智能型大功率蓄电池充电机的设计与实现.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.84M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2国内外研究概况

1.3 铅酸蓄电池的组成、特性

1.3.1铅酸蓄电池的组成

1.3.2铅酸蓄电池的特性

1.4铅酸蓄电池的工作原理

1.4.1铅酸蓄电池电动势的产生

1.4.2铅酸蓄电池放电过程的电化学反应

1.4.3铅酸蓄电池充电过程的电化学反应

1.4.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化

1.5论文的主要研究工作及本文结构

第二章铅酸蓄电池的充电方法研究

2.1 蓄电池充电理论基础

2.2充电方法的研究

2.2.1常规充电法

2.2.2快速充电技术

第三章智能充电机的硬件设计

3.1主电路方案的选择

3.2开关电源的拓扑结构选择

3.3智能充电机主电路设计

3.3.1整流桥的选取

3.3.2整流滤波电容的选取

3.3.3功率管的选取

3.3.4高频变压器的设计

3.3.5滤波电感的设计

3.4智能充电机控制及驱动电路设计

3.4.1 DSP控制器介绍

3.4.2 PWM控制器

3.4.3 IGBT驱动电路

3.4.4信号采样电路

3.4.5液晶显示

3.4.6键盘电路

3.4.7通讯电路的设计

3.4.8 EEPROM存储芯片和时钟芯片

第四章智能充电机的系统软件设计

4.1 DSP系统中的C语言编程

4.1.1 C语言编程的必要性

4.1.2 C语言编程时应注意的几个问题

4.2系统软件开发

4.2.1工作流程及软件设计要求

4.2.2主程序的设计

4.2.3变电流充电程序流程图

4.2.4二阶段充电程序流程图

4.2.5五阶段充电程序流程图

4.2.6初充电程序流程图

4.2.7智能充电机的网络控制

4.2.8数字滤波

第五章系统调试和实验结果

5.1 系统调试中遇到的问题

5.1.1键盘干扰问题

5.1.2给定量的校正和采样显示值校正

5.2充电机实验结果

第六章课题的总结和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢

上海大学硕士学位论文智能型大功率蓄电池充电机的设计与实现姓名：张小群申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：高艳霞20070101

上海大学硕E学位论文摘要我国煤矿生产中大量使用蓄电池机车作为牵引运输工具，蓄电池作为机车电源得到广泛应用。然而，当前煤矿上所使用的蓄电池充电设备大都属于70年代末开发基于晶闸管的产品，技术上存在体积大、充电时间长、对电池伤害大及充电效率低等缺点，不能适应现代化装备要求。因此，新型大功率智能充电机的研发具有很好的理论及实用意义。作者研制了基于快速全控器件IGBT的开关电源式智能充电机，该充电机具有体积小、效率高的特点，配以DSP控制，该充电机具有良好的人机界面，可灵活地实现各种控制策略。本文对该充电机进行了详细地论述。作者在对蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法研究的基础上，提出了改进型变电流间歇充电方法，使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，减弱了蓄电池充电极化的影响，避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问题。充电后期采用小电流浮充，并根掘蓄电池电压是否负增长来判断充电完成。除了变电流充电外，本智能充电机还实现了二阶段充电、五阶段充电及初充电三种充电方式。可以满足不同用户对蓄电池充电的要求，具有较好的通用性。在充电系统的设计中，采用了高频开关电源技术，主回路由三相整流电路、全桥变换电路构成。功率开关管选用IGBT模块。控制电路以TMS324LF2407芯片为核心，配以接口电路、采样电路、IGBT驱动电路等，可按照预置自动控制充电过程，并在充电过程中进行充电数据(包括电池端电压、充电电流及电池表面温度等)的自动采集、实时显示、批量存储及分析处理等。实验结果表明该充电机具有体积小、重量轻、使用简单、免维护、高效节能及人机界面友好等优点。关键词：充电机，数字信号处理器，蓄电池，变电流V

