【正文】 國內(nèi)圖書分類號：TM910 西 南 交 通 大 學(xué)研 究 生 學(xué) 位 論 文基于ARM的風(fēng)力發(fā)電機智能充電器設(shè)計姓 名 申請學(xué)位級別 碩 士 專 業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 指 導(dǎo) 老 師 教授 二零一一年六月摘 要隨著新能源技術(shù)的空前發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)被提到了一個全新的高度。采用鉛酸蓄電池存儲電能，作為風(fēng)力發(fā)電機安全運行的重要保障，它位于發(fā)電機輪轂中，為發(fā)電機工作提供后備電源。本智能充電器配套風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)中，完成對蓄電池的全自動充電。本課題基于企業(yè)實際產(chǎn)品需求，研究和開發(fā)了一種專用于風(fēng)力發(fā)電機輪轂中的鉛酸蓄電池智能充電器，為風(fēng)力發(fā)電機的控制系統(tǒng)進行設(shè)備配套，實際完成了系統(tǒng)硬件電路、控制程序、測試驗證的設(shè)計工作。本論文主要對充電器ARM控制板的軟硬件設(shè)計技術(shù)進行闡述。本充電器采用開關(guān)電源技術(shù)，基于32位ARM內(nèi)核控制器的三段式全智能充電。控制器采用意法半導(dǎo)體公司STM32F103RB，它完成對蓄電池和開關(guān)電源的電壓、電流、溫度等8路AD信號的采集，然后進行三段式充電的分析控制，其間進行充電電壓和電流的溫度補償控制，進行充電器自身安全工作的監(jiān)測和控制，進行充電器對外部設(shè)備的串行通信控制。充電器實現(xiàn)了工作過程無人值守的全智能化，它能監(jiān)測電源和溫度進行設(shè)備自動保護，它能進行設(shè)備故障的自我診斷，并把診斷信息發(fā)送給發(fā)電機的主控設(shè)備?？刂瞥潆娖鞴ぷ鞯闹饕獏?shù)都可以進行遠程的在線重配置，這樣極大地提高了充電器對不同廠家的風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)和鉛酸蓄電池的兼容性，增強了充電器對各種自然環(huán)境的適應(yīng)能力。本論文所涉及的ARM控制板，完成了對溫度、電流、電壓的監(jiān)測控制及報警，完成了三段式充電及溫度補償控制，完成了與上位機的通信控制和參數(shù)在線配置。各項性能指標完全達到了產(chǎn)品要求。關(guān)鍵詞： 蓄電池；充電器；風(fēng)力發(fā)電機；ARM；STM32AbsractWith the unprecedented development of new energy technology，the wind power technology is brought into a brandnew situation．Using Leadacid battery to store electric energy, it is an important security of the safe operation of the wind turbine. Locating in the generator hub, it can provide backup power supply for generator. This smart charger, bined with the control system of wind turbine, will charge the battery automatically.Based on the demand of actual enterprise product, a smart charger that specializes in Leadacid battery of wind generator hub is developed and supports the control system of wind turbine. Some ralated work are performed, including the hardware circuit, control program, testing and validation.This thesis mainly elaborates the software and hardware design of ARM board that controls the charger.Switch power technology is applied to the charger, with running threegradation charge intelligently based on 32bits ARM kernel controller. A STM32F103RB, produced by STMicroelectronics, is adopted as controller, which samples the voltage, current and temperature of the battery and the switch power, and analyzes how to control threegradation charge. Meanwhile, temperature pensation for charging