间控制、电压控制和温度控制的综合控制法。1.3 单片机智能充电器发展方向目前国内对单片机智能充电技术的研究还处于初始阶段，许多学者提出单片机智能充电器有如下的发展趋势7：（1）应用蓄电池充电过程中多孔电极内部电化学反应状态的检测技术；（2）应用du/dt检测技术，组成充电器和蓄电池二元闭环充电系统，能自动根据蓄电池的技术状态计算充电工艺参数，能动态跟踪，并闭环控制充电电流和充电电压，无需人工干扰；（3）能对技术状态不同的蓄电池有良好的适应性，并都能在微量析气的临界状态下进行充电；（4）具有完善的系统自诊断、故障定位和适时处理功能；（5）具有较好的人机对话窗口，结构简单、操作简单、技术指标先进；（6）有便于功能扩充、技术升级和性能可靠的硬件平台。1.4 蓄电池实际应用蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，蓄电池在现代工业社会的应用已经非常广泛了，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：一些能量密度高的蓄电池，比如镍氢电池、锂离子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；而能量密度相对较低一点，但价格便宜的铅酸电池则广泛用于邮电、电力系统、煤矿等行业。特别是技术最成熟的铅酸蓄电池，由于具有电动势高、能大电流放电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优点，因此在国民经济各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电机车动力源、汽车启动电源等方面得到了广泛的应用。铅酸蓄电池的产量和使用量均占所有二次电池的75%，相对于其它蓄电池仍然具有不可替代的地位8。1.5 存在问题目前市场上使用的所谓智能充电器，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上85%以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。同时充电管理还限于简单的形式，没有对充电过程进行全程监控和记录，没有利用PC机管理，实现人机直接对话9。国内大容量充电设备主要采用晶闸管电路，充电模式主要沿用恒流恒压直流式充电。采用晶闸管电路时，输出的充电电压交流纹波分量大，易导致电池处于“暂时过压充电”状态，内部产生额外升温，使电池极板产生应力，加速电池的损坏。而且随着电力电子技术的不断发展，采用晶闸管的传统大容量充电设备，已不能满足小型、高效和低噪音等要求10。美日等国家对蓄电池的性能和理论研究一直走在我国的前面，有关大容量蓄电池智能充电技术的研究起步也较早，有关充电电路的设计和控制技术十分成熟。当前国外研究重点主要集中在均衡充电技术，以及如何减少充电电流的纹波成分两方面。结束语随着信息技术的发展，蓄电池应用到各大领域，比如说汽车、轮船、通信、各种电子产品等。研制出一种快速充电且能延长蓄电池寿命的充电器就成为一项很重要的任务。如何改进充电器的充电质量可以从两个方面来考虑，一是充电技术，二是硬件电路的设计。随着快速高频电力电子器件以及功能强大的集成芯片不断涌出，智能充电器的功能将越来越完善和安全。23参考文献1钱良国智能充电技术和智能充电器M北京：铁道标准设计出版社，1999：201-2052王水平开关稳压电源原理及设计M北京：人民邮电出版社，2008：13-253付撤荣大功率智能充电器的研究与设计D广州：广东工业大学，20074杨晋，蔡丽娟数字技术在开关电源控制中的应用和发展J开关电源技术，2006，24(2)：33-405胡汉才单片机原理及其接口技术M北京：清华大学出版社，1999：65-696周震宇，张军明，钱照明基于PIC单片机的数字式智能铅酸电池充电器的设计J电源技术应用，2006，6(5)：18-217林成武，高国强单片机控制的蓄电池充电器J沈阳工业大学报，1996，1(5)：34-368王鸿麟，钱建力，周晓军智能快速充电器设计与制作M北京：科学出版社，1998：68-719 Hideaki Fujita，Takahiro Yamasaki，Hirohtni AkagiA Hybrid Active Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial Power SystemsJ IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15(2)：215-22210 Rahmani S，Al -Haddad KImplementation and simulation of modified PWM with two current control techniques applied to single-phase shunt hybrid power filterJIEEE Transactions on Power Electronics，2006，153(2)：317-326第2章 开题报告基于AVR单片机控制的智能充电器设计（硬件部分）2.1 项目开发的背景面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流，汽车作为主要交通工具和国民经济的重要支柱产业得到了快速发展。