【正文】 . 50 第 5 章 充電器測(cè)試及維護(hù) .................................................. 52 充電器調(diào)試 ....................................................... 52 充電器測(cè)試 ....................................................... 55 充電器輸出測(cè)試 ............................................. 55 充電器 溫度補(bǔ)償 測(cè)試 ......................................... 56 故障監(jiān)控功能測(cè)試 ........................................... 56 充電器參數(shù)遠(yuǎn)程配置 ......................................... 59 蓄電池維護(hù) ....................................................... 61 結(jié)論 ..................................................................... 62 致謝 ..................................................................... 63 參考文獻(xiàn) ................................................................. 64 附錄 1 充電器開(kāi)關(guān)電源原理框圖 ............................................ 66 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 1 頁(yè) 第 1 章 緒 論 引言 隨著全球能源問(wèn)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(shí)也是新能源中技術(shù)最成熟，最具備規(guī)模開(kāi)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。充電器實(shí)現(xiàn)了工作過(guò)程無(wú)人值守的全智能化，它能監(jiān)測(cè)電源 和溫度進(jìn)行設(shè)備自動(dòng)保護(hù)，它能進(jìn)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(jī)的主控設(shè)備。 本課題基于企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品需求，研究和開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂中的 鉛酸蓄電池 智能充電器，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備配套，實(shí)際完成了系統(tǒng)硬件電路、控制程序、測(cè)試驗(yàn)證的設(shè)計(jì)工作。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 I 頁(yè) 國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)： 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(jī)智能充電器 設(shè)計(jì) 姓 名 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩 士 專(zhuān) 業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 指 導(dǎo) 老 師 教授 二零 一 一 年 六 月 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 II 頁(yè) 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(gè)全新的高度。 本論文主要對(duì)充電器 ARM 控制 板 的軟硬件設(shè)計(jì) 技術(shù) 進(jìn)行闡述 ?？刂瞥潆娖鞴ぷ鞯闹饕獏?shù)都可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的在線重配置，這樣極大 地 提高了充電器對(duì)不同 廠家的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng) 和鉛酸蓄電池 的兼容性，增強(qiáng)了充電器對(duì)各種自然環(huán)境的適應(yīng)能力。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常工作需要一個(gè)電能儲(chǔ)存的設(shè)備，提供后備工作電源，它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)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(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一。 