电子产品设计与制造毕业论文.doc

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1、常州机电职业技术学院毕业设计（论文）任务书系 部：电气工程系专 业：电子产品设计与制造姓 名:朱建冬学 号:40931315题 目：蓄电池充放电控制装置设计起迄日期: 年 月 日 月 日设计(论文) 地点:指 导 教 师:专 业 负 责 人：发任务书日期: 年 月 日目录摘要 第一章 绪论 1.1蓄电池及其应用和发展 1.1.1蓄电池及其发展状况 1.1.2蓄电池在各个领域的应用 1.2常用蓄电池的使用维护 1.2.1蓄电池(组)的充电方式 1.2.2蓄电池的主要故障及其原因 第二章 铅酸蓄电池的基本概念及工作原理 2.1铅酸蓄电池的基本概念 2.1.1电池充电2.1.2过充电 2.1.3放电

2、 2.1.4自放电 2.1.5活性物质 2.1.6充电深度 2.1.7放电深度 2.1.8板极硫化 2.1.9容量 2.1.10相对密度 2.1.11运行温度 2.1.12循环寿命 2.2铅酸蓄电池的工作原理 2.21铅酸蓄电池电动势的产生2.2.2铅酸蓄电池放电过程的化学反应2.2.3铅酸蓄电池充电过程的电化反应2.2.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化第三章 电路的设计 3.1化成电源主回路 3.2电压、电流采集电路 3.2.1数据采集模块 3.2.2输出模块控制 3.3人机界面模块 3.3.1键盘模块3.3.2显示模块3.4掉电保护模块第四章 蓄电池充放电控制 4.1蓄电池自动控制器的构成

3、4.2控制策略 结论 参考文献 蓄电池充放电控制装置技术摘要：介绍了铅酸蓄电池发展状况、充电方式、常见故障及原因。继而阐述了蓄电池的基本概念和工作原理。文章以公司最常生产的一种充放电机为例，讲述了其主电路、电压、电流采集电路，人机界面模块和掉电保护电路。并叙述了充放电的自动控制器及其控制策略。 关键词：铅酸蓄电池，充放电，控制。引言：在蓄电池问世以来一百余年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便的存储与提供电能，且具有可逆性好、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、使用及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营活动中不可或缺的重要产品。在大力提倡环保节

4、能、使用绿色能源的今天，蓄电池将具有更加广阔的发展应用前景。一、绪论1.1.蓄电池及其应用和发展 1.1.1蓄电池及其发展状况铅酸蓄电池是世界上各类电池中产量最大，用途最广的一种电池，它所消耗的铅占全球总耗铅量的82%。我国铅酸蓄电池工业本世纪80年代进入蓬勃发展时期，随着国民经济的发展，其市场将不断扩大，以汽车、摩托车、及电力、通讯为主要对象。近年来，电动汽车等无烟交通工具的开发，会使铅酸蓄电池有更大的发展。蓄电池作为直流备用电源，对系统的安全可靠运行有着非常重要的作用。蓄电池是保证直流不间断供电的基础。正常情况下，让蓄电池处于充满而又不过充的状态，这样蓄电池失水率低，负极板析出的氢气少，在

5、整流器一旦无输出时，可以保证蓄电池能够单独向主机供电一段时间，因此对蓄电池的性能要求是比较高的。1.1.2蓄电池在各个领域的应用铅酸蓄电池是1859年G.plante发明的。自铅酸蓄电池被发明以来，因其价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等特点，目前已成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。铅酸蓄电池经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域。1.2常用蓄电池的使用维护 1.2.1蓄电池(组)的充电方式。1、恒流充电法，恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简

6、单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。2、恒压充电法，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。3、阶段充电法、此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。一二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，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

7、间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 二三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。4、快速充电法，快速充电法又分为脉冲式充电法、2REFLEXTM快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法、变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法。1.2.2蓄电池的常见故障及其原因1、蓄电池常见故障及其排除（一）极板硫化极板硫化是指极板上产生了白色、坚硬不容易溶解的粗晶粒。故障现象：蓄电池容量和起动性能明显下降；充电时电压、温度均上升快、电解液过早地出现“沸腾”现