与此同时，汽车也带来了能源消耗，环境污染等诸多负面影响。因此，世界许多国家都在燃料汽车、电动汽车和混合动力电动汽车领域进行了大量的研究与开发工作，将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。目前，汽车工业己经成为世界主要工业化国家的支柱产业：一方面，汽车工业的飞速发展推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展，给人们带来了大量的就业机会。但是另一方面，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端地球上有限的石油资源被大量消耗，而这些资源同时又是重要的、不可再生的，作为燃料直接燃烧掉是极大的浪费。按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。与此同时汽车排放出大量的有害气体，严重地污染了人类赖以生存的自然环境，给人类生存造成了严重的危害1。 随着电力电子技术的迅速发展，蓄电池正广泛应用于交通运输，电力，通信等领域的各种设备中，已成为这些设备的重要部件，直接影响到设备的寿命和可靠性。电动车作为具有零排放优点的“绿色”交通工具成为人们日益关注的焦点，而蓄电池及电池管理系统是电动汽车发展的“瓶颈”。世界各国都投入大量的人力物力进行开发研究，我国在这方面的研究刚刚起步，汽车工业发达国家的研制工作也不很完善，这其中有蓄电池技术与蓄电池充放电技术两大难点2。蓄电池作为电动汽车的动力源而成为电动车发展的关键，蓄电池的性能决定了电动车的性能指标，其能量密度决定了电动车一次充电的续驶里程，其功率密度则决定了电动汽车的加速性能和最高车速3。因此，在某种意义说电动车的成败首先取决于电池技术，电动车能否普及取决于电池技术是否有突破性进展。2.2 项目可行性2.2.1 项目的意义电动车的开发在全球范围内未能深入展开，其中，最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题，主要是指充电模式和参数。在中国，电动车的大力发展已经是迫在眉睫的事情，因而充电器及充电技术处于十分关键的位置。一个性能优良的充电器要解决一系列理论问题，例如，防止或尽量减少极化效应；防止出现热失控，防止或尽量减少失水效应；防止充电所形成的不可逆盐化，等等。目前由于传统的充电器充电速度慢，充电时间长、充电有效容量低、循环奉命短、对电池易损伤，快速充电技术至今未能完全解决，因而造成电动车续行里程短，电池维护困难，更换频率高等系列问题，成为制约电动车发展的瓶颈4。电动车动力电池与一般启动用电池不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或者爬波。一般情况下电动车动力用电池多工作在深度放电工作状态，因此，对电动车动力电池的快速充电的研究和设计非常必要5。 受到现有的设备和技术的局限，我们采用规格为6V、1.2Ah的铅酸蓄电池来模拟电动车电池进行设计和实验。2.2.2 项目的设计目标本课题是针对电动车铅酸蓄电池的特点，以美国ATMEL公司的ATmega16单片机作为控制芯片，结合国内外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的新型多模式智能充电器。该充电器采用涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电模式，可达到理想的充电效果，并将相关参数显示在液晶屏上，待充满电或者充电过热时，进行声光报警。2.3 研究内容2.3.1 密封免维护铅酸蓄电池的工作原理电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质不同，电池有自己的特性，设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电池6。密封免维护蓄电池是一种将化学能和电能相互转化的装置，免维护蓄电池需要先用电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅，阴极的活性物质是铅，电解液是稀硫酸，其化反应式为放电反应式： 充电反应式： 即电池在充电时，正极板产生的氧气又复合为，重新回到系统中，实现电池内部氧的循环复合。而负极亦因生成、而使极化电位降低，从而达到负极不析氢，同时电池在充电过程中负极生成的被重新还原成海绵状铅，这就是免维护电池特有的内部氧循环反应机理。理想情况下，在电池的充电过程，电解液中的水几乎不损失，因此在电池的使用过程中可达到不需要加水的目的。2.3.2 铅酸蓄电池的充电过程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(用户一般利用白天下班后进行充电，并在第二个工作日就使用)，对充电方式及相关参数进行修正7。（1）涓流充电当系统检测到蓄电池亏电时，首先以小电流充电，充电电流一般采用0.05倍率充电。 （2）大电流快速充电主充阶段以恒流方式充电。主充时的充电电流一般采用0.3倍率充电。 （3）过充充电随着限压充电的进行，电池电流也随之逐渐减低。充电电压一般采用V =6.3V，当充电电流降低到浮充电流时，电池已基本充满。 （4）浮充充电此阶段采用低压小电流充电，以补充电池的自然放电，此时须将充电电压稳定在蓄电池的额定电压附近(比主充最高限压要低)。因而，充电电流与主充时相比很小。但是，由于工作情况的复杂性，浮充时也有电流较高的可能(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。在电池设计的充电模式中，包括涓流充电、大电流充电、恒压限流充电、浮充电和均衡充电功能，在运行中单片机会根据对被充电池的数据采样和事先设定的程序来决定何时加入大电流充电、过充充电、浮充充电、电池充满时间并停止。2.3.3. 智能充电器结构框图智能充电器电路主要包括电源回路、主控电路及检测电路三个部分8。电源回路部分提供电池充电工作时需要的各种电压；主控电路部分控制各个状态的充电过程；检测电路部分检测蓄电池的采样信号，如图2.1所示：交流220V输入单片机控制电路AC-DC辅助电源BUCK变换电路电压采样电流采样温度采样蓄电池液晶显示声光报警图2.1 智能充电器结构框图2.3.4 辅助电源部分电源部分由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。如图2.2所示：图2.2直流电源部分直流电源部分的工作原理：交流220V的市电经变压器TI降压、桥式整流电路进行整流，然后通过C1、C2滤波，所得到的电压V=15V同时提供给BUCK变换器和LM7805，LM7805三端稳压器稳压后的输出为单片机提供5V的直流工作电源。若电源准备就绪，发光二极管发亮，显示电源正常。2.3.5 主控电路设计主控电路部分主要由开关型电流控制回路、检测取样电路、液晶显示电路及声光报警电路组成。如图2.3所示：图2.3 主控电路图（1） BUCK变换器的开关原理BUCK变换器包括由NPN晶体管驱动的P沟道MOSFET开关管，开关管与电感、二极管和电容相连，如图2.4所示： （A） （B）图2.4 BUCK变换器的开关原理当开关管接通时(原理图中以一个天关表示)，电流按图(A)所示方向流动，电容通过电感被充电(电感也吸收了能量)。当开关管打开时，如图(B)所示，电感试图保持电流，从而导致电流流过二极管、电感和电容，这是一个BUCK变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为50%时，BUCK变换器的效率最高。图中二极管是用来防止在断电时电池向微处理器供电9。（2）充电电流取样检测电路该电路设置了过流保护，能达到恒流充电目的。电流取样放大电路，是把取样后的电流以电压形式送回到PWM比较器中去比较，从而决定输出的占空比。如图2.5所示：图2.5 电流取样检测电路（3）充电电压取样检测电路当接入电池时，检测到电池两端有电压，充电器开始充电。当检测到电池端电压已经达到最大值时，确定充电已满，调整PWM输出占空比，充电器自动转入浮充电状态，并发出声光报警。如图2.6所示：图2.6 电压取样检测电路（4）温度取样检测电路当检测到高于额定温度后或者充满电之后，停止充电，并进行声光报警。当电池充满电后，若继续充电，所有的电能都将转化为电池的热能，在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电，会造成电池损坏10。如图2.7所示： 图2.7 温度取样检测电路 （5）ATmega16单片机ATmega16单片机是Atmel 公司生产的高级8 位AVR 微处理器，它是当前市场上能够以单片方式提供Flash、 EEPROM和10位AC 的最高效的8 位RISC微处理器。它所提供的 10 位 A/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得蓄电池充好后的容量更接近其最大容量11。如图2.8所示：图2.8 ATmega16单片机2.4. 研究方法以及技术路线2.4.1 拟解决的关键问题（1）利用PWM脉宽调制输出来控制功率管MOSFET的导通时间 （2）根据蓄电池的端电压来选择采用何种充电方式（涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电） （3）当蓄电池充满电量的时，发出报警的功能（4）改进电路中的原件参数，尽可能提高蓄电池的充电效率（5）运用PROTEL进行电路图的绘制，进一步制作PCB板的制作2.4.2 研究方法（1）学习和掌握基于单片机控制的智能充电器的基本原理（2）根据相关要求，利用Multisim对设计电路进行仿真，确定其可行性（3）选择符合性能要求的元器件，在面包板上焊接各个部分的硬件电路，并进行调试（4）待各部分电路调通后，利用Protel99画出电路原理图，并制作PCB板，进行联机调试（5）观察并记录实验所得出的波形图，改进电路参数，提高电路的性能和效率2.5 结果预计经过近3个月的实验和调试，完成基于单片机控制的智能充电器的设计和制作。