閥控式鉛酸蓄電池基本原理 閥控式鉛酸蓄電池簡(jiǎn)稱(chēng) VRLA（ Valve Regulated Lead Battery），它克服了開(kāi)口式鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)， 使用時(shí)不加水和酸進(jìn)行維護(hù)，它無(wú)泄漏、無(wú)污染、密封好、易于維護(hù)、 使用方便 。它充電和放電的過(guò)程是通過(guò)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(fù)電極發(fā)生的氧循環(huán)化學(xué)反應(yīng)如圖 11[4]所示： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 2 頁(yè) 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(fù)極活性物質(zhì) 的 過(guò)量設(shè)計(jì)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(guò) AGM 的 空隙向負(fù)極不斷 擴(kuò)散，與負(fù)極 的 活性物質(zhì)海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng) ， 生成氧化鉛，負(fù)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(fù)極 是 處于去極化狀態(tài) ，析出氫的 電位 達(dá)不到，由此 負(fù)極就 不會(huì)因充電而析出氫氣， 失水量很少，使用時(shí)就不需要加酸和水來(lái)維護(hù)。 [4]閥控式鉛酸蓄電池的自放電是指電池在不給負(fù)載供電或者開(kāi)路期間容量降低的現(xiàn)象。 化學(xué) 反應(yīng)的凈結(jié) 果 ， 是外電路中出現(xiàn)了定向移動(dòng)的負(fù)電荷。 閥控式鉛酸蓄電池 在充放電過(guò)程中，正負(fù)極的電動(dòng)勢(shì) 會(huì) 離開(kāi)了其平衡狀態(tài) ， 發(fā)生極化 ，其 電壓 會(huì) 有 較 大的變化。 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(shí)不同廠家生產(chǎn)的蓄電池 充電特性 還是具有一定的差異。 恒壓充電：充電過(guò)程中 的充電電壓 始終 不變， 重點(diǎn) 是 要 選擇恰當(dāng) 的充電電壓。恒壓充的優(yōu)點(diǎn)是充電速度快、時(shí)間短。在第一階段中，電流較大，當(dāng)單格電壓充到約 V，電池電解液中開(kāi)始出現(xiàn)氣泡時(shí)，將充電電流減小一半進(jìn)入第二階段，直到蓄電池完全充足為止。 循環(huán)充電其初期充電電流不宜超過(guò) ，充電的安培小時(shí)數(shù)要略大于放電安培小時(shí)數(shù)。蓄電池隨時(shí)都處于充電補(bǔ)足狀態(tài)，包括 蓄電 池自放電引起的容量損失 直接進(jìn)入 浮充 電補(bǔ)足 。 浮充電方式可以極大地提高鉛酸蓄電池的使用壽命。采用高速充電可能使蓄電池過(guò)量充電，易導(dǎo)致電池?fù)p壞。充電器的輸出電壓也具有和蓄電池相同的電壓溫度系數(shù)，充電電壓隨蓄電池溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，由控制器采集蓄電池溫度，然后按 –4mV/℃的調(diào)整系數(shù)對(duì)充電電壓進(jìn)行調(diào)整。 風(fēng)力發(fā)電 機(jī)在 正常工作情況下，充電器處于對(duì)蓄電池的浮充電階段，補(bǔ)足蓄電池自放電的能量損耗，既保證了蓄電池能量的充足，又很好的延長(zhǎng)了蓄電池壽命。不同廠家對(duì)浮充電壓的具體規(guī)定不一樣。 本充電器實(shí)現(xiàn)了從 25~60℃的蓄電池溫度補(bǔ)償，其對(duì)應(yīng)充電電壓在 232~263V，注意這里 25℃充電電壓是 263V， 60℃充電電壓是 232V，常溫 25℃時(shí)是 244V。該充電器輸入交流電壓為 220V177。 本 智能 充電器具有 可超長(zhǎng)時(shí)間充電、 充電速度快、無(wú)人值守、 充電還原效率高、無(wú)過(guò)充電危險(xiǎn)、蓄電池使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源采用串聯(lián)升壓式整流輸出的雙端正激式開(kāi)關(guān)電源，充電方式為三階段充電，開(kāi)關(guān)電源恒流充電的電壓為 244V，電流 。本 充電器采用 ARM 控制 器作為控制核心 ， 控制開(kāi)關(guān)電源完成三階段充電控制。 充電器 技術(shù)指標(biāo) 本充電器的主要技術(shù)指標(biāo)包括輸入特性如表 2輸出特性如表 2環(huán)境適應(yīng)性如表 23。為了滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)自身的自動(dòng)控制需求，充電器與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主控設(shè)備之間需要傳遞信息來(lái)自動(dòng)握手，于是充電器采用了兩路繼電器通斷控制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，通過(guò)插頭外接線傳遞給 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 主控設(shè)備。 3. 溫度采集控制電路，進(jìn)行 蓄電池溫度 、外殼溫度、機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度 采集 ，采集后送到 STM32 控制器 進(jìn)行分析，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警和控制信號(hào)。 