【正文】 電過(guò)程分成幾個(gè)子充電過(guò)程，充電電流總體上 呈逐級(jí)遞減的趨勢(shì)并保持恒定電壓，而每個(gè)子充電過(guò)程按“正脈沖充電一停充一負(fù)脈沖放電一停充一再正脈沖充電”這種循環(huán)過(guò)程進(jìn)行，直至電池的容量達(dá)到額定容量的 80%以上。之后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，使電池電量完全恢復(fù)，即達(dá)到額定容量。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 本充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 ，它包括提供充電的電源和作為管理中心的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充電電源采用開(kāi)關(guān)電源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”這種電路的裝置稱為開(kāi)關(guān)電源。從輸入輸出關(guān)系來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置，然而由于開(kāi)關(guān)電源采用 了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，因此同樣功率條件下其體積和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的相控電源。除此之外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。系統(tǒng)的主回路由充電電路、放電電路及控制電路組成，其中充電電路采用整流橋式電路。 XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 圖 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 控制電路部分實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，包括對(duì)電池溫度、蓄電池端電壓、充電電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)收集信息的分析和計(jì)算處理，對(duì)充電機(jī)工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過(guò)程主要是通過(guò)采集 蓄電池的相關(guān)參數(shù)，送入 80C196KB 單片機(jī)進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，從而控制輸出電壓、電流，完成對(duì)蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心采用 80C196KB 單片機(jī)芯片，具有高度的集成度。 充放電方法的控制與實(shí)現(xiàn) 在充電方法的實(shí)現(xiàn)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了以 80C196KB 單片機(jī)控制為主的控制方法，將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態(tài)信息，送入 CPU 后要進(jìn)行必要的處理和判斷，以此來(lái)改變充電方式，實(shí)現(xiàn)智能充電。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、維修方便、成本低。在放電方法的實(shí)現(xiàn)上，采用大功率 IGBT 管進(jìn)行 PWM 控制，以控制放電電流大小，保持其高穩(wěn)定性。 2 課題的研究 現(xiàn)狀 對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講，傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電和恒壓限流充電。這些傳統(tǒng)的充電方法，一方面控制電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易 。另一方面充電時(shí)間比較長(zhǎng)，充電方法過(guò)于單一，會(huì)對(duì)蓄電池本身造成損害，以至影響蓄電池本身的使用壽命。 針對(duì)傳統(tǒng)的充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外陸續(xù)提出了一些新型的充電方法，如定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、脈沖式充電法、變電流間歇 /定電壓充電法、鉛酸蓄電池組 充電電源 充 電控制系統(tǒng) CPU I/O 設(shè)備 XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 分級(jí)定流充電法、變電壓間歇 充電法等。對(duì)鉛酸蓄電池來(lái)講，其中的分級(jí)定流充電法己 經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這些充電方法的原理絕大多數(shù)都是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以便使其充電電流能夠更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線。 近幾年開(kāi)始有人采用一些更加新穎的充電方法，例如模糊控制充電法。這種充電方法開(kāi)始擺脫傳統(tǒng)充電方法的束縛，將模糊控制技術(shù)引入充電方法，利用模糊控制本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，能夠更好的處理蓄電池充電過(guò)程中的時(shí)變性和抗干擾等常規(guī)控制方法所難以解決的問(wèn)題 [3]。 充電電源的發(fā)展?fàn)顩r 目前，常用的充電電源主要有 以下三種 :相控電源、線性電源、開(kāi)關(guān)電源。 相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它是將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出直流，再通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通相位角，來(lái)控制整流器的輸出電壓。相控電源所用的變壓器是工頻電源變壓器，它的體積比較龐大，由此造成相控電源本身的體積龐大、效率低下，并且該類電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、可靠性能低。目前相控電源己經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢(shì)。線性電源是另一種常見(jiàn)的電源，它是通過(guò)串聯(lián)調(diào)整管可以進(jìn)行連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。線性電源的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過(guò)的電流是連續(xù)的。