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1、铅酸蓄电池快速充电器的设计Design of Lead-Acid battery fast charger学科专业：电力电子与电力传动 研 究 生摘 要本文分析了铅酸蓄电池的特性以及国内外充电技术的发展现状，指出提高铅 酸蓄电池充电速度的关键是消除充电过程中电池的极化现象，在目前已有充电方 式的基础上采用了脉冲充电与变电压充电相结合的脉冲式变电压充电方式，使充 电曲线最大程度的模拟麦斯最佳充电曲线，尽可能的提高电池充电速度。本文设 计的快速充电系统在充电前期采用脉冲式变压快速充电方式，充电后期采用恒定 小电流补足充电，达到快速充电的目的。 考虑到铅酸蓄电池充电是一个复杂的电化学反应过程，充电控
2、制系统是一个 非线性的、时变的、有干扰的控制系统，所以本系统引入模糊控制，在控制方法 上采用 Fuzzy-PI 混合控制方式，将模糊控制和 PI 控制的优点结合起来，力求达 到最优控制效果。 铅酸蓄电池快速充电系统成功的实现了数字化控制，以 MC56F8013 作为控 制系统的核心处理单元，实现数据采集、模糊算法、脉冲驱动以及人机接口的功 能，采用高频开关电源实现充电电源，组建了充电系统的硬件平台。同时，为了 减小对电网的污染，提高系统效率，本充电装置具有功率因数校正功能。 在理论分析的基础上，应用 Simulink 仿真软件对充电控制系统进行了建模仿 真，仿真结果表明，基于 Fuzzy-PI
3、 混合控制的充电控制系统具有良好的动态性 能，控制效果理想。同时，对功率因数校正电路和开关电源电路进行了实验调试， 实验结果表明，系统的功率因数大大提高，并且可以得到相对稳定的直流电压输 出，具有良好的实际应用前景。关键词：铅酸蓄电池；快速充电；功率因数校正；Fuzzy-PI 混合控制； MC56F8013IABSTRACTIn this paper, we analyzed the characteristics of Lead-Acid batteries and the development status of charging methods domestic and oversea
4、s, pointing out that the key to improve charging speed of Lead-acid batteries is to eliminate the polarization of batteries during charging process. We suggested the pulse variation-voltage charging method on the basis of current charging method which combine the variation-voltage charging method wi
5、th the pulse charging method. The charging curve analog J.A.Masoptimal charging curve maximum, so the charging speed is raised as much as possible. The fast charging system we design in this paper were charged with pulse variation-voltage charging method in the first charging stage, and in the secon
6、d charging stage it was charged with constant small current to complement the remainder charge, achieving the purpose of fast charge. Considering that the charging process of Lead-acid batteries is a complex process of electrochemical reaction, the charging control system is a non-linear, time-varyi
7、ng, and interfered control system, so we introduce fuzzy-control method，we use fuzzy-PI hybrid control method, which combine the advantages of both fuzzy-control method and PI control method, trying to achieve the optimal control effect. Fast charging system of lead-acid batteries achieving digital