6. LED 發(fā)光指示， 提 供 給工作人員 觀測(cè)充電器的工作狀態(tài)信息 ， 包括 工作指示及報(bào)警信息 。 STM32 系列 具有三種低功耗模式 ，以及 靈活的時(shí)鐘控制，用戶可根據(jù)自己所需的耗電性能要求 ， 進(jìn)行合理優(yōu)化。 充電器的八路 AD 采集包括：交流輸入電壓、充電器輸出充電電壓，蓄電池的電壓，充電器輸出充電電流，蓄電池盒溫度，充電器外殼溫度，充電器內(nèi)部環(huán)境溫度。 標(biāo)注“ x”的管腳是未使用的空置管腳， R56R57 是限流電阻，供電采用直流 。 石英諧振器簡(jiǎn)稱(chēng)晶振，是利用具有 壓電效應(yīng) 的石英晶體片制成。 控制器 手動(dòng) 復(fù)位控制電路 如圖 34 所示 ， S1 是裝在電路板上的手動(dòng)復(fù)位按鍵 。 [1] JTAG 調(diào)試 的關(guān)鍵 是基于 一 種邊 界掃描技術(shù) ，它 在芯片的管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。 + 3 .3 VC60 .1 uR210KR e s e t1S1R e s e t k e yR 1 1 0100C 5 30 .1 u123D 1 3B A V 9 91243U 1 6S F H 6 1 5 6 2R 1 1 6100X 1 8 1X 1 8 2R 1 1 3100C 5 10 .1 uR e s e t 1 8 _ i nR 1 1 24 .7 K+ 3 .3 VVDD圖 34 控制器手動(dòng)復(fù)位控制電路 + 3 .3 VJ T D IJ T M SJ T C KJ T D OV C C1V C C2T R S T3GND4T D I5GND6T M S7GND8T C K9GND10R T C K11GND12T D O13GND14S R S T15GND16NC17GND18NC19GND20X3J T A G ( 2 0 P I N )+ 3 .3 VJ T R S TR e s e t1圖 35 JTAG 仿真接口電路 L E D 1 0 3R 5 5680L E D 1 0 0R 5 2680R 5 4680L E D 1 0 2R 5 3680L E D 1 0 1H4200H1300H2301H3302T P 1 0T P 1 1T P 1 2T P 1 3圖 36 LED 顯示電路 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 14 頁(yè) 五． LED 顯示 如圖 36 所示，充電器通過(guò)四路 LED 發(fā)光二極管顯示電路，向外發(fā)出系統(tǒng)的各類(lèi)狀態(tài)和報(bào)警信息，詳細(xì) 報(bào)警 信息見(jiàn)表 31 所示。這里的 電容起到對(duì) AD 電壓的平滑濾波作用。 環(huán)境溫度的采集電路由 電壓基準(zhǔn)源 (REF2933)和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（ R80、 R8KTY8 C35）組成。芯片上層覆蓋著一層二氧化硅絕緣材料，絕緣層上開(kāi)有一個(gè)直徑 20mm 的金屬孔，整個(gè)底層全部被金屬化。 高溫警告是指散 熱器溫度超過(guò) 80℃是，控制器就會(huì)點(diǎn)亮 LEDH3 報(bào)警，同時(shí)通過(guò)繼電器 2 閉合向風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 充電器外殼溫度的采集電路由阻容分壓網(wǎng)絡(luò) R8 R8 R8 X C3 C38 組成，REF2933 產(chǎn)生 ，它與內(nèi)部環(huán)境溫度采集電路共用一個(gè)基準(zhǔn)源。該傳感器典型參數(shù)： 25176。），傳感器 B 值 B25/50=3950K177。 [5] 三． 蓄電池盒 溫度 的采集接口 蓄電池盒溫度的采集接口電路由溫度傳感器、光電隔離放大器和運(yùn)算放大器變換處理電路三個(gè)部分構(gòu)成（電路如圖 310 所示）。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 17 頁(yè) 測(cè)溫傳感器采用風(fēng)華高科的 NTC 熱敏電阻傳感器（ FHCWF103F3950F），與上節(jié)的 機(jī) 殼溫度傳感器相同。TLC7733B 的詳細(xì)參數(shù)請(qǐng)查閱器件手冊(cè)。通過(guò)調(diào)整 PWM 的 周期、 PWM 的 占空比 ， 達(dá)到控制充電 電壓與 電流的目的。 充電器的 PWM 供電基準(zhǔn)采用 REF02，它是一款 5V（ 177。 [5] 充電器控制器管腳（ 6 62）輸出的兩路 PWM 信號(hào)，分別經(jīng) FDC5612（ 60V 的 N溝道 MOSFET 管）進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)換控制， FDC5612 具有較快的開(kāi)關(guān)速度，和極低的柵極電荷（ ）， FDC5612 在 PWM 信號(hào)的作用下工作在截至和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，然后輸出進(jìn)入低通濾波器。開(kāi)始充電時(shí)，由 PWM1 鉗定開(kāi)關(guān)電源的充電電流，得到恒流階段。充電器的整個(gè)工作過(guò)程和狀態(tài)采用 K1K2 的兩個(gè)繼電