．J：海大学硕f：学位论文ABSTRACTElectricvehiclesdrivenbystoragebatteryarcwidelyusedincoalmine．However,thechargersusedarebasedonSCRwhichWCI'edevelopedin1970s．Theyhavemanydisadvantagessuchasbigcubage，longchargertime，damagetostoragebaReryandlowefficiency．SotlIeyCan’tmeettheneedsofmodemequipmentdemands．Delvelopmentofnewintelligentchargershastheoreticalandpracticalvalues．Thispaperintroducesaintelligentchargerbased011IGBTwhichhassmallcubageandhighefficiency．WithDSPcontrol，thischargerhasfriendlyinterfaceandCanneatlyrealizemanykindsofcontrolstrategies．VariableCurrentchargermethodwithinterruptandtimelimitisproposedafterresearchingchargerprincipleandmanykindsofchargermethods．VariableCurrentchargermethodCanmakechargercuHentfollowaJ．A．Masproposedacceptablecurveandpolarizationisreduced．Toomuchairbubbleandtoohightemperatureduringchargingarealsoavoidedbyusingthismethod．Theendchargercurrentissmall．Minusvoltageincreasewayisusedtojudgewhetherbatteriesafefullchargered．Thisintelligentchargerrealizesfourchargermannersincludingvariablecurrentcharge，twostepscharger,fivestepschargerandinitialcharger．Itcallmeetthenegdsofdifferentcustomers’demands,soitisuniversal．ThetopologyusedinthechargerisfullbridgepowersupplyMaincircuitiscomposedbyarectifierandHbridge．IGBTisusedaspowerswitch．TMS324LF2407isthemaincontrolchip．Togetherwithinterfacecircuit，samplecircuitandIGBTdrivercircuit，thisintelligentchargerCanautomaticlychargerthebatteriesfollowingsetnlanner．ItCanalsosamplethechargedataduringchargering，andthensaveanddealwiththem．Resultsoftheexperimentshowthatthisintelligentbatterieschargerhasmanyadvantagessuchassmallcubage，lightweight,easyusc，maintenance丘ee'highefficiencyandfriendlyillterrace．Keywords：Charger，DSP，Lend-acidbattery，VariablecurrentchargeVI

rJ：海大学硕I：学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。签名：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即j学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：——日期：Ⅱ

上海人学硕上学位论文第一章绪论1．1课题研究的目的和意义铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目fi；s的工农业生产中的需求正R益增大。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍的关注。一方面，传统的充电方法充电时间较长，远不能适应现代生产和生活的需要。资料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般大约需要20小时左右的时间才能充满。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的充电要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，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，国内蓄电池很难达到规定的浮充寿命(一般12～16年)，大量的蓄电池在使用几年后即报废，造成了巨大的经济损失。因此如何正确地监控和测量蓄电池的充电状态、减少充电损耗、提高充电速度，延长蓄电池的寿命，具有十分重要的经济意义。1．2国内外研究概况上个世纪初，随着二次电池的研究成功，与之相配套的充电机应运而生。这种充电机采用常规充电法，即用小电流，长时间对蓄电池进行充电。随着汽车工业、通信技术、计算机技术的迅猛发展，电源技术及与之相关的充电技术也随之发展。为了满足快速有效的充电要求，人们广泛开展了充电机研究。充电机也从早期的普通型、可调型，发展到现在的快速充电型。快速充电机的产生大致经历了三个发展阶段：(一)摸索阶段最早是在上个世纪50年代，美国由于军事上的需要，开始研究快速充电技术，制成了金属整流器型快速充电机，用于6-24V铅酸蓄电池的快速充电，其重量为40Kg，有快、中、慢三种充电模式。(二)理论研究阶段