8、control successfully, MC56F8013 was used as core unit of control system, realizing data collection、 fuzzy algorithm 、 pulse-driven and man-machine interface functions. high-frequency switching power source was used as charging power source, we set up a hardware platform of charging system. Additiona
9、lly, we added power factor correction circuit to reduce pollution to power system and to improve system efficiency. On the basis of theoretical analysis, we set up models about charging control system and carried on simulation using Simulink software. The simulation result shows that the charging co
10、ntrol system based on Fuzzy-PI hybrid control put up good dynamic performance and the control results are satisfactory. At the same time, we take on experiments on the power factor correction circuit and the switching power source circuit, the experiment results show that the power factor was highly
11、 raised and we get relative stable DC voltage output, which with preferable prospects for practical application.IIKEY WORDS：Lead-acid battery, fast charge, power factor correction ，Fuzzy-PI hybrid control, MC56F8013III目 录第一章 绪论.1 1.1 选题目的、背景和意义.1 1.2 铅酸蓄电池充电技术及模糊控制的国内外发展状况.2 1.2.1 充电技术的发展状况.2 1.2.2
12、模糊控制的发展状况.2 1.3 铅酸蓄电池的微观充电特性.4 1.3.1 蓄电池充电过程中的化学反应.4 1.3.2 铅酸蓄电池的基本概念.5 1.3.3 阀控密封铅酸蓄电池的充电技术要求.6 1.3.4 蓄电池充电过程中的极化现象.7 1.4 本课题主要研究任务.8 1.5 本章小结.8 第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论.9 2.1 铅酸蓄电池传统的充电方法.9 2.2 铅酸蓄电池快速充电原理.11 2.3 几种蓄电池的快速充电方法.12 2.4 充电控制技术.14 2.5 本充电装置的设计方案.15 2.5.1 系统的技术指标及基本功能.15 2.5.2 充电方法及控制技术的选择.15 2
13、.5.3 充电系统整体结构.16 2.5.4 充电方法的控制与实现.17 2.6 本章小结.17 第三章 充电装置的硬件电路设计.18 3.1 功率因数校正电路.19 3.2 高频开关电源的设计.21 3.2.1 反激式变换器工作原理.22 3.2.2 开关电源工作原理.24 3.2.3 变压器的设计.25IV3.3 数字控制系统的设计.27 3.3.1 控制器的选择及总体结构.27 3.3.2 电压采样电路设计.30 3.3.3 电流采样电路设计.31 3.3.4 温度采样电路.31 3.3.5 斩波电路.32 3.3.6 脉冲驱动电路.33 3.4 本章小结.35 第四章 基于Fuzzy-
14、PI算法的模糊控制器设计.36 4.1 模糊控制理论.36 4.1.1 模糊控制原理.36 4.1.2 模糊控制器的设计步骤.37 4.2 Fuzzy-PI混合控制算法.39 4.2.1 PI控制器的设计 .40 4.2.2 模糊控制器的设计.41 4.3 本章小结.44 第五章 充电装置的软件设计.45 5.1 主程序工作流程.45 5.2 实时时钟中断程序设计.47 5.3 PWM控制策略的实现 .48 5.4 本章小结.49 第六章 系统仿真与实验.50 6.1 MATLAB简介 .50 6.2 充电控制系统仿真模型.50 6.3 功率因数校正及开关电源实验结果.54 6.3.1 功率因
