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1、 学号 20100604050334 密级 兰州城市学院本科毕业论文汽车充电机的设计学 院 名 称：培黎工程技术学院 专 业 名 称：电子信息科学与技术学 生 姓 名：周 磊 指 导 教 师：李俊文 讲师 二一一年十一月4BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYCar charger design College：Pei Li College of engineering and technology Subject：Electronic information science and technologyName ： Zhou Le
2、i Directed by ：Li Jun Wen Lecturer Novermber 2011郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要 本文则是简单设计符合动力符合动力电池充电需求的车载充电机，能有效延长电动汽车的续驶里程，为电动汽车的实用化和普及化提供有效支持。介绍了铅酸蓄电池的一种快捷充电方式：
3、变电流脉冲充电，适用于汽车用的变电流脉冲充电，能有效消除大电流充电下电池的极化现象，使得充电速度加快，充电效率增加，同时电池析气量少，温升较低。关键词：充电机；铅酸蓄电池；快速充电Abstract This paper is a simple design conforms to the power the battery power demand with the car charger, can prolong the electric car trip range of mileage, for electric cars and practical channels provide e
4、ffective support. Introduces a kind of quick and leadacid battery charging ways: changes the current pulse charging, applicable to vehicle with the change of the charging current pulse, and can effectively eliminate large current charging a battery of polarization phenomenon, make charging speed, th
5、e charging efficiency increase, and the battery low gas chromatography, low temperature. Keywords: charger;Lead-acid battery ;Fast charging 目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究概况11.3 论文的主要内容及结构3第2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理42.1 铅酸蓄电池的组成42.2 铅酸蓄电池的特性42.3 铅酸蓄电池的工作原理6第3章 铅酸蓄电池的充电方法83.1 蓄电池充电理论基础83.2 铅酸蓄电池充电方法93
6、.1.1 常规充电法103.1.2 快速充电技术12第4章 充电机设计144.1 充电机电路原理图144.2 电路原理154.3 主要元件的选择16第5章 总结语18参考文献19致 谢20III第1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，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。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
7、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1216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
8、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：（1）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。（2）理论研究阶段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。 （3）实际应用阶段1970年美国麦卡洛
9、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(Eurotec Finishing Systems)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
10、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-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、
11、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。智能化具体表现为能识别充电电池的类型，能检测到当前状态，并根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，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 论文的主要内容及结构本文所设计的充电机具有充电设备质轻、高效、低噪音和高性能的优点，做到既节约用电又减少对
