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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧

2025-06-07 13:55 本頁(yè)面


【正文】 環(huán)境就已經(jīng)開始研制各種各樣的綠色能源來(lái)代替汽油和柴油,但是,受到蓄電池,電控等關(guān)鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設(shè)備等的制約,一直未得到長(zhǎng)足的發(fā)展。到了八、九十年代,由于大容量、長(zhǎng)壽命蓄電池的大批量的生產(chǎn)及大功率晶體管的研制成功和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使綠色能源得到長(zhǎng)足的發(fā)展,近期一些公司聲明他們將首先實(shí)現(xiàn)綠色能源計(jì)劃,其中就包含大量電動(dòng)汽車。隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)保要求的越來(lái)越高,對(duì)內(nèi)燃車輛的排放要求也越來(lái)越高,這樣對(duì)綠色能源的需求越來(lái)越迫切,勢(shì)必會(huì)蓄電池電動(dòng)車輛的使用量大幅度增加。 充電技術(shù)的發(fā)展概述 對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講,傳統(tǒng)的充電方式有恒流限壓充電和恒壓限流充電。這兩種充電方式的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題如下:(1) 恒流限壓充電充電時(shí)自始至終以恒定不變的電流進(jìn)行充電,該電流可以通過(guò) PWM 來(lái)調(diào)整,這種方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單方便,易于做到。特別適合由許多電池串聯(lián)起來(lái)的蓄電池組。蓄電池組中個(gè)別落后電池進(jìn)行完全充電,恢復(fù)其容量,這時(shí)最好用小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。恒流充電方式的不足之處在于:開始充電階段電流過(guò)小,在充電中后期電流又過(guò)大,析出氣體多,對(duì)危害較大,能耗高。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。因此,人們?cè)诤懔鞒潆姺绞降幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),即采用恒流限壓充電方式。為避免過(guò)充電,在充電后期采用限壓措施,減小充電電流,避免損壞電池。(2) 恒壓限流充電恒壓充電初期充電電流很大,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)程中就不必要調(diào)整電流。隨著蓄電池端電壓升高,充電電流會(huì)自動(dòng)下降,所以析氣量少,充電時(shí)間較長(zhǎng),能耗較低。它的缺點(diǎn)是:充電初期,如果蓄電池放電深度過(guò)大,充電電流會(huì)很低,后期充電電流又過(guò)小,充電時(shí)間長(zhǎng);此外蓄電池端電壓的變化也很難補(bǔ)償,充電過(guò)程中對(duì)落后的電池完全充電也很難完成,為了彌補(bǔ)恒壓充電的不足,在恒壓充電的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),當(dāng)充電電流較高的時(shí)候(如電池嚴(yán)重虧電,漏電,負(fù)荷過(guò)重等)這時(shí)應(yīng)采取限流措施,保持電流不超過(guò)某一設(shè)定值而使電壓降低,待電流降低,電壓升起后再穩(wěn)壓,這就是恒壓限流的含義。單獨(dú)采用恒流充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電,蓄電池的充電效果不是很理想。一方面這些充電方式充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。另一方面,充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池的特殊要求,會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)踐證明,鉛酸蓄電池浮充電壓偏差 5%,電池的浮充壽命將減少一半。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聲明,國(guó)內(nèi)蓄電池的平均壽命為 年(可充 400 次) ,國(guó)外同型號(hào)蓄電池壽命一般為四年(可充 1000 次)如果充電質(zhì)量不好以及用戶使用維護(hù)保養(yǎng)跟不上,許多電池在使用一年后即報(bào)廢,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失,蓄電池價(jià)格占整機(jī)價(jià)格的 20%,國(guó)外同容量電池價(jià)格則為國(guó)產(chǎn)蓄電池價(jià)格的 2—3 倍。因此,充電質(zhì)量的好壞,直接影響到蓄電池的技術(shù)狀態(tài)及使用壽命。 充電器的技術(shù)水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著蓄電池電動(dòng)車的迅猛發(fā)展,對(duì)充電器的要求越來(lái)越高,從開始的單純充足,到目前的延長(zhǎng)蓄電池壽命,減少能源消耗,充電器的功能已發(fā)生了質(zhì)的飛越。