15、数校正电路实验分析.54 6.3.2 开关电源实验结果.56 6.4 本章小结.56 结束语.57 参考文献.59 发表论文和参加科研情况说明.62 致 谢.63V第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题目的、背景和意义随着蓄电池的发展，充电技术也在不断提高，蓄电池充电技术的发展经过了 一个漫长的过程，从传统的恒流充电、恒压充电、恒压限流充电，发展到现在的 智能充电，充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求，更重要的是提高 了充电质量，延长了蓄电池的使用寿命。 铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国 防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池
16、有密 封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整 个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。但免维 护电池对充电技术的要求也更为严格，国内外实践证明，免维护电池浮充电压偏 差 5%，电池的寿命将减少一半，工业生产中因为充放电控制不合理而损坏的电 池占相当大的比例，造成了极大的浪费。传统的充电技术不仅充电时间长，不能 适应现代生产和生活的需要，而且大多不能精确控制充电程度，使电池不能发挥 最大效能，缩短了使用寿命1。 目前大多数充电器均采用传统控制方法，传统控制方法是建立在精确的被控 对象数学模型的基础之上，其调节效果取决于控制器参数的整定，但是
17、常规控制 器不能在线整定参数，而充电系统是一个时变的、非线性的系统，难以获得其精 确的数学模型，使得传统控制很难获得预期的效果。随着现代自动控制系统对控 制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，智能控制的出现解 决了这一难题。智能控制主要是用来解决传统控制难以解决的复杂问题的一种先 进的控制理论和技术，它把人工智能的方法引入控制系统，并根据人的经验、逻 辑推理和自学习能力，从定性和定量相结合的方法入手，对那些因结构复杂、参 数时变而难以用精确数学模型来解决的被控对象给出灵活的控制策略，其中以模 糊控制的应用最为普遍和成熟。 如果能够在目前充电技术的基础上提出一种新的适用于铅酸蓄电
18、池的模糊 控制充电技术，用智能化控制代替传统控制，不用建立精确的充电系统模型，使 充电电流自始至终处于电池可接受电流曲线的附近，提高充电速率和效率，并保 证充电精度和电池的性能，这样就能够大大的节省能源提高电池使用寿命，具有 很大的现实意义和使用价值，也势必会取得良好的经济效益和社会效益。1第一章 绪论1.2 铅酸蓄电池充电技术及模糊控制的国内外发展状况蓄电池充放电技术的发展经过了一个漫长的过程，早在 1935 年，伍德布里 奇发现了温度对充电的影响。1967 年，英国人麦斯(J.A.Mas)研究了充电过程中 的析气问题，发现了析气的原因和规律。随着人们对充电问题的日益重视，不少 充电装置也相
19、继问世，例如以电流接受能力控制的铅酸蓄电池充电装置和其他的 快速充电装置等，但是这些充电装置大都是采用模拟电路实现，体积较大，调试 复杂，且控制效果差。到 90 年代后，集充电、放电、检测和管理于一体的智能 化充电控制器才被开发出来。 1.2.1 充电技术的发展状况 对于铅酸电池来说，传统的充电方法主要有恒流、恒压充电以及恒流转恒压 二阶段充电方式。这些方法控制电路简单，容易实现，但是充电时间较长，充电 方法过于单一，控制不当很容易对电池本身造成伤害，影响电池性能和使用寿命。 在国内，蓄电池充电装置较多采用的是晶闸管硅整流设备，尽管晶闸管整流 设备功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到广泛的应用
20、，其控制方案一般为模 拟调节式。随着生产中工艺要求的提高，蓄电池的充电速率和效率越来越受到重 视。快速充电技术的研究和改造在最近几年得到了很多科研人员的关注，而且取 得了一些成果，并首先成功的应用到电动汽车和煤矿机车牵引用蓄电池中1。改 造过的快速充电器都实现了数字化控制，借助微机控制，使整个系统的稳定性有 很大提高，使充电系统的调试和维护工作大大减少。但是这些快速充电技术大多 是采用传统的控制方法和思想，从评价快速充电技术性能的几个指标(即充电的 时间长短、充电的效率、稳升的大小和寿命的长短)来看，还存在一些不理想之 处，针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了 一
21、些新型的充电方法 ，如分级定流充电法、脉动式充电法、Reflex充电法、变 电流间歇充电法等实现最佳充电模式。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流法 已得到广泛的应用，近几年，也有人开始采用更加新颖的充电控制方法，例如模 糊控制充电法，利用模糊控制本身适合处理非线性系统的优势，更好的处理充电 过程中的时变性和干扰性等常规控制方法难以解决的问题2。 1.2.2 模糊控制的发展状况 模糊控制作为智能控制中的一个部分，它的发展和应用是相当迅速的。自从 1965年美国L.A.Zadeh教授首先提出模糊集合和模糊控制的概念后，便开始了对2第一章 绪论模糊控制的大量研究。 1974年英国罗敦大学教授E.H.