充电器可方便地实现涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电四个充电过程对蓄电池进行充电，并将相关参数显示在液晶显示屏上，待充满电或者充电过热时，进行声光报警。 2.6 研究的总体安排与进度本文主要内容是设计单片机控制的智能充电器。而且通过对中外文献资料的阅读、分析和比较，可以为文章的撰写提供丰富的理论素材，此外，还开展自己动手设计制作电路。最后再根据掌握的理论和实验的结果，结合自身所学的专业知识进行论文的写作。为了合理有效地进行文章各部分的写作，本人制定了如下的研究计划：第一阶段：12月5日2月15日，阅读并收集文献资料，撰写报告和文献综述的初稿。第二阶段：3月2日3月15日，对开题报告和文献综述初稿进行修改完善。第三阶段：3月16日3月21日，准备PPT，为开题报告答辩做准备。第四阶段：3月22日4月中旬，焊接调试电路，根据各部分的作用对硬件电路进行调试，并撰写毕业论文初稿。第五阶段：4月中旬4月底，编写程序对硬件电路的控制，并联机调试，并对初稿进行修改。第六阶段：4月底5月底，对硬件电路的参数和性能进行改进，得出实验的波形图，并对论文第二次修改，第七阶段：6月5日，终稿。第八阶段：6月中旬答辩。参考文献1王鸿麟，钱建立，周晓军智能快速充电器设计与制作M北京：科学出版社，2001：95-992朱松然铅酸蓄电池技术M第二版北京：机械工业出版社，2004：23-263徐曼珍阀控式密封铅酸蓄电池及其在通讯中的应用M北京：人民邮电出版社，1997：56-624 R.D.MiddlebrSmall-Signal Modeling of pulse-Width Modulated Switched Mode Power ConvertersJProceedings of the IEEE，1988，76(4)：343-3545 F.DongTan，R.D.MiddlebrookA Unified Model for Current-Programmed ConvertersJIEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(4)：397-4086杨旭等开关电源技术M北京：机械工业出版社，2004：122-1307钱良国智能充电技术和智能充电器M北京：铁道标准设计出版社，1999：201-2058李恩琪直流电源充电装置的发展及其在电力系统中的应用M. 安徽：安徽电力，2005，22(3)：33349邱书波蓄电池自动充放电控制器的设计与实现M西安：西安电子科技大学出版社，2001：32-3310刘贤兴，李众李捷辉.新型智能开关电源技术M北京：机械工业出版社，2003：78-8211周志敏，周纪海开关电源实用技术与设计M北京：人民邮电出版社，2003：115-120第3章 外文翻译Development and Testing of the AC Battery System交流电池系统发展和测试Garth P. Corey蓄电池部，桑迪亚国家实验室部2225时，MS - 0613，邮政信箱5800，新墨西哥州87185-0613Abstrac摘要1990 年，美国能源部批准桑迪亚国家实验室负责 Omnion 动力工程的技术发展工作。桑迪亚国家实验室主要负责与Omnion 合作研发一种交流电池，并完成交流电池的测试工作。这次研发的这种交流电池，功率可达到250千瓦，总能量达到167千瓦时。这种交流电池是一种高达200次深循环放电使用的铅酸蓄电池。该系统的独特功能和最新的实地测试结果公布在此文件。I. INTRODUCTION 一 . 导言 In 1990, a project to develop and test a utility scale, modular, transportable battery1990年，美国能源部、能源管理办公室、Omnion电源工程公司和桑迪亚国家实验室（SNL与设计和咨询）联合发起开发和测试便携式电池系统的项目。这个项目还得到了太平洋煤气和电力公司（PGE公司），圣拉蒙和电力科学研究院（EPRI）的大力支持。随着其发展，电力科学研究院研制了一个精密的监测系统，主要用于测试两个交流电池模块之间的充放电机理，进一步了解交流电池在充放电过程中的化学反应。等到该电池系统的研究成熟之后，还可以用于负责能源管理的变电站和输电配电的公用事业（TD）中。 Omnion电源工程公司提出了模块化的，易于运输的，便于检测控制的设计办法，这种设计被能源管理部定为交流电池的原型设计。在1993年10月下旬，由太平洋煤气和电力公司进行电池系统模块化试验，并完成相应的性能测试。二AC BATTERY DESIGN CONCEPerer 交流电池设计理念TheAC Battery is a battery energy storage system (BESS).The AC Battery design concept is uniqueamong current BESS designs in that the unit is made up of a transportable container that holds 8 modules, each rated at 3 1 kW, 2 1 kWh, that operate independently of one another providing 3 phase power to the utility grid.