現(xiàn)在國(guó)外已研制成功只要用一小時(shí)就可以充滿蓄電池的大功率充電器,在體積上也越來(lái)越小,現(xiàn)在最小的大功率充電器只有一個(gè)書包大小。在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚,因其體積小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,輸出紋波小,效率高等特點(diǎn),近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注,特別在通信,電力等領(lǐng)域中,已經(jīng)得到了普遍的研究和使用,但對(duì)于相控電源來(lái)說(shuō),它的價(jià)格比較高,而且功率器件的發(fā)熱量也較高,所以,在電力系統(tǒng)中的大功率場(chǎng)合,相控式的充電器仍然占有較大比重。而國(guó)外市場(chǎng)大部分充電器均采用 Wa,WaWo,Uamp。U 等充電曲線方式更科學(xué),合理,從而大大提高了蓄電池的使用壽命,大大降低了使用和維護(hù)成本,簡(jiǎn)化了充電過(guò)程,解放了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,市場(chǎng)前景非常廣闊。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外人士正致力于充電器的智能化研究,智能化程度較高的充電器解決了動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術(shù)關(guān)鍵,使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系,使充電過(guò)程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行,比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能 30%50%左右,提高了充電質(zhì)量和效率,充電工人只擔(dān)任輔助性工作,為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化發(fā)展闖出了一條新路。隨著鉛酸蓄電池在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍,智能型充電器的智能要求也越來(lái)越高,本次的課題就是對(duì)智能電池充電器的設(shè)計(jì)和研究。2 鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過(guò)程 鉛酸蓄電池的基本概念由于蓄電池的充放電本身涉及到許多相關(guān)的專業(yè)知識(shí),為了能夠更好的理解本課題,本節(jié)將要簡(jiǎn)單介紹有關(guān)的鉛酸蓄電池一些知識(shí)。(1) 蓄電池容量蓄電池容量是指在一定條件下可以從蓄電池獲得的電量(用 C 表示) ,單位常用安培小時(shí)(Ah) 表示,是蓄電池性能的重要指標(biāo)。容量分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。理論容量(C o)是假設(shè)活性物質(zhì)全部參加放電反應(yīng)給出的容量。實(shí)際容量(C)是在一定放電條件下蓄電池實(shí)際放出的容量。額定容量(C 額 )是在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)蓄電池時(shí),規(guī)定或保證在指定的放電條件下蓄電池應(yīng)放出的最低限度的電量。蓄電池容量除了與極板表面進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量有關(guān)外,還與極板表面活性物質(zhì)的利用率、孔率、極板厚度、極板的表面積有關(guān)。此外還受電解液密度、溫度、放電條件(即:充電程度、放電率等) 、蓄電池新舊程度等影響。在使用過(guò)程中,容量受放電率、電解液溫度的影響是主要的。當(dāng)放電率較小,電壓下降緩慢,蓄電池實(shí)際放出的電量較高,當(dāng)放電率變大時(shí),電壓下降變快,蓄電池實(shí)際放出的電量較低。在一定范圍內(nèi),電解液溫度高,蓄電池的活性增加,內(nèi)阻變小,容量變高,電解液溫度低時(shí),蓄電池的活性降低,內(nèi)阻變大,容量降低。(2) 蓄電池的內(nèi)阻( )內(nèi)R內(nèi)阻( )又稱全內(nèi)阻,是指電流通過(guò)蓄電池時(shí)所受到得阻力,包括歐姆內(nèi)電阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化產(chǎn)生的電阻,即: = + 內(nèi)R?f()歐姆電阻( ):包括電極材料、電解液、隔板等組成的電阻,還與電池?R的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。極化電阻( ):包括蓄電池使用過(guò)程中濃差極化和電化學(xué)極化產(chǎn)生的電f阻之和。主要與電極材料的本性、電極的結(jié)構(gòu)和制造工藝以及使用條件等因素有關(guān)。內(nèi)阻越小,在同樣的放電條件可以消耗較少的電能,輸出較多的電能,提高電能利用率,從而提高蓄電池性能。(3) 充電速率和放電速率為了對(duì)不同容量的電池加以比較,蓄電池的充電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表示,而是用電池的額定容量 C 額和放電時(shí)間 T 的比來(lái)表示,稱為電池的充電速率或放電速率。