22、Mamdani首先成功地把模糊理论用于锅炉和 蒸汽机的控制，这一开拓性的工作标志着模糊控制工程的诞生。1979年英国的 I.J.Proc业和E.H.Mamdani研究了自组织的模糊控制器，标志着模糊控制器“智能 化”程度进一步向高级阶段发展。此外，日本在模糊控制应用方面走在了世界的 前列，日本有专门的模糊控制研究所。据日本电气公司(NEC) 1991年9月统计， 松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高档家电中普遍应 用了模糊控制技术。美国的模糊工程是从美国宇航管理局(NASA)开始的。美国 专门从事模糊控制开发的机构是Togai Infalogic公司，主要从事模糊加速板和软
23、件 开发工具的研究。德国西门子公司和通讯电器公司联合研制了模糊166芯片，这 种芯片具有三维模糊逻辑功能，可以操纵无人驾驶模型汽车。 我国模糊控制理论以及应用研究工作是从1979年开始的，虽然起步较晚，但 发展迅速，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集 合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。1979年，李玉缓、刘 志俊等人用连续数字方法研究了典型模糊控制器的性能。1986年，都志杰等人用 单片机研制专用模糊控制器。1987年，张洪敏和张志敏研制成功我国第一台模糊 推理机。随后，在我国不少高校和研究所都成功研制用于工业控制的模糊控制器。 近年来，我国也推出了
24、模糊全自动洗衣机、模糊电饭煲、模糊控制自动恒温器等产品，标志着我国模糊技术的应用研究也有了飞速的发展1 3 4 。短短四十多年，模糊系统理论已引起了学术界的广泛兴趣，模糊控制与传统 空理论论的本质截然不同，传统控制侧重于对被控对象进行确切的数学描述，而 模糊控制的重点在于用已知的对系统的粗略的知识描述系统，并在此基础上引用 了模糊控制算法。从理论上讲，模糊控制有以下优势： 首先，模糊控制无需知道被控对象的精确数学模型。目前，工业过程中的系 统越来越复杂，要想建立精确的数学模型非常困难，模糊控制的出现很好的解决 了这一问题。 其次，模糊控制本质上是一种非线性控制，只要合适的选择控制器参数，就 能
25、完成非常复杂的非线性任务，在控制任务日趋复杂的今天，开发这样一种既简 单又有效的非线性控制器是至关重要的。 最后，模糊控制能够综合利用数据信息和语言信息，这是传统控制方法无法 比拟的，尤其是在数学模型难以获得时，所能利用的信息源只有两个，即来自传 感器的数据信息和来自人类专家的语言信息。而传统控制方法无法利用专家的语 言信息，这时，模糊控制的优势显而易见。 由于模糊控制技术已经渗透到经济社会和科学技术的各个领域。因此，模糊3第一章 绪论技术已引起国际科技界、工程界和企业界广泛的重视，也是目前高新技术领域研 究和应用的热点之一。1.3 铅酸蓄电池的微观充电特性阀控密封铅酸蓄电池的结构、材料都在原
26、有电池的基础上进行了很大的改 进，其工作过程是一个电化学过程，它对充电特性要求较高，要严格控制充电电 流、浮充电压，同时还要考虑温度、环境的影响，尽量减少出气、极化现象，保 证电池的使用寿命。 1.3.1 蓄电池充电过程中的化学反应 铅酸电池是一种二次电池，它的正活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质 是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4),当电池处在开路状态时，正负极 上的活性物质与稀硫酸之间的反应趋于稳定，形成平衡电极。 1882 年格拉斯顿(J.H.Glandstone)和特雷伯(A.Tribe)提出了解释铅酸蓄电池 成流反应的“双硫酸盐化”理论。按照这一理论，铅酸蓄
27、电池的化学反应如下： PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O (1-1)- +PbPbSO4PbO2放电 + H2SO4 充电PbSO4负极板 正极板图 1-1 铅酸蓄电池基本化学反应图 1-1 表示了铅酸蓄电池充放电的化学反应过程，充电时，正、负极的反应 如下：正极反应 PbS04 + 2H20?充? 电负极反应 PbS04 + H+ + 2e ?充? Pb + HS04 ? 电4?Pb02 +3H+ +HS04 +2e?(1-2) (1-3)第一章 绪论蓄电池的放电过程即充电过程的逆向反应，正极由多孔二氧化铅(PbO2)转化 为硫酸铅(PbSO4)而将化学能转