交流电池是电池储能系统，其设计理念是比较创新的。交流电池的储能单位是一个可移动的充电容器，该容器由8个充电模块组成，每个模块的功率可达到3 1千瓦，能量可达到21千瓦时。交流电池的另一个独特之处在于每个模块由48组12伏的 Delco Remy 2000电池组成。相反，当前的单元电池采用常规的构造模式，其成本高，充电速度慢，安装固定不易拆除。此外，这种常规电池容易损失电能，由此可能导致整个储能系统的性能下降。而交流电池模块的电能亏损只有系统总容量的12.5。交流电池设计团队的主要目标，是设计一种电池储能系统，使其在的电网工业中发挥作用。交流电池模块的物理和电气特性概述如下。 AC Battery Physical and Electrical Attri交流电池物理和电气属性总系统单个模块尺寸I5Lx8Wx11H5Lx3Wx4H重量40，000磅40000磅容量250千瓦时31.25千瓦时功率167千瓦20.8千瓦实用接口480伏交流电（三相）252伏交流电（三相）目前的总谐波失真5不适用功率因数统一/可控统一/可控该交流电池系统还允许多个交流电池聚合，达到兆瓦的输出功率水平，投入到更高功率要求的电网应用场合中。此外，还具备智能控制的能力。按负载大小的不同，系统控制单个或多个电池模块的输出。工厂要组装和测试交流电池，需要有特别许可证。场地要求是比较低的，考虑到交流电池容易腐蚀，只需要一个8x14米的混泥土盖在其上面。三交流电池特性111.AC BATTERY CHARACTERISTISANSSA交流The AC Battery consists of a weather proof container inwhich 8 independent,JIAOLIUN 电池有防风防雨的功能，里面安装有8个独立的、远程控制的充电模块。每个模块包含电流检测部分、直流转换部分，交流电源转换部分和控制部分。直流转换部分是由符合国家标准的绝缘栅双（IGBT的）的控制的，直流转换部分提供直流电源给负载或对电池充电。一个开关频率为3 kHz的IGBT的能提高能量转换的效率。Omnion 设计的交流The AC Battery consists of a weather proof container inwhich 8 independent,JIAOLIUN 电池取消了3 kHz分频器模块，改为开关频率为 60 kHz 线路设计。这种功能较大限度地减少3 kHz到输出谐波。交流电池的主要设计目标是：1.0 Well suited for volume manufacturing适合于批量制造 0Modular, designed for maintainability 2.模块化设计的可维护性 0Turn-key, factory assembled and tested 3.组装和测试工厂 Transportable, no special permits 4.可移动的，需要特别许可证 Remotely dispatchable 5.远程分派 0High quality power output 6.高品质的输出功率 0Minimal site preparation 7.最小的场地准备8.0No exposure to DC988 没有接触直流 0Electrically safe for user 9.电安全的用户 0Upgradable for new battery technology 10.可升级为新的电池技术 IV.PROTOTYPE TESTING 四.原型试验 In late October 1993, the AC Battery prototype was delivered to PG&Es MGTF in San Ramon, CA.From the time the unit rolled into the facility until it was unloaded, safety checked, and tied-in to the MGTF grid was only a matter hours proving the portability conceptfor the system.1993年10月下旬，交流电池的使用已传递到圣拉蒙、加利福尼亚。从一个地方卸载到另一个地方的安装完成，只需一个小时时间，证明该系统的可移植性的非常好。一般来说，这种交流电池可以安装在任何位置。现场测试，包括充放电性能和使用周期的测试，得到了太平洋煤气和电力公司和电科院的批准。基线测试用该系统100放电深度放出的容量（制造商建议的10.4伏电池）来确定系统的绝对容量。尽管这样的测试会造成一定程序的浪费，但却可以准确的系统的实际容量。第一次基线试验表明，该系统可为功率为167千瓦的负载提供电能1小时12分钟。第二次基准测试（太平洋煤气和电力公司的系统测试）对系统开始定性检测，以确定该系统如何在不同领域的情况下运行。测试的目标是确认系统的性能是否满足最初的设计要求。