由于調(diào)整管上損耗功率比較大，所以需要采用大功率 調(diào)整管并且需要裝配體積很大的散熱器 [4]。 隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率高壓場(chǎng)效應(yīng)管等新型高頻開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)的速率大大提高。關(guān)斷時(shí)間加快，使存儲(chǔ)時(shí)間大大縮短，從而大大提高了開(kāi)關(guān)頻率。提高功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率，可以提高其性能，同時(shí)還可以減小功率變換器中的變壓器體積和重量，以及電感、電容等無(wú)源器件的容量，進(jìn)而可減小它們的體積和重量。并且當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高于 18kHz 時(shí)，可消除噪聲對(duì)人耳的影響。 在充電過(guò)程中隨著電池電壓的變化要調(diào)整電流使之恒定，一般采 用 1oh 率或 20h 率電流充電。這種維持電流恒定的方法，從直流發(fā)電機(jī)和硅整流裝置中都能得到實(shí)現(xiàn)，其操作簡(jiǎn)單、方便，易于做到。這種充電方法特別適用于由多數(shù)電池串連的電池組，落后電池的容量易于恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。恒流充電方式的不足是，開(kāi)始充電階段電流過(guò)小，在充電后期充電電流又過(guò)大，整個(gè)充電時(shí)間長(zhǎng)，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，充電效率不超過(guò) 65%。鑒于這個(gè)缺點(diǎn)，在國(guó)外 除非蓄電池需要長(zhǎng)XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 時(shí)間小電流進(jìn)行活化充電外，已經(jīng)較少使用。這種充電方法，充電時(shí)間均在 10h以上 [6]。 此法是對(duì)每 只單體電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電。因此充電初期電流相當(dāng)大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。此方法較簡(jiǎn)單，因?yàn)槌潆婋娏髯詣?dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá) 80%，如充電電壓選擇得當(dāng)，可在 8h 內(nèi)完成充電。其缺點(diǎn)是 : ，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電機(jī)的安全，電池也可能因過(guò)流而受到損傷 。 ，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適宜串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電 。 壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。恒壓充電一般應(yīng)用在電池組電壓較低的場(chǎng)合。 ，廣泛采用恒壓限流的方法。在充電電流與電池之間串聯(lián)一電阻，稱為限流電阻。當(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降也大，從而減小了充電電壓 。當(dāng)電流小時(shí)，用于電阻上的電壓降也很小，充電設(shè)備輸出的電壓降損失就小，這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之不超過(guò)某個(gè)限度，充電初期的電流得到控制。此法也稱為準(zhǔn)電壓充電法，串聯(lián)的電阻值可按下式計(jì)算 (???內(nèi) ） () 式中 U— 充電電源電壓（ V） I— 充電電流（ A） R(內(nèi) )— 電池內(nèi)阻（因很小可以忽略） 3 鉛酸蓄電池智能充電的基本原理 蓄電池的基本概念和工作原理 電池的種類和特性 本課題研究的充電對(duì)象是應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電機(jī)車(chē)所使用的鉛酸蓄電池。為了更XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 好的理解我們所面對(duì)的研究對(duì)象，需要介紹一下它的龐大家族一電池的種類以及他所擁有的各自不同的特性。 蓄電池又稱為二次電池，二是化學(xué)龜池 (所謂化學(xué)電池是指能將化學(xué)能直擠轉(zhuǎn)換為電能的裝 置 )的一種，它不僅能將儲(chǔ)備的化學(xué)能變?yōu)殡娔?(這一過(guò)程稱為放電 )，而且當(dāng)參加反應(yīng)的物質(zhì)以電能的形式釋放完畢之后，再用充電器對(duì)它輸入直流電能 (這一過(guò)程稱為充電 )，又可將已損耗的活性物質(zhì)復(fù)活。一般使用的化學(xué)電池分為原電池和蓄電池兩種。原電池只能使用一次，即我們所說(shuō)的干電池，蓄電池就可以多次反復(fù)位用 [7]。 蓄電池主要由三個(gè)部分組成 :發(fā)生氧化反應(yīng)的陽(yáng)極、發(fā)生還原反應(yīng)的陰極、以及將陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)統(tǒng)一在一起的介質(zhì)電解液。在電極里發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)被稱為活性物質(zhì)。依據(jù)使用場(chǎng)所的不同，蓄電池有固定型 (供室內(nèi)裝 置使用 )、移動(dòng)型 (便于攜帶用 )之分。移動(dòng)型電池還可分為電動(dòng)機(jī)車(chē)型和啟動(dòng)型蓄電池。依據(jù)蓄電池電解質(zhì)的狀態(tài)不同分類 :可分為電解質(zhì)采用稀硫酸的稱為鉛酸蓄電池，采用硫酸電解質(zhì)膠體的稱為膠體鉛蓄電池。又依據(jù)蓄電池電解質(zhì)性質(zhì)來(lái)區(qū)分 :電解質(zhì)采用稀硫酸的稱為酸性蓄電池 。采用堿性電解質(zhì)的稱為堿性蓄電池。例如鉛酸蓄電池為酸性蓄電池，而鎳鎘電池則為堿性蓄電池。根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)又可分為開(kāi)口蓄電池和密封蓄電池兩種形式。開(kāi)口蓄電池具有以下的特點(diǎn) :可以進(jìn)行大電流放電、自放電小等。但是開(kāi)口蓄一電池不便于維護(hù)，它需要經(jīng)常補(bǔ)加蒸餾水和更換電 解液 。而密封蓄電池在這方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)一它具有密封好、無(wú)泄露、無(wú)污染、無(wú)需維護(hù)、易保存等特點(diǎn)，一能夠保障人體以及各種設(shè)備的安全 [8]。 目前主要的蓄電池有以下四種 。鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳金屬氧化物蓄電池和鋰離子蓄電池。