voltage and current, safety monitoring, serial munication between the charger and peripheral equipment are operating. The charger is allintelligent that detects the power and temperature and protects automatically, diagnoses the problem by itself and transforms to the acquisition equipment of the generator. These main parameter controlling the charger are reconfigurable online, thus improving greatly the patibility with different wind turbine control system and leadacid battery, but also enhancing the adaptation to various natural environment.This thesis presents an ARM control board and implements the monitoring, alarming, temperature pensation, PC munication and parameter configuration. The result shows that all indexes meet requirements of the product. Keyword: battery，charger，wind turbine，ARM，STM32目 錄第1章 緒 論 1 引言 1 閥控式鉛酸蓄電池基本原理 2 閥控式鉛酸蓄電池充電技術(shù) 3 3 3 風(fēng)力發(fā)電機的蓄電池及充電器 5第2章 充電器系統(tǒng)分析 6 充電器系統(tǒng)概述 6 充電器技術(shù)指標 7第3章 充電器控制板電路設(shè)計 9 充電器控制板功能 9 控制器 10 控制板電路 11 控制器電路 12 AD采集接口電路 14 PWM控制輸出接口電路 18 繼電器信息輸出接口電路 20 開關(guān)電源啟動控制電路 21 串行通信電路及協(xié)議 22 控制板電路板設(shè)計 27 PROTEL設(shè)計技術(shù) 27 控制板PCB設(shè)計 27 充電器整機實物 31 充電器控制板完整電路圖 33第4章 充電器軟件設(shè)計 37 充電器軟件設(shè)計平臺 37 MDK開發(fā)工具 37 STM32固件庫 37 軟件設(shè)計 38 主程序 38 AD數(shù)據(jù)采集處理 42 蓄電池溫度補償控制 44 輸出短路保護 46 繼電器分類處理 48 報警信息分類處理 49 串行通信 50第5章 充電器測試及維護 52 充電器調(diào)試 52 充電器測試 55 充電器輸出測試 55 充電器溫度補償測試 56 故障監(jiān)控功能測試 56 充電器參數(shù)遠程配置 59 蓄電池維護 61結(jié)論 62致謝 63參考文獻 64附錄1 充電器開關(guān)電源原理框圖 66第1章 緒 論 引言隨著全球能源問題和新能源技術(shù)的空前發(fā)展，可再生能源被日漸重視，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，同時也是新能源中技術(shù)最成熟，最具備規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式之一，現(xiàn)在世界各地迅速發(fā)展利用。風(fēng)力發(fā)電機的正常工作需要一個電能儲存的設(shè)備，提供后備工作電源，它為風(fēng)力發(fā)電機的安全運行提供重要保障，現(xiàn)在主要采用的是密閉式閥控鉛酸蓄電池，這樣蓄電池充電器就成了風(fēng)力發(fā)電機安全運行的重要設(shè)備之一。本課題基于企業(yè)需求的實際產(chǎn)品，研究和開發(fā)了一種專用于風(fēng)力發(fā)電機輪轂中的鉛酸蓄電池智能充電器，為風(fēng)力發(fā)電機的控制系統(tǒng)進行設(shè)備配套。本充電器具有充電速度快、充電還原效率高、無人值守的高度智能化、可超長時間充電、無過充電危險、蓄電池使用壽命長等特點。充電器功能強大而完善，主要功能有：輸入防浪涌，輸入過壓、欠壓保護報警，輸出過流、過壓、短路保護告警，過溫保護報警，電池溫度變化的充電補償，散熱器溫度過高的限流補償，遠程控制，運行參數(shù)可遠程在線重配置，自動風(fēng)冷散熱，良好的電磁兼容性。 閥控式鉛酸蓄電池基本原理閥控式鉛酸蓄電池簡稱VRLA（Valve Regulated Lead Battery），它克服了開口式鉛酸蓄電池的缺點，使用時不加水和酸進行維護，它無泄漏、無污染、密封好、易于維護、使用方便。電池氣壓升高，單向排氣閥會自動打開排出氣體，當自動關(guān)閥后防止空氣進入蓄電池。多年來，它以其優(yōu)異穩(wěn)定的性能，一直在工業(yè)、民用和軍工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。