上海人学硕}学位论文1967年美国人马斯(Mas)研究了充电过程中产生气泡的问题，发现出气的原因和规律，他以最低出气率为前提，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线，对蓄电池快速充电的理论进行了探讨，并在实践的基础上，提出了蓄电池快速充电的一些基本规律。(---)实际应用阶段1970年美国麦卡洛克(Mcculloch)电子公司制成了铅酸蓄电池快速充电机，对190AH的电池施以500A的电流充电，而以1200A的电流短时间放电去极化处理，结果在30分钟就把电池充好。除美国外，其他如日本、英国、法国、德国、前苏联等国也在快速充电技术方面有不同程度的发展。英国联营公司(EurotecFinishingSystems)发明的“TEC总能量智能式充电控制技术”及其控制系统，有效地控制了粉粒充电时所需的能量，克服现有电晕式充电系统及磨擦式充电系统所引致的各种问题，解决了“法拉第屏蔽效应”及“反向电离作用”等问题国内对快速充电机的研究时问不长，只有二十年左右的时间，但已取得很大的进展。如国营第755厂、756厂和804厂、北京华能电子仪器厂、6913厂等单位分别对镍镉蓄电池与充电技术及装置进行了研究，研制出了脉冲充电装置，使镍镉蓄电池的充电时间减少到l一3小时。中国人民解放军第二炮兵智能充电研究所、中国人民解放军80438部队也研究出了智能充电机，为军用通信装备配套电源的电池及铅酸电池充电。近年来充电机的研究方面主要呈现如下几个特点：a集成化、高密度化。它包含了两层含义，一是构成功率器件的元件微型化、密集化；二是功率器件集成在单片IC中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。b高频化。提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等。这也使得歼关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。高频化的实现建立在高开关速度功率器件的基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。c智能化。主要体现在对被充电电池的自适应性和对环境的自适应性方面。

上海大学硕t学位论文智能化具体表现为能识别充电电池的类型，能检测到当|j{『状态，并根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时『自J内，高效地将电池充满。由于自动生成最佳充电曲线与制造厂提供的曲线一致，也保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。1．3铅酸蓄电池的组成、特性【111211311．3．1铅酸蓄电池的组成构成铅酸蓄电池的主要部件有正极活性物质Pb02，负极活性物质Pb，电解液H：S04，此外还包括隔板、电池槽和一些必要部件。正负极活性物质是分别固定在各自的板栅上，活性物质加上板栅组成正极或负极。板栅在电池中虽不参加成流反应，但是对电池的主要性能如容量、寿命、比功率等都有很大的影响。一个单体铅酸蓄电池的电压为2．OV。为满足一些用途的需要，也可以将几个单体电池装配在同一个电池槽中组成电池组使用。铅酸蓄电池的优点：①原料易得，价格相对低廉；②高倍率放电性能良好；③温度性能良好，可以在一40～+60℃的环境下工作；④适合于浮充电使用，使用寿命长无记忆效应；⑤废旧电池容易回收，有利于保护生态环境。铅酸蓄电池的缺点：①比能量低，一般为30～40wh／kg；②使用寿命相对较短；③制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。1．3．2铅酸蓄电池的特性(1)铅酸蓄电池的内阻当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，

。t-海丈学硕士学位论文这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即：R=Ro+』跏(1—1)其中‰为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量；粕是由于电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大，J‰越大。(2)铅酸蓄电池的极化【39J所谓极化，是指电流通过蓄电池时，正负极板表面电位的偏移。蓄电池在充电过程中，除了电化学反应会使蓄电池的端电压升高外，蓄电池中产生的极化电压(共有三种：电阻极化、离子浓差极化、电化学极化)也会使蓄电池的端电压升高。铅酸蓄电池的极化现象对其充电的负面影响主要表现在以下几个方面：1)极化产生的过电压会阻碍充电电流增加，减缓电池的化学反应速度。2)使化学反应过程中的水解加剧，产生大量气体。产生的气体不仅会延缓电池的充电过程，而且对极板有严重的腐蚀作用。3)电池内部水解将产生大量的热量，使电解液的温度升高。当电池温度升高到一定的程度时，会引起极板受热变形，以致损坏。4)水解所消耗的热量损失不能得到利用，从而也就浪费了能量，降低了充电过程的电能效率。可见极化所产生的过压、气泡、温升、能耗等对蓄电池都是极为不利的。此外，充电电流愈大，则极化现象愈严重。如果不设法消除或缓和极化现象，就难以实现高效、快速无损充电。这也是长期以来人们用小电流进行常规充电的原因。(3)铅酸蓄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％10％，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。当老化达到一定程度时，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80％时，就可以认为电池的寿命基本结束了。4

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