12、电池的损害。论文的主要内容包括以下几个方面： （1）铅酸蓄电池快速充电原理； （2）各种充电方法，实现了变电流充电等多种充电方式； （3）完成了蓄电池充电机的设计。本文具体结构如下： 第一章绪论。介绍了课题研究的背景、目的及意义，综述了国内外的发展情况。 第二章铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理。 第三章铅酸蓄电池的充电方法。论述了当前常用蓄电池充电方法。第四章充电机的设计。主要是电路的设计。第五章课题总结。第2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理2.1 铅酸蓄电池的组成【1-3】 电动汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池
13、、水平板式蓄电池等。动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。构成铅酸蓄电池的主要部件有正极活性物质，负极活性物质，电解液,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。（1）酸蓄电池的优点：原料易得，价格相对低廉；高倍率放电性能良好；温度性能良好，可以在-40+60
14、的环境下工作；适合于浮充电使用，使用寿命长无记忆效应；废旧电池容易回收，有利于保护生态环境；单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达2.0V，开路电压2.1V，工作电压1.8V2.0V。 （2）铅酸蓄电池的缺点：比能量低，一般为3040whkg；使用寿命相对较短；制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。2.2 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，这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即： 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；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
15、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，越大。 （2）铅酸蓄电池的极化【20】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：a.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。b.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。c.电池内部水解将产生大量的热量，使电解液的温度
16、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。d.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510，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
17、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）铅酸蓄电池的循环寿命循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之自口所经历的充放电循环的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。蓄电池的放电深度影响循环寿命，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。（5）铅酸蓄电池的自放电当电池处于闲置不用(非工作状态)时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。2.3 铅酸蓄电池的工作原理【4】 （1）铅酸蓄电池电动势的产生 铅
18、酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅()，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质一氢氧化铅()，氢氧根离子在溶液中，铅离子()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()，与电解液中的硫酸()发生反应，变成铅离子()，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子()。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）铅酸蓄电池放电过程的电化学反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，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
19、极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子()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()。正极板的铅离子()得到来自负极的两个电子()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()。正极板水解出的氧离子()与电解液中的氢离子()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负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。化学反应式为：正极 电解液 负极 正极 电解液 负极 从上面的化学反应式可以看出，放电时浓度不断下降，正负极上的硫酸铅增加，电池内阻增大(硫酸铅不导电)，电解液浓度下降