8、象。故障原因：蓄电池长时间处于亏电状态；电解液液面过低；深度放电（即小电流的长时间过放电）；电解液密度过高、不纯、外部温度变化剧烈等。处理措施：极板硫化不严重时，可以用去硫化充电法消除硫化，严重硫化只能报废。（二）自放电在未接通外电路时，蓄电池的电能自行消耗即称之为自放电。自放电不可避免（每昼夜蓄电池自放电量不大于2%C20为正常）。故障现象：充足电的蓄电池停放几天或几小时后就呈现存电不足；充电时端电压和电解液密度上升缓慢。故障原因：表面有油污、尘土、电解液等而造成漏电；极板间短路；电解液不纯等。处理措施：清洁蓄电池盖表面，并对已亏电的蓄电池进行补充充电；加注纯电解液至规定液面高度。（三）活性

9、物质早期脱落是指因使用不当而造成正极板上的活性物质大量脱落，这是蓄电池早期损坏的主要原因之一。故障现象：充电时电解液成为混浊褐色溶液、充电电压上升快、电解液过早出现“沸腾”现象；放电时电压下降过快，容量明显不足。故障原因：充电电流过大或长时间过充电；蓄电池极板组因安装不当而松旷或在车上安装不牢固，使极板组颠簸振动造成活性物质脱落等。处理措施：规范充电电流；少量活性物质脱落，可用蒸馏水冲洗后重新加注电解液并充足电，大量活性物质脱落，应更换极板组。二、铅酸蓄电池的基本概念及工作原理2.1铅酸蓄电池的基本概念2.1.1电池充电 电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学

10、能而储藏起来的操作。2.1.2过充电 过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。2.1.3放电放电是在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。2.1.4自放电 电池的能量未通过放电就进入外电路，像这种损失能量的现象称为自放电。2.1.5活性物质在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。2.1.6充电深度蓄电池在充电过程中从外电路接受的电量与其完全充电状态时的容量的比值。2.1.7放电深度 放电深度是指蓄电池使用过程中放电到何程度开始停止。2.1.8板极硫化 在使用铅酸蓄电池时要特别注意的是：电池放电后要及时充电如果长时期处于半放电或充电不

11、足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成（pbs04）晶体。这种大块晶体很难溶解，无法恢复原来的状态，导致板极硫化以后充电就困难了。2.1.9容量 容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常用安时(ah)表示。2.1.10相对密度 相对密度是指电解液与水的密度的比值，来检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关25时，满充的电池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无法测量。纯酸溶液的密度为1.835gcm3，完全放电后降至1.120gcm3。电解液注入水后，只有待水完全融合电解液后才能准确测量密度。融入过程大约需要数小时或者数天，但是可以通过充电来缩短时问。每个电池

12、的电解液密度均不相同，即使同一个电池在不同的季节，电解液密度也不一样。大部分铅酸电池的密度在1.11.3gcm3范围内，满充之后一般为1.231.3gcm3。常用液态密度计来测量电解液的相对密度值。 高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。这种情况一般会在电池上标明。电池效率受放电电流的影响，因此应避免大放电电流输出导致的效率下降，以及影响电池的使用寿命。2.1.11运行温度电池运行一段时间，就感到烫手，由此可知，铅酸电池具有很强的发热性当运行温度超过25，每升高10，铅酸电池的使用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界低，对于温度变化超过5的情况下最好，带温度补偿充电措施；电池温

13、度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘2.1.12循环寿命循环寿命是指在一定的充放电制度（I放、T、V终）下，电池容量降低（衰减）到某一规定值之前，电池能经受多少次充电与放电2.2铅酸蓄电池的工作原理 2.2.1铅酸蓄电池电动势的产生： 铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅（PbO2）,在硫酸溶液中水分分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅（Pb（OH）4），氢氧根离子在溶液中，铅离子(Pb)留在正极板上，故正极板上缺少电子。 铅酸蓄电池充电后，负极板是铅酸(Pb)，与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子(Pb+2)，铅离子转移到了电解液中，负极板上留下多余的两个

14、电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。2.2.2铅酸蓄电池放电过程的化学反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池电位差的作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流。同时在电池内部进行化学反应。负极板上的每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子(Pb+2)与电解液中的硫酸根离子反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板的铅离子（Pb+4）得到来自负极板上的两个电子后，变成二价铅离子与电解液中的硫酸根离子反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板水解出的氧离子与电解液中的氢离

15、子反应，生成稳定物质水。 电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正极板，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电视H2SO4浓度不断下降，正极板上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。化学反应是为：正极活 电解液 负极活 正极生 电解液 负极生性物质 性物质 成物 生成物 成物PbO2 + 2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4氧化铅 稀硫酸 铅 硫酸铅 水 硫酸铅2.2.3铅酸蓄电池充电过程的电化反应 充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物

