【正文】 之后轉入浮充狀態(tài)，使電池電量完全恢復，即達到額定容量。 系統的結構原理框圖 本充電系統的結構原理框圖如圖 ，它包括提供充電的電源和作為管理中心的控制系統。在系統設計中，充電電源采用開關電源。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關電源。從輸入輸出關系來看，開關電源是一種“交流一直流”的變流裝置，然而由于開關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 量遠遠小于傳統的相控電源。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。 3 圖 系統的結構原理框圖 控制電路部分實際上是一個實時監(jiān)測和控制系統，包括對電池溫度、蓄電池端電壓、充電電流等參數的監(jiān)測，對收集信息的分析和計算處理，對充電機工作參數的設置和顯示等。其控制過程主要是通過采集蓄電池的相關參數，送入 80C196KB 單片機進行預定的分析和計算，得出相應的控制數 據，從而控制輸出電壓、電流，完成對蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心采用 80C196KB 單片機芯片，具有高度的集成度。 充放電方法的控制與實現 在充電方法的實現上，我們設計了以 80C196KB 單片機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 后要進行必要的處理和判斷，以此來改變充電方式，實現智能充電。其優(yōu)點是結構簡單、便于操作、維修方便、成本低。在放電方法的實現上，采用大功率 IGBT 管進行 PWM 控制，以控制放電電流大小，保持其高穩(wěn)定性。 2 課題的研究現狀 充電技術的發(fā)展狀況 對于鉛酸蓄電池來講，傳統的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電和恒壓限流充電。這些傳統的充電方法，一方面控制電路簡單，實現起來比較容易 。另一方面充電時間比較長，充電方法過于單一，會對蓄電池本身造成損害，以至影響蓄電池本身的使用壽命。 針對傳統的充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點，目前國內外陸續(xù)提出了一些新型的充電方法，如定化學反應狀態(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 CPU I/O 設備 4 分級定流充電法、變電壓間歇充電法等。對鉛酸蓄電池來講，其中的分級定流充電法己 經得到了廣泛的應用。這些充電方 法的原理絕大多數都是在傳統方法的基礎上加以改進，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。這種充電方法開始擺脫傳統充電方法的束縛，將模糊控制技術引入充電方法，利用模糊控制本身適合處理多輸入多輸出非線性系統的優(yōu)勢，能夠更好的處理蓄電池充電過程中的時變性和抗干擾等常規(guī)控制方法所難以解決的問題 [3]。 充電電源的發(fā)展狀況 目前，常用的充電電源主要有以下三種 :相控電源、線性電源、開關電源。 相控電源是比較傳統的電源，它是將市電直接 經過整流濾波后輸出直流，再通過改變晶閘管的導通相位角，來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，并且該類電源動態(tài)響應差、可靠性能低。目前相控電源己經有逐步被淘汰的趨勢。線性電源是另一種常見的電源，它是通過串聯調整管可以進行連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。線性電源的功率調整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。由于調整管上損耗功率比較大，所以需要采用大功率調整管并且需要裝配體積很大的散熱器 [4]。 隨著電力電子技術和自動控制技術的發(fā)展， 尤其是大功率高壓場效應管等新型高頻開關器件的出現，使得開關的速率大大提高。關斷時間加快，使存儲時間大大縮短，從而大大提高了開關頻率。提高功率變換器的開關頻率，可以提高其性能，同時還可以減小功率變換器中的變壓器體積和重量，以及電感、電容等無源器件的容量，進而可減小它們的體積和重量。并且當開關頻率高于 18kHz 時，可消除噪聲對人耳的影響。 傳統的充電方式 在充電過程中隨著電池電壓的變化要調整電流使之恒定，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)電機和硅整流裝置中都 能得到實現，其操作簡單、方便，易于做到。這種充電方法特別適用于由多數電池串連的電池組，落后電池的容量易于恢復，最好用于小電流長時間的充電模式。恒流充電方式的不足是，開始充電階段電流過小，在充電后期充電電流又過大，整個充電時間長，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，充電效率不超過 65%。鑒于這個缺點，在國外除非蓄電池需要長5 時間小電流進行活化充電外，已經較少使用。這種充電方法，充電時間均在 10h以上 [6]。 此法是對每只單體電池以某一恒定電壓進行充電。因此充電初期電流相當大，隨著充電進行，電流逐漸減 小，在充電終期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調整電流。此方法較簡單，因為充電電流自動減小，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達 80%，如充電電壓選擇得當，可在 8h 內完成充電。其缺點是 : ，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電機的安全，電池也可能因過流而受到損傷 。 ，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適宜串聯數量多的電池組充電 。 ，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。恒壓充電一般應用在電池 組電壓較低的場合。 ，廣泛采用恒壓限流的方法。在充電電流與電池之間串聯一電阻，稱為限流電阻。當電流大時，其上的電壓降也大，從而減小了充電電壓 。當電流小時，用于電阻上的電壓降也很小，充電設備輸出的電壓降損失就小，這樣就自動調整了充電電流，使之不超過某個限度，充電初期的電流得到控制。此法也稱為準電壓充電法，串聯的電阻值可按下式計算 (???內 ） () 式中 U— 充電電源 電壓（ V） I— 充電電流（ A） R(內 )— 電池內阻（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象是應用于工農業(yè)生產的電機車所使用的鉛酸蓄電池。