20、，电池电动势降低。 （3）铅酸蓄电池充电过程的电化学反应充电时，应在外接直流电源，使正、负极板在放电后生成的物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取电子，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，最终在正极极板上生成二氧化铅()。在负极扳上，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()，并以绒状附着在负极板上。电解液中，正
21、极不断产生游离的氢离子()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。化学反应式为：正极 电解液 负极 正极 电解液 负极 应该指出，上述反应只是铅酸蓄电池充电时人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电方式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅已大部分转变成二氧化铅和绒状铅，充电电流如果超过剩余活性物质的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解。结果在电池的负极会有氢气()，在J下极则会有氧气()逸出，造成十分强烈的冒泡现象。电解水的反应是：所以在充电末期必须注意尽可能减小
22、充电电流，以免产生气泡过于剧烈，冲刷极板，导致极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还会导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。 （4）铅酸蓄电池充放电后电解液的变化【6】从上面分析可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。第3章 铅酸蓄电池的充电方法3.1 蓄电池充电理论基础【10-12】60年代中期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为自口提的蓄电池可接受的充电电流曲线【19】，即任一时
23、刻蓄电池能接受的充电电流。-电池可接受的充电电流，时刻的最大充电电流，-电池充电电流的接受比，又称固有接受比，(c为电池的最大容量)。图3.1为蓄电池的可接受充电电流曲线。该电流曲线也被称为马斯曲线。马斯充电曲线的规律如下：（1）如果充电电流工作在N区，则电流过大，会导致温升，在充电电压过高时会有大量气体析出会对电池造成损坏。（2）如果充电电流工作在M区，是可接受的，但充电时间不能达到最短。（3）如果充电电流按马斯曲线变化，可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。马斯的可接受充电电流曲线为蓄电池充电提供了理论指导。按照该理论，充电过程中，若充电电流按马斯曲线规律变化，就可既缩短
24、充电时间又保证低出气率。然而事实上充电电流不可能完全按照马斯曲线规律变化，因此当前提出的快速充电方法都是让充电曲线尽可能地模拟马斯曲线。 图3.1 马斯充电曲线 由图3.1可以看出：初始充电电流很大，是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板(正极板产生氧气)，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等
25、于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有下面三个方面的原因。（1）欧姆极化：充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 （2）浓度极化：电流流过蓄电
26、池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。 （3）电化学极化：这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少
27、的状态促进金属中电子离开电极，金属离子转入溶液，加速反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这三种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。极化现象大大阻碍了电池充电，要实现快速充电必须减弱电池充电的极化。3.2 铅酸蓄电池充电方法【13-17】汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，
28、既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。3.1.1 常规充电法常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则” ：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。一般来说，常规充电方法有以下三种。 （1）恒电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，如图3.2所示。该充电方法控制简单，目前被广泛使用。对于串联蓄电池组(特别是串联数量较多时)的充电，该充电方法能使电池组中个别落后电池进行完全充电，恢复其