The results of other characterization tests yielded no remarkable events. Several field engineering fixes wereimplemented during characterization testing as more was learned about the function of battery strings in an operationalenvironment. Using information obtained from the EPRI intensive monitoring system, it was noted that a persistent temperaturegradient was present in the monitored modules. During high current operations, in both charge anddischarge modes, temperatures varied as much as 10C from the bottom to the top of a module.其他特性测试的结果没有出现异常的情况。这些系能测试更多是了解电池组在相关操作环境中的发挥出来的性能。从电力科学研究院精密的检测系统获得的信息指出，在该系统的充电模块中有持续的温度梯度。在高电流作业的充放电模式下，从底部到顶部的温度变化高达 10C。由于输出电压随着电池温度变化而变化，所以环境温度的变化会直接影响该系统充电和放电的性能和功效。电池性能测试的程序，包括很多不同的模块。模块1 是一个电力科学研究院集中检测模块，模块1中检测到的数据可以在其他模块使用。例如分析模块1的数据，可以得出之所以一个额定电压为2V的电池模块没有输出电压，可能是出现了断路的情况。直流电压输出信号的特征模块的在正常操作过程中有更多的用途。模块3可以检测和储存直流电压信号，工作机理大致与模块1相同。测试人员通过中断测试，根据模块1和模块3的数据来确定模块组中有缺陷的部分。此操作的动机是两方面： 1.Correctexisting battery problems and bring the system up to operational standards prior to beginning life cycle testing; and 2. Validate field maintenance concepts of module ease of removaland replacement in the field. 1.更正现有的电池问题，使系统达到标准开始之前就进行电池周期测试； 2.维修和更换模块的问题。根据早期的测试期间收集的数据，电池运行故障后，迅速查明原因和更换有缺陷的模块。 Throughout the characterization testing phase, module 6continuously exhibited serious functional problems and, near the endof characterization testing, indicated a seriousloss of capacity for the battery string.在整个电池性能测试过程中，模块6不断检测交流电池的容量。一旦检测到交流电池的容量有严重的损失，模块6就会报警。测试小组如果发现此种情况出现，就会立即查找功能失调模块，更换新的模块，并马上安装和连接，进行安全测试，整个过程大概需要4个小时的时间。在Omnion动力工程的系统评价标准中，噪声电流传感器对模块运行中的故障起着报警的作用。 在1994年4月完成了交流电池特性测试的工作。在此之前，还进行了一个基准测试，这个测试的结果不太理想，因为系统无法达到最低的容量规格。这使得测试团队重新评估对交流电池的充电方法，看原先的充电方法是否是造成基准测试结果不理想的原因。后来研究证实，原先的充电方法确实不够理想，该方法没有很好地符合交流电池的充电性能，从几个关键的模块检测到的数据也不够准确。这种充电方法促使电池的电能过快地被消耗，进一步影响了电池的预期寿命。此外，当电池充电接近 100%的状态时要考虑以浮充电流充电，以补充电池本来损耗的电能。改进充电方法之后，测试组重新对交流电池进行测试，测试结果是比较成功的。On August 8, 1994, the prototype AC Battery systemwas shut down and the modules shipped to Delco Remy, Indianapolis for retrofitting of the entire complement of384 batteries. Testing is scheduled to resume in early January 1995. 在1994年8月8日，交流电池的系统被暂停使用，并运送到运往德科雷米印第安纳波利斯，于1995年1月上旬恢复测试计划。V.LESSONS LEARNED 五 . 经验教训