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鉛酸蓄電池的額定容量按 5 小時(shí)連續(xù)放電來(lái)表示,即 C5,例如一個(gè)額定容量 C5 為 10Ah 的電池,充電 5 小時(shí)后,電池完全充滿,則它的充電電流為: ()?即它的充電速率為 ;若用 10 小時(shí)就達(dá)到充滿狀態(tài),則它的充電電流為 ()即它的充電速率為 。(4) 充電終止電壓和放電終止電壓蓄電池充足電時(shí),極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài),再繼續(xù)充電,蓄電池的電壓也不會(huì)上升,此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓,如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電,電池兩端電壓會(huì)迅速下降,形成過(guò)放電。這極易對(duì)電池造成永久性損害,影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。(5) 電池的過(guò)充電當(dāng)高速率充電而又不能及時(shí)地在滿充電后結(jié)束充電過(guò)程,電池則很容易存在大電流過(guò)充的問(wèn)題。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和電壓都急劇上升,造成對(duì)電池的損害。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)增大電池內(nèi)部的壓力,同時(shí),由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng),這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充電時(shí),只能采用低速率充電。這是因?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^(guò)充電時(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。(6) 電池的極化現(xiàn)象由于蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻,所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān),它一般有三種狀態(tài)的值:① 當(dāng)蓄電池為開路狀態(tài)時(shí),所測(cè)得的電池兩極間的電壓稱為電池的開路電壓;② 當(dāng)蓄電池充電時(shí)所測(cè)得的電壓稱為電池的充電電壓;③ 電池放電時(shí)測(cè)得的電壓稱為放電電壓。這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點(diǎn):充電電壓高于開路電壓,而且隨著充電時(shí)間的增加而略有升高,放電電壓則低于開路電壓,而且隨著放電時(shí)間的增加而略有降低,這種現(xiàn)象稱為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,主要是因?yàn)橐话愕拿芊馐叫铍姵卦诔潆娺^(guò)程中,內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣,其中主要是氧氣,氫氣只占一小部分,當(dāng)產(chǎn)生的氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí),它便堆積在正極板上,使得電池內(nèi)部壓力增大,電池溫度上升,同時(shí)縮小了電池正極板的板面積,表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升,即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)充電速率較低時(shí),充電時(shí)所產(chǎn)生的氧氣可以被及時(shí)吸收,因此電池的極化現(xiàn)象很輕,一般不會(huì)對(duì)電池造成很大的傷害,當(dāng)高速率恒流充電時(shí),這一現(xiàn)象則不容忽視。蓄電池的極化現(xiàn)象對(duì)蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱,而且降低了電池的效率,同時(shí)也加速了電池的老化。(7) 電池的老化電池的老化是指另外一種現(xiàn)象:電池在開始使用的一段時(shí)間內(nèi),電池容量增加大約 5%10%,接下來(lái)的一段時(shí)間,電池的容量大約不變,然后開始慢慢減少,即開始了電池的老化過(guò)程。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時(shí),這個(gè)電池就報(bào)廢了。一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)講,當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的 80%時(shí),就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了。(8) 使用壽命使用壽命是指在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電的次數(shù),通常用來(lái)定義蓄電池的使用壽命,使用壽命是鉛酸蓄電池的重要指標(biāo)之一,與使用中的放電深度、溫度、充放電等條件有關(guān)。減少放電深度或采用淺放電可大大延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。