29、容量，因而优于恒压充电。在蓄电池活化充电中，最好使用小电流长时间恒流充电模式。它的缺点是：充电电流在初始阶段过小，中后期又过大，充电时间一般在15h以上，析气严重，对蓄电池危害较大，能耗高(充电效率低于65)。 图3.2 恒电流充电曲线（2）恒电压充电法整个充电过程中保持蓄电池充电电压不变，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。恒 压充电曲线如图3.3所示。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，因此只需简单控制系统。 图3.3 恒电压充电法曲线 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充电。但在充电初期电
30、流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如在汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。（3）多阶段充电法该充电方法把恒流恒压充电方法结合起来，在蓄电池充电起始阶段采用大电流恒流充电，在充电的中后期采样恒压充电，降低了蓄电池充电电流，减少了析气，保护了电池。a. 二阶段恒流充电法采用二段恒流充电，第一段为大电流恒流充电，蓄电池充电初期可接受的充电电流较大，因此第一段采用大电流恒流充电以使电池获得大部分的电量。随着充电的进行蓄电池可接受的充电电流不断减小，当蓄电池端电压到达设定值时，蓄电池进入
31、第二段小电流恒流充电。二阶段恒流充电法的充电效果比恒压或恒流充电法要好。其充电示意图如图3.4所示。不过，它只是对马斯曲线的粗略模拟，还是达不到蓄电池高性能快速充电的要求。 图3.4 二阶段恒流充电曲线b.二阶段恒流恒压充电法 采用恒电流和恒电压相结合的充电方法，如图3.5所示。第一段为恒流充电，充电电流为，时刻蓄电池端电压达到，此时进入第二段恒压充电。恒压段充电电压一般即为第一段与第二段的转换电压。 图3.5 二阶段充电法曲线c.三阶段充电法 在充电初始阶段和最后阶段时采用恒电流充，中间阶段用恒电压充电。当蓄电池的端电压到达设定值，蓄电池进入第二阶段恒电压充电，随着充电的进行，蓄电池的端电压
32、不断升高，充电电流不断减小，当电流减小到设定值，蓄电池进入第三阶段恒流充电，其充电曲线如图3.6所示。 图3.6 三阶段充电法曲线3.1.2 快速充电技术要实现快速充电需要解决两个问题：一是增大充电电流，二是消除极化电压。第一个问题容易解决，而第二个问题即如何消除充电过程中电池内部的极化电压才是关键，因为充电电流大时，极化电压也随之增大。具体地说，快速充电法就是利用蓄电池在充电初、中期可接受较大充电电流的特性，在充电初期以大电流充电，并以一定频率对蓄电池停止充电和释放一定量的极化电压提高蓄电池可以接受的充电电流，从而大大缩短充电时间，快速充电机就根据这个原理来设计的。下面介绍目前比较流行的几种
33、快速充电方法。（1）脉冲式充电法【18】这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。（2）Reflex快速充电法 这种技术是
34、美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是电池。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴，互作参考。Reflex快速充电法实际是对脉冲式充电法的改进。它在脉冲式充电法的基础上加入反向放电，大大减弱的蓄电池充电的极化现象，增大了蓄电池可接受充电电流。因此能够减少了蓄电池的快速充电的时间。Reflex充电模式的一个周期为1s，一个工作周期由三个部分组成：正向充电脉冲(983ms)，反向瞬间放电脉冲(5ms)，维持及检测用的脉冲(12ms)。 （3）变电流、电压间歇充电法【7】【8】变电流间歇充电方法是由厦门大学的陈体衔教授提出的。其特点是把恒流充电改为限
35、电压变电流充电。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池可以吸收更多的电量。从本质上讲变电流间歇充电方法也是符合马斯曲线定律的。从马斯曲线上，我们很容易看出蓄电池可接受的充电电流随着充电时间的增加而减小。变电流间歇充电方法正是根据这一结论，在充电初期用大电流充电，随着充电的进行不断减少充电电流，并在变电流转换阶段停充一段时问使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺
36、利地进行。上面介绍了各种常规充电和快速充电方法，这些充电方法都有自身的优缺点。如二阶段充电虽然充电效率低，但由于其控制简单实现方便，因此该充电方法却是当前汽车上使用最广泛的充电方法。脉冲充电、变电流充电及变电压充电方法虽然充电效果好充电时间短，但由于它们控制复杂，因此这些充电方法使用较少。第4章 充电机设计4.1 充电机电路原理图通常使用的充电机几乎都是将交流电经变压器变压后，整流成直流电，再加到蓄电池上充电的。这种电路的一个最大缺点是输出功率小，体积大，特别是输出电流小，不利于快速充电，产生这种问题的主要原因是电路中有变压器对于要求大电流、高电压整流电路来说，就使得充电机的体积增大，输出的电
37、流、电压范围受到限制，而且充电的效果也不理想。基于以上的问题，本文设计图4.1电路制作出的充电机能够克服上述缺点，而且输出的电流脉动率高，充电效果较好。其输出电压范围为(085)V，输出电流范围为(030)A，可用于对各种蓄电池的充电。图4.14.2 电路原理可控硅是一个可控制的单向导电开关，在交流电路中具有整流作用，而且整流出的电压受控于控制极脉冲电压的大小和宽度。根据这个原理，将可控硅串联于220V交流电路中，并利用单结管电路作为可控硅控制极的控制电路，以实现整流交流电的目的。图4.2如图4.1所示电路，其中、组成整流电路，可控硅为核心整流元件，在控制极脉冲如图4.2（b）所示波形的作用下