為了更6 好的理解我們所面對的研究對象，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，二是化學龜池 (所謂化學電池是指能將化學能直擠轉換為電能的裝置 )的一種，它不僅能將儲備的化學能變?yōu)殡娔?(這一過程稱為放電 )，而且當參加反應的物 質以電能的形式釋放完畢之后，再用充電器對它輸入直流電能 (這一過程稱為充電 )，又可將已損耗的活性物質復活。一般使用的化學電池分為原電池和蓄電池兩種。原電池只能使用一次，即我們所說的干電池，蓄電池就可以多次反復位用 [7]。 蓄電池主要由三個部分組成 :發(fā)生氧化反應的陽極、發(fā)生還原反應的陰極、以及將陽極反應和陰極反應統一在一起的介質電解液。在電極里發(fā)生氧化反應和還原反應的物質被稱為活性物質。依據使用場所的不同，蓄電池有固定型 (供室內裝置使用 )、移動型 (便于攜帶用 )之分。移動型電池還可分為電動機車型和啟動型蓄電池。 依據蓄電池電解質的狀態(tài)不同分類 :可分為電解質采用稀硫酸的稱為鉛酸蓄電池，采用硫酸電解質膠體的稱為膠體鉛蓄電池。又依據蓄電池電解質性質來區(qū)分 :電解質采用稀硫酸的稱為酸性蓄電池 。采用堿性電解質的稱為堿性蓄電池。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。根據蓄電池的結構又可分為開口蓄電池和密封蓄電池兩種形式。開口蓄電池具有以下的特點 :可以進行大電流放電、自放電小等。但是開口蓄一電池不便于維護，它需要經常補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)勢一它具有密封好、無泄露、無污染、無需維護、 易保存等特點，一能夠保障人體以及各種設備的安全 [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品提供可補充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對象和場合也是不同的。 選擇電池的依據主要是電池的能量密度、電池的容量及內阻，它們塊定了電池為負載提供電能的速度和大小。對于放電速率要求不高的產品，如便攜式計算機、蜂窩電話機和手提式視頻設備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因為它們具有較大的內阻，從而限制了峰值放電電流， 使它們適用于長期電流消耗要求較小的產品。而鉛酸電池和鎳福電池由于內阻較小，可以提供較大的電流，所以適用于放電速率要求較高的產品，如一些由電池供電的電動工具，比如鋤草機。在這些電池當中，鉛酸蓄電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等特點，在國內外得到了廣泛應用。 7 鉛酸蓄電池的基本概念 因為蓄電池的充電本身涉及到許多相關的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解我們所涉及的主題，本節(jié)將簡要地介紹鉛酸蓄電池有關的基本概念。 ，單個電池一般來講，每個電池由六個單元 (Cell)組成，單元之間串聯。對于每個單元 2V的電池來說，單個電池的電壓為 12V。 (Dicharge Rate)為了對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值來表示，而是用電池容量 C 和放電時間 t 的比表示，稱為電池的放電速率或放電倍率。例如一個容量 C為 60Ah 的電池，對它進行 2 小時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 小時對它放電完畢，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，采用這種形式來描述電池的充放電更為直觀和方便。 、電池的過充電終止電壓是指電池可放電的最低電壓，當蓄電池的放電電壓低于這一電壓值時就不能正常工作了。若蓄電池在低于終止電壓情況下繼續(xù)放電，稱為過放電，這極易對電池造成永久性傷害。 當高速率充電而又不能及時地在滿充點結束充電，電池則很容易存在大電流過充電的問題。過充電會使電池內部的溫度和壓力都急劇上升，造成對電池的傷害。這是因為在過充電 階段電池內部所進行的反應為消耗反應，它會加大電池內部壓力。同時，此時氧氣的產生和吸收都是放熱反應，因此會使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點時，只能采用低速率充電，因為電池在低電流過充時所產生的極化現象較輕，同時電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。 ，一是指蓄電池充足電后，放電到終止電壓時所輸出的電量，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 來表示。一個電池有理想容量、標稱容量和實 際容量等區(qū)分。 理想容量 :是指假設活性物質全部參加電池的成流反應所給出的電量 :它是根據活性物質的質量依照法拉第定律計算得到的。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量電池所能給出的理論電量，常以 Ah/KG 或 Ah/L 表示。 8 標稱容量 :是指設計和制造電池時，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應該放出的 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)對某一型號的電池進行恒流放電所能放出的最大容量。我國一直以 C/20 作為國家標準。 實際容量 :是指在一定的放電條件下電池實際放出的 容量 (又可稱為有效容量 )，等于放電電流與放電時間的乘積，其值小于理論容量。恒電流放電時的計算方法見式 恒電阻放電時的計算方法見式（ ）： 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間 電池的功率 :是指電池在一定放電條件下，電池于單位時內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 ()，它是指某個時刻電池所剩電量 Cr 與電池標稱總容量 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都受到未來放電狀態(tài)的 影響，而這個序列一般是無法預知的。更實用的定義是式 (): SOC1=(ICu/Cd)*100% () Cu是當時的已用容量，它是從完全充滿的狀態(tài)開始計量的。 SOC1 和 Cu 是在給定電流下的， SOC 和 Ct 通常取三或五小時放電率下的電流。因此剩余電量的定義如式()。相比較上面的定義來講，這個定義含義更明顯和更容易實現。 Cr=CdCu () (Depth of Discharge:DOD)放電深度定義如式 () DOD=Qe/C () 9 放電深度是指蓄電池在使用的過