閥控式鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)原理是：充電的時候，蓄電池把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部；放電時，蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能防電。它充電和放電的過程是通過電化學(xué)反應(yīng)完成的，其電化學(xué)的反應(yīng)方程式如式11[4]所示： PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O （11）蓄電池在正負電極發(fā)生的氧循環(huán)化學(xué)反應(yīng)如圖11[4]所示：圖11 蓄電池氧循環(huán)化學(xué)反應(yīng)閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)內(nèi)部原理如圖12[4]所示，其原理是負極活性物質(zhì)的過量設(shè)計技術(shù)，AG的電解液吸附系統(tǒng)，后期在正極產(chǎn)生的氧氣通過AGM的空隙向負極不斷擴散，與負極的活性物質(zhì)海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鉛，負極表面的氧化鉛遇到硫酸（H2SO4）電解液發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鉛（PbSO4）和H2O，硫酸鉛再充電轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀Pb，而產(chǎn)生的H2O又回到電解液，這樣其負極是處于去極化狀態(tài)，析出氫的電位達不到，由此負極就不會因充電而析出氫氣，失水量很少，使用時就不需要加酸和水來維護。[4] 圖12 蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)原理圖閥控式鉛酸蓄電池在使用過程中基本上不產(chǎn)生氫氣，并且正極產(chǎn)生的氧氣能以電池內(nèi)循環(huán)的方式被陰極吸收，稱為陰極吸收機理。實際上，絕對控制H2與O2的析出是不可能的，電解液仍有少量消耗，仍有少量的氧氣和氫氣析出。所以免維護蓄電池實際是叫少維護，隨著工藝發(fā)展，其維護就會越來越少。[4]閥控式鉛酸蓄電池的自放電是指電池在不給負載供電或者開路期間容量降低的現(xiàn)象。 閥控式鉛酸蓄電池充電技術(shù) 閥控式鉛酸蓄電池充電的化學(xué)反應(yīng)閥控式鉛酸蓄電池充放電的基本電極反應(yīng)是鉛（Pb）和二價鉛（Pb2+）及四價鉛（Pb4+ ）之間的轉(zhuǎn)化。其過程如下[10]：充電過程：閥控式鉛酸蓄電池負極上的硫酸鉛被還原為金屬鉛的速度大于硫酸鉛的形成速度，使硫酸鉛轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘巽U；同樣，在蓄電池正極上的硫酸鉛被氧化為二氧化鉛的速度也增大，導(dǎo)致正極轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸U。放電過程：閥控式鉛酸蓄電池負極上失去電子被氧化，形成硫酸鉛；對正極而言，是得到電子被還原，也是形成硫酸鉛?；瘜W(xué)反應(yīng)的凈結(jié)果，是外電路中出現(xiàn)了定向移動的負電荷。因為是放電后，兩極的活性物質(zhì)都轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，所以叫“雙極硫酸鹽化” 。閥控式鉛酸蓄電池在開路狀態(tài)下，其正負極的活性物質(zhì)二氧化鉛和海綿狀鉛與電解液的反應(yīng)都趨于穩(wěn)定，也就是說，正負極的氧化速率和還原速率相等，這樣的電極電動勢為平衡電動勢。如果有充放電的反應(yīng)進行，正負的極活性物質(zhì)二氧化鉛和海綿狀鉛分別通過電解液與放電態(tài)物質(zhì)硫酸鉛來回不斷轉(zhuǎn)化，形成電荷。閥控式鉛酸蓄電池在充放電過程中，正負極的電動勢會離開了其平衡狀態(tài)，發(fā)生極化，其電壓會有較大的變化。極化主要是由電化學(xué)極化、歐姆極化和濃差極化這3種因素造成的，因為3種極化的存在，在使用中要嚴格設(shè)置各種充放電電流和充放電電壓，避免使用不當對蓄電池的性能造成大的影響。 閥控式鉛酸蓄電池的充電方法一、閥控式密封鉛酸蓄電池的充電特性蓄電池充電理論與實踐都已經(jīng)證明，充電接受電流I是充電時間t的指數(shù)函數(shù)，其函數(shù)如式12所示[14]。（12）式中：I——蓄電池可接受的充電電流，僅產(chǎn)生微量氣體，也叫允許充電電流；I0——t=0 時的最大充電電流，它由蓄電池的使用狀態(tài)決定；a——充電接受率，指蓄電池允許的充入電流和應(yīng)該充入的容量之比，這個數(shù)值越高，表示電池的電流接受能力越強，充電時間就越短。閥控式密封鉛酸蓄電池的充電特性決定了充電器應(yīng)該具備的充電電壓和電流特性，同時不同廠家生產(chǎn)的蓄電池充電特性還是具有一定的差異。 二、閥控式鉛酸蓄電池的充電方法 閥控式鉛酸蓄電池的運行壽命和性能，與充電方法密切相關(guān)，好的充電方法應(yīng)該是效率高而不傷電池，達到電池溫升低，壽命長，充電快，充電足，失水少。在充電過程中，蓄電池的吸氣和極化現(xiàn)象始終存在，并逐步加劇，嚴重影響充電質(zhì)量，縮短電池壽命。按充電器的輸出電能的方式不同，常用的充電方法有恒壓充