38、将交流电变为直流电。和串联后并接于可控硅的两端，其作用是保护可控硅不被击穿，称为阻容保护，其实质就是将造成“过电压”的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。具体来说，当可控硅换向时，由于残留载流子的存在，在反向电压的作用下，将以反向电流的形式流过回路，当反向阻断能力恢复时，电流迅速减少，若回路中有电感存在，将会产生一个比工作电压高数倍的尖峰脉冲，有可能使可控硅击穿。在可控硅两端并联电容后，利用电容器上电压不能突变的规律，可以减缓电压的上升。从电容器充放电电流公式得。可以看出，将取得足够大，而尖峰脉冲的时间都很短，故上电压的终值可限制在可控硅的允许范围内。电阻的作用主要有两个
39、，一是可以阻尼电容和电路中的形成振荡；另一是限制电容放电时的电流上升率，因为当可控硅未导通时，电容器是储积着电能的，一旦可控硅被触发导通，电容上的电荷立即经可控硅形成短路放电回路，若没有电阻限流，这个放电电流的瞬时值可能很大，电流上升率若超过其极限值，可能使可控硅损坏。由、及组成控制电路，产生触发脉冲控制可控硅的导通角，从而实现输出电压大小的控制其中、部分产生降压整流作用，向触发电路提供直流偏置电压。、起稳压作用，使单结管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲(第一个脉冲使可控硅触发导通后，后面的脉冲都是无用的)的时间不受交流电电源电压的波动的影响，触发电路能稳定工作。和称充电电阻，为放电电阻，
40、为温度补偿电阻。电源接通后，电流经整流后，由电阻、对电容充电，当点电位达到单结管的导通电压后，单结管导通，产生触发脉冲，以控制可控硅的导通角。决定放电的快慢，影响着输出触发脉冲的宽度T见图4.2（b）波形。如果改变电位器的电阻值，例如，增大阻值，电容器的充电变慢，因而每半波出现第一个脉冲的时问后移，从而使可控硅的导通角变小，输出电压的平均值也变小。因此改变是起移相的作用，达到调压的目的。4.3 主要元件的选择可控硅的选取应考虑两个方面因素。一是正向阻断电压和反向峰值电压。正向阻断电压：，正向电压；反向峰值电压：，反向电压。二是额定正向平均电流的有效值应大于负载电流有效值的原则。根据以上原则选取
41、可控硅是。触发电路参数的选择。根据“节点电压”公式，得，又，则。由此式可以看出，单结管触发电路的输入信号取决于、。及稳压值。其是电容器充电时间常数，电路中可控硅和单结管确定后，必然要求电容充放电的时间常数确定。充电电阻的最大值和最小值是根据可控硅移相的要求与充电电容器的大小决定的。若充电电阻太小，会使流入单结管极的电流大于谷点电流，这时单结管导通后不能再关断，甚至会使图4.2（b）中的锯齿波从原来很多变为没有这个现象叫“直通”为了避免这种情况发生，必须减小电容量，否则，只能限制充电电阻，使之不能太小，这样又将影响移相范围，使可控硅最大导通角受到限制从单结管不能“直通”的情况出发，充电电阻的最小
42、值为，其中为单结管的谷点电压，为谷点电流，为单结管、。极间电压。查单结管参数并代人上式得。充电电阻通常取。同样，若放电电阻太小，放电太快，尖峰脉冲就会太窄。由于可控硅导通需要一定时间，这就需要触发脉冲有一定的宽度，所以脉冲太窄就不易使可控硅触发导通。若放电电阻选得太大，由于单结管的未导通时电源加在之间有约几毫安的电流，这样就会在上产生较大的电压，这个电压加在可控硅控制极上就有可能导致可控硅误触发。不触发时，可控硅触发电路的电压应小于，所以，上的电压降也不应大于，一般选。该电路图中。若电容器的容量太小，储存的电能不够，因而放电脉冲太窄，不易使可控硅触发。若电容器的容量太大，又与充电电阻的选择相矛
43、盾。这是由于电容器的充电时间常数是定值，电容器的容量太大还会引起单结管“直通”，发不出脉冲。所以电容器的选择范围为(当然对于大容量的可控硅，电容可取大一些的)，本电路中，。温度补偿电阻的选择是以单结管的峰值电压不随温度的变化而变化为前提的。当环境温度升高时，单结管的峰值电压将减小，但单结管和之间的电阻却是随温度的升高而增大，当在极串联电阻后，它的阻值就基本上不随温度的变化而变化了。所以应取的范围最好。实际图中。第5章 总结语本系统在充电控制上，依据传统的设计模式，充分考虑了系统的安全性和可靠性。运用常规充电方式，主要确保功能完善，性能可靠。这种系统工作稳定可靠，具有充电电流大、调节方便等优点，
44、防止蓄电池因充电不当而降低使用寿命，大大改善了充电器的性能，具有一定的应用价值。参考文献1熊鲜明对VRLA蓄电池的认识M电池，2002，32(1)2朱松然，蓄电池手册M天津：天津人学出版社，19983周佳娜铅酸蓄电池充放电原理及其现场应用M.电力建设，20034史鹏飞化学电源工艺学M哈尔滨工业大学出版社，20065姜绍信铅酸蓄屯池快速充电M.天津：天津科学技术出版社，19846陈祖康大功率自动变流充电机的设计M上海师范大学学报，1999，12(2)7陈体衔，甄春华VRLA蓄电池变电流间歇快速充J蓄电池，1999，18(1)8李庆龙，陈体衔变电流间隙快速充电法J蓄电池，1997，27(6)9周志
45、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，200310张占松，蔡宜三开关电源的原理与设计M北京：电子工业出版社，199811王库，冯义快速充电技术的探讨J中国农业大学学报，2001，6(2)12 Naum R.Pinsky,et a1Fast Charging of Lead-acid Batteries at the SCE EV Tech centerJIEEE，2000 p231-23613黄正佳智能电池模块M电源技术，2002，18(2)14姜学东大容量蓄电池组充放电设备的研制M电力电子技术，1999，21(5)15冯仁斌，魏晓斌等铅酸蓄电池的快速充电M电源技术，2003，27(1)16贾英江等铅酸蓄电池充电方法初探M电源技术，200017贺乃宝等铅酸蓄电池充电容；量检测系统设计M仪表技术，200118 CCChan and K.CChuIntelligent Battery Management SystemHarbour Castle