28、化为电能向负载供电，负极由海绵状铅(Pb )转化 为硫酸铅(PbSO4)而将化学能转化为电能向负载供电4。 老式铅酸蓄电池中电解液的水分，在浮动充电末期都会产生电离分解反应而 被电解成氢气和氧气，这些氢气和氧气将慢慢消失在空气中。因此每隔一段时间 必须对蓄电池进行定期补水，以补充电解液中水分的损失，否则蓄电池中的电解 液浓度将大大超过规定值。 而对于免维护铅酸蓄电池，它采用了先进的阴极吸收式密封技术，可把这种 定期补水的间隔时间延长至五年以上。生成的氧气在电场作用下移向电池组的阴 极，在阴极催化剂的作用下，重新与氢气结合生成水。在理想的工作状态下，它 可维持蓄电池的电解液中水的含量保持不变，为
29、了使电池内部的这种气体阴极吸 收方式能够充分进行，它要求在电解过程中水的电解分解反应要尽可能进行的缓 慢，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体通过和传输。 因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电池所允许的 最大充电电流的规定，过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命的缩短。 1.3.2 铅酸蓄电池的基本概念 因为蓄电池的充电涉及到许多相关的专业知识，为了能更好的理解设计课 题，本节简单介绍有关铅酸蓄电池的基本概念3 。 (1) 电池容量 电池容量(C)是蓄电池使用过程中的一个重要参数，是指蓄电池充足电后放 电到终止电压时所输出的电量，单位为Ah、mAh，一般
30、用电流和时间的积分来 定义电池的容量：5C = Idt T 0 (1-4)容量又分为标准容量(额定容量)和剩余容量。额定容量是电池生产者规定的 表征电池容量的标准值，一般规定用恒定电流在20或室温下的放电容量作为额 定容量。剩余容量是指蓄电池在经过一定时间放电后所能继续放出的电量。 (2) 放电速率 为了对不同容量的电池加以比较，电池的放电电流不用电流的绝对值来表 示，而是用电池容量C和放电时间t的比表示，称为电池的放电速率。例如一个容 量C为50Ah的电池，对它进行2小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电5第一章 绪论电流为I = C/ 2 = 0.5C(A) (1-5)充电速率的描述和
31、放电速率的描述相同，采用这种形式来描述电池的充放电 更为直观和方便。 (3) 充电状态(State of Charge：SOC) 充电状态的定义如公式(1-6)，它是指某个时刻电池所剩电量Cr 与电池标称 总容量Ct 的比： SOC = (Cr /Ct)?100% (1-6) 通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为100%的充电 状态，而将电池不能放出能量的状态定义为0%的充电状态。 (4) 放电深度(Depth of Discharge：DOD) 放电深度是指用户在使用蓄电池的过程中，电池放出的电量Qe与电池标称 容量Ct 的比，也就是电池所放的安时数占它的标称容量安时数的百
32、分比。定义 如下：DOD = Qe /Ct 容易得出，SOC和DOD满足如下关系： SOC + DOD = 1(1-7)(1-8)当放电深度为100%时，电池的实际使用寿命大约是200250次充放电循环， 如果将电池的放电深度减至50%时，它所允许的充放电循环可增至500600次左 右，当电池放电深度减为30%时，允许的充放电的循环可达1200次左右。因此， 为延长电池的使用寿命，尽量不要让电池处于深度放电状态。 1.3.3 阀控密封铅酸蓄电池的充电技术要求 阀控式密封铅酸蓄电池生产厂家提供的保证其使用寿命的技术指标是在环 境温度为 25时给出的。由于单体阀控铅酸蓄电池具有温度每上升 1电压下降 4mV 的特性，所以，一个由六个单体阀控密封铅酸蓄电池串联组成的 12V 蓄电 池组，在 25时的浮充电压为 13.5V；当环境温度降为 0时，浮充电压应为 14.25V；当环境温度升至 40时，浮充电压应为 13.05V。另外，阀控密封铅酸