充電時(shí)采用大電流充電,會(huì)造成蓄電池溫度高,損害蓄電池的壽命。影響使用壽命的原因有以下幾方面:正極板的板柵變形、板柵腐蝕、活性物質(zhì)在使用過(guò)程中發(fā)生鈍化或產(chǎn)生不可逆硫酸鹽化等問(wèn)題,都會(huì)造成使用壽命縮短。(9) 自放電現(xiàn)象當(dāng)電池處于閑置不用(非工作狀態(tài))時(shí),雖然沒(méi)有電流流過(guò)蓄電池,但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行,這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無(wú)益的損耗,使電池的容量下降,通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時(shí)間的電池容量下降得百分比來(lái)表示,見(jiàn)公式 : ??001%fQ???????自 放 電()其中,Q O 為蓄電池在規(guī)定條件下的容量,Q f 為電池存儲(chǔ)一段時(shí)間后,在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),電池的自放電現(xiàn)象比較明顯,所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存,自放電一般不會(huì)損傷電池,只要重新充足電量,還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對(duì)鎳鉻電池來(lái)講比較嚴(yán)重,經(jīng)驗(yàn)表明,鉛酸蓄電池在閑置一個(gè)月后,自放電達(dá) 30%左右。考慮到這一點(diǎn),在設(shè)計(jì)蓄電池充電器時(shí),應(yīng)能在電池長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 鉛酸蓄電池充電后,正極板二氧化鉛(PbO 2) ,在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛(Pb(OH) 4) ,氫氧根離子在溶液中,鉛離子留在正極板上,故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后,負(fù)極板是鉛(Pb) ,與電解液中的硫酸(H 2SO4)發(fā)生反應(yīng),變成鉛離子(Pb 2+) ,鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中,負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子(2e) ??梢?jiàn),在未接通外電路時(shí)(電池開路) ,由于化學(xué)作用,正極板上缺少電子,負(fù)極板上多余電子,兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差,這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。 鉛酸蓄電池放電過(guò)程的電化反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時(shí),在蓄電池的電位差作用下,負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后,生成的鉛離子(Pb 2+)與電解液中的硫酸根離子(SO 42)反應(yīng),在極板上生成難溶的硫酸鉛(PbSO 4) 。 正極板的鉛離子(Pb 4+)得到來(lái)自負(fù)極的兩個(gè)電子(2e)后,變成二價(jià)鉛離子(Pb 2+) ,與電解液中的硫酸根離子(SO 42)反應(yīng),在極板上生成難溶的硫酸鉛(PbSO 4) 。正極板水解出的氧離子(O 2)與電解液中的氫離子(H)反應(yīng),生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電池的正負(fù)極,在電池內(nèi)部形成電流,整個(gè)回路形成,蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí)H2SO 4濃度不斷下降,正負(fù)極上的硫酸鉛( PbSO4)增加,電池內(nèi)阻增大(硫酸鉛不導(dǎo)電) ,電解液濃度下降,電池電動(dòng)勢(shì)降低。 鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng) 充電時(shí),應(yīng)在外接一直流電源(充電極或整流器) ,使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì),并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。在正極板上,在外界電流的作用下,硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子(Pb 2+)和硫酸根負(fù)離子(SO 42) ,由于外電源不斷從正極吸取電子,則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子(Pb 2+)不斷放出兩個(gè)電子來(lái)補(bǔ)充,變成四價(jià)鉛離子(Pb 4+) ,并與水繼續(xù)反應(yīng),最終在正極極板上生成二氧化鉛(PbO 2) 。在負(fù)極板上,在外界電流的作用下,硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子(Pb 2+)和硫酸根負(fù)離子(SO 4
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