16、质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子由于外电源不断从正极吸收电子，则正极板附近游离的二价铅离子不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子，并与水继续反应，最终在正极板上生成二氧化铅。在负极板上，在外界电流的作用的下，硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子被中和为铅，并以绒状铅附在负极板上。电解液中正极板不断游离的氢离子和硫酸根离子，负极不断产生硫酸根离子，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下

17、，溶液中还会发生水的电解反应。化学反应式为：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 +Pb2.2.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化从上面可以看出，铅酸电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。充电时电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升三、电路的设计3.1化成电源主回路 本系统采用晶闸管三相全桥式整流电路控制蓄电池充放电，主回路主要由以下几部分组成：交流接触器、熔断器、主变压器;交流器模块；平波电抗器组成的直流滤波部分组成。由分流器FL组成的电流取样，电池端电压采样部分，直流熔断器等器件组成。其中主变压器起到隔离和改变输出电压最大范围

18、的作用，交流接触器则起到交流电源的开断作用，交流接触器部分则由6个晶闸管接成三相桥组成，直流输出部分的电抗器不要起抑制脉动电流的作用，分流器则将充放电流转化为控制电路能采集的电压信号。3.2数据采集与输出控制模块3.2.1数据采集模块数据采集分为电流和电压的采集。电压采集电路采用的是差动放大电路，差动放大电路是将两个输入端上所加的信号的差值进行放大，再作为输出的电路。基本差动放大电路由一个运算放大器和四个电阻构成，第一级为差动放大电路，第二级为电压跟随器，输出前为了防止涌浪电压损坏单片机的A/D口设计了限幅电路。对于精度要求不太高的话，电流的检测采用电阻压降法，即在充放电电路上串联精密电阻的方

19、法，通过对精密电阻两端压降的测量，来实现测量。3.2.2输出模块控制系统输出控制电路将经过处理之后的数字量通过DAO模块转换成模拟量，经过光电隔离并线性放大之后，最后送给交流器，通过交流器控制系统的充放电。3.3人机界面模块3.3.1键盘模块键盘模块电路采用8279芯片，不仅可以大大节省CPU处理键盘的时间，减轻CPU的负担，而且，显示稳定，编程简单。3.3.2显示模块系统中扩展了LCD用于实时地显示系统中运行的各个阶段及运行过程中的各个参数，同时显示时间等相关辅助信息，当用户通过键盘对系统进行设置时，LCD将通过一系列简单的操作界面，给用户的操作带来最大程度上的方便，同时也可以实时地将设置信

20、息显示在界面上。3.4掉电保护模块在蓄电池化成过程中出现停电事故时，需要对运行的文件及运行状态进行掉电保存，重新上电后按照已保存的状态继续运行，故需要给RAM加掉电保护电路。四、蓄电池充放电控制4.1蓄电池自动控制器的构成蓄电池自动控制器由三相全控整流桥电路、触发板、计算机控制板、电流电压传感器及滤波电路构成。三相全控整流电路由触发板控制，为蓄电池组提供数百安培充放电流。触发板由计算机控制板控制，为三相全控整流桥电路提供整流或逆变触发脉冲。用电流分流器和电压分流器测得充放电过程电流和电压信号，信息滤波后，被计算机控制板周期采样。三相全控制整流桥的输出电流是带有纹波的直流，电流电压传感器信号经滤

21、波器滤波，其输出信号由计算机采样用于快速保护。滤波器的时间常数取值为工频电压的周期。模糊PID控制器的控制周期取值小于工频电压的周期，过大会造成调节失控。过电流和过电压的抑制与保护措施是由计算机快速封锁触发脉冲完成的。4.2控制策略由于电网的波动及周边负荷的变化，在交流电的一个或者多个周波内会使充电电流出现跃变。自动充放电控制器的调节功能是使充电电流或电压稳定。电池在深放电后充电，开始阶段电池的内阻较大，随着充电电压的升高，内阻变得非常小，因此电网中很小的电压波动也会引起充电电流较大的变化。在实践中我们比较了多种控制方法，对铅酸蓄电池充放电过程的控制，采用混合型模糊PID控制器比较合适。参考文献：中华蓄电池技术网太阳能人才网蔡国伟 蓄电池自行放电原因及排除方法刘小平 张南宾 蓄电池极板化成充放电电源的设计宁铸 王维俊 铅酸蓄电池充放电参数检测电路的仿真与设计