這四種蓄電池具有共同的功能就是為最終產(chǎn)品提供可補(bǔ)充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對(duì)象和場(chǎng)合也是不同的。 選擇電池的依據(jù)主要是電池的能量密度、電池的容量及內(nèi)阻，它們塊定了電池為負(fù)載提供電能的速度和大小。對(duì)于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備，可以 使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因?yàn)樗鼈兙哂休^大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們適用于長(zhǎng)期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。而鉛酸電池和鎳福電池由于內(nèi)阻較小，可以提供較大的電流，所以適用于放電速率要求較高的產(chǎn)品，如一些由電池供電的電動(dòng)工具，比如鋤草機(jī)。在這些電池當(dāng)中，鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。 XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 鉛酸蓄電池的基本概念 因?yàn)樾铍姵氐某潆姳旧砩婕暗皆S多相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，為了能夠更好的理解我們所涉及的主題，本節(jié)將簡(jiǎn)要地介紹鉛酸蓄電池有關(guān)的基本概念。 ，單個(gè)電池一般來(lái)講，每個(gè)電池由六個(gè)單元 (Cell)組成，單元之間串聯(lián)。對(duì)于每個(gè)單元 2V的電池來(lái)說(shuō)，單個(gè)電池的電壓為 12V。 (Dicharge Rate)為了對(duì)不同容量的電池加以比較，電池的放電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表示，而是用電池容量 C 和放電時(shí)間 t 的比表示，稱為電池的放電速率或放電倍率。例如一個(gè)容量 C為 60Ah 的電池，對(duì)它進(jìn)行 2 小時(shí)的放電后電池的電量完全放完，則它的放電電流為 I=C/2= () 即它的放電速率為 。若采 用 小時(shí)對(duì)它放電完畢，則它的放電電流為 I=C/=2C () 即它的放電速率為 2C。充電速率的描述和放電速率相同，采用這種形式來(lái)描述電池的充放電更為直觀和方便。 、電池的過(guò)充電終止電壓是指電池可放電的最低電壓，當(dāng)蓄電池的放電電壓低于這一電壓值時(shí)就不能正常工作了。若蓄電池在低于終止電壓情況下繼續(xù)放電，稱為過(guò)放電，這極易對(duì)電池造成永久性傷害。 當(dāng)高速率充電而又不能及時(shí)地在滿充點(diǎn)結(jié)束充電，電池則很容易存在大電流過(guò)充電的 問(wèn)題。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對(duì)電池的傷害。這是因?yàn)樵谶^(guò)充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會(huì)加大電池內(nèi)部壓力。同時(shí)，此時(shí)氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，因此會(huì)使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點(diǎn)時(shí)，只能采用低速率充電，因?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^(guò)充時(shí)所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時(shí)電池的熱量可以及時(shí)地向空中散發(fā)，基本上不會(huì)對(duì)電池造成傷害。 ，一是指蓄電池充足電后，放電到終止電壓時(shí)所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電 量。電池容量用 c表示，其單位用 Ah、 mAh 來(lái)表示。一個(gè)電池有理想容量、標(biāo)稱容量和實(shí)際容量等區(qū)分。 理想容量 :是指假設(shè)活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所給出的電量 :它是根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量依照法拉第定律計(jì)算得到的。為了比較不同系列的電池常用容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，常以 Ah/KG 或 Ah/L 表示。 XXX大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 標(biāo)稱容量 :是指設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的 最低限度的容量。通常是指在一定溫度下，用一定的放電率 :(例如 C/20)對(duì)某一型號(hào)的電池進(jìn)行恒流放電所能放出的最大容量 。我國(guó)一直以 C/20 作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 實(shí)際容量 :是指在一定的放電條件下電池實(shí)際放出的容量 (又可稱為有效容量 )，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其值小于理論容量。恒電流放電時(shí)的計(jì)算方法見(jiàn)式 恒電阻放電時(shí)的計(jì)算方法見(jiàn)式（ ）： C=Q=I*t () 001C= ITTdt UdtR??? () 式中 I放電電流 R放電電阻 T放電至終止電壓的時(shí)間 電池的功 率 :是指電池在一定放電條件下，電池于單位時(shí)內(nèi)所能給出一能量的大小，單位 W(瓦 )或 KW(千瓦 )。單位重量電池所能給出的功率稱為比功率，單位是 W/K g 或KW/kg。 (State of Charge:即 SOC)充電狀態(tài)的定義如式 ()，它是指某個(gè)時(shí)刻電池所剩電量 Cr 與電池標(biāo)稱總?cè)萘?Ct的比，通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)定義為 100/%的充電狀態(tài) (SOC)，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)定義為 0%的充電狀態(tài) (SOC)。 SOC=(Cr/Ct)*100% () 由于 Cr和 Ct都受到未來(lái)放電狀態(tài)的影響，而這個(gè)序列一般是無(wú)法預(yù)知的。更實(shí)用的定義是式 (): SOC1=(ICu/Cd)*100% () Cu是當(dāng)時(shí)的已用容量，它是從完全充滿的狀態(tài)開(kāi)始計(jì)量的。 SOC1 和 Cu 是在給定電流下的， SOC 和 Ct 通常取三或