【導(dǎo)讀】主觀上能以認(rèn)真的態(tài)度對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)；能積極主動(dòng)與教師聯(lián)系；具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力；掌握太陽(yáng)能電池板的工作原理和蓄電池充電方法；掌握51系列單片機(jī)的使用；完成Protel制作的單片機(jī)控制的太陽(yáng)能充電器的原理圖；完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的英文翻譯，不少于3000漢字；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。在污染和能源口趨緊張的背景下，太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。滿足小功率的用戶需求。本文重點(diǎn)研究了用AT89S52實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能充電控制技術(shù)。計(jì)、各部分電路的功能、工作原理和電子元器件型號(hào)的選取。硬件系統(tǒng)由直流穩(wěn)。用PROTEUS仿真軟件進(jìn)行了電路仿真，并且制作了相應(yīng)的電路板。但是由于時(shí)間關(guān)系，沒能完成實(shí)物的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。電池原理及工作情況作了詳細(xì)介紹，并在此基礎(chǔ)上介紹常用的蓄電池充電方法。

　　

【正文】 （ 2Pb? ），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?，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，如圖 34 所示，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)。 24H S O4Pb ? ?2P bO Pb??2OH ?2H ?2OH ?2H ? 24SO ?24SO ?2Pb ?2? 圖 34 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理 其原理可通過下面的反應(yīng)方程式來表示： 負(fù)極： 2 4 4 22Pb H SO Pb SO H e?? ? ? ? (38) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 正極： 2 2 4 4 22 2 2P b O H S O H e P b S O H O?? ? ? ? ? (39) 總反應(yīng)： 2 2 4 4 22 2 2P b P bO H SO P bSO H O? ? ? ? (310) 鉛酸蓄電池的充放電特性 充電電流接收率與鉛酸電池充電特性 快速充電就是以大電流充電，在較短時(shí)間內(nèi)充入較多的電量，以此縮短充電時(shí)間。但是，電池可接受充電電流是有限度的。鉛酸電池的充電可接受電流是指其電解液只產(chǎn)生微量析氣的前提下所能夠接受的最大充電電流。 1967 年美國(guó)學(xué)者麥斯 (J. A. Mas)經(jīng)過大量試驗(yàn)提出了電池充電可接受電流定律，如式 34 所示 0 ati I e?? (311) 上式中： i —— 電池可接受的充電電流； 0I —— 開始充電 (t=0)時(shí)電池可接受的最大充電電流； a—— 充電可接受電流衰減常數(shù) (接收率 )，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)， a=I /C，其中 I 為 任意 充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流， C 表示蓄電池的容量。由此可見， a 的數(shù)值越大則表示蓄電池的充電接受能力越強(qiáng)，其充電時(shí)間也就越短。 電池在充電過程中其充電可接受電流按圖 35 所示，具有指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。當(dāng)充電電流大于充電可接受電流時(shí)，即處在 1 區(qū)域時(shí)則會(huì)導(dǎo)致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產(chǎn)生析氣反應(yīng)；當(dāng)充電電流在可接受電流曲線以下時(shí)，即處在 2 區(qū)域時(shí)，不產(chǎn)生析氣，此時(shí)充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W(xué)能量。在 1 區(qū)域時(shí)，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫 升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。 通過試驗(yàn)證明，鉛酸電池也具有按指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。充電過程中，如果能使實(shí)際的充電電流始終靠近可接受充電電流曲線，就可使充電所需的時(shí)間縮短。固有充電特性曲線是蓄電池在充電過程中是否發(fā)生極化的分界線，充電電流的值一旦超過它，極化現(xiàn)象就會(huì)嚴(yán)重起來，就會(huì)使蓄電池產(chǎn)生析氣和升溫現(xiàn)象。常規(guī)充電時(shí)由于充電電流很小，所以基本上不會(huì)產(chǎn)生極化，也就不會(huì)產(chǎn)生析氣和溫升現(xiàn)象，它的缺點(diǎn)是充電時(shí)間過長(zhǎng)。如果嚴(yán)格按照固有特性曲線充電，就可以在不產(chǎn)生析氣和溫升 的情況下大大縮短充電時(shí)間。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 圖 35 充電可接受電流曲線圖 鉛酸電池的放電特性 圖 36 是固定放電電流下電池端電壓與放電時(shí)間的示意圖。從圖可以看出，在大部分放電過程中，電池端電壓是穩(wěn)定下降的，說明電池釋放的能量與電池端電壓的降低量間存在一定的關(guān)系。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐?，硫酸的濃度已?jīng)很低，電解液擴(kuò)散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動(dòng)勢(shì)急劇降低，造成電池端電壓的 下降，至此應(yīng)停止放電，否則會(huì)造成電池的過度放電。過放電會(huì)致使電池內(nèi)部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，造成電池陰極 “ 硫酸鹽化 ” ，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因此在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內(nèi)阻也越大，電池的充、放電性能就越差，從而使蓄電池的壽命縮短。 圖 36 鉛酸電池端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 鉛酸電池的極化問題 鉛酸電池快速充電時(shí)很容易出現(xiàn)蓄電池的極化問題。電池的充放電特 性是由自身的物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)過程決定的。開路時(shí)正負(fù)極板與電解液處于暫時(shí)的相對(duì)平衡狀態(tài)，當(dāng)電池充電或放電時(shí)，平衡狀態(tài)遭到破壞，正、負(fù)極之間的工作電壓值偏離其電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生 “ 極化現(xiàn)象”。鉛酸蓄電池產(chǎn)生極化可以分為歐姆極化，濃度極化和電化學(xué)極化。 (1) 歐姆極化 在充電過程中，離子遷移不可避免地遇到一定的阻力，外加電壓就必須額外的施加一定的電壓以克服這種阻力，這種現(xiàn)象就稱為歐姆極化。 (2) 濃度極化 隨著電極化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，生成物以及反應(yīng)物的擴(kuò)散遷移速度跟不上化學(xué)反應(yīng)的速度時(shí)，會(huì)造成從電極表面到中部溶液、電 解質(zhì)濃度分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為濃度極化。 (3) 電化學(xué)極化 電極反應(yīng)由好幾個(gè)基本步驟構(gòu)成，其中有一個(gè)步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進(jìn)行必須外加電源來增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。 極化問題是阻礙充電的重要因素，會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池在充電時(shí)初始電流 0I 受到一定的限制，同時(shí)初始電流 0I 的維持時(shí)間會(huì)變短并會(huì)出現(xiàn)一定速率的衰減。如果濃差極化和電化學(xué)極化不消除，當(dāng)充電達(dá)到一定程 度時(shí)，蓄電池的端電壓就會(huì)迅速增長(zhǎng)，這樣即使堅(jiān)持充電也只會(huì)產(chǎn)生析氣和發(fā)熱，而實(shí)際充進(jìn)蓄電池的電量卻寥寥無幾。極化現(xiàn)象不消除，就無法實(shí)現(xiàn)電池組的快速充電，因此這是智能充電必須要解決的問題。 太陽(yáng)能 蓄電池充電技術(shù)研究 對(duì)蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法 恒流充電 恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池組 進(jìn)行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個(gè)充電過程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足 65%。為避免充電后期電流過大的缺點(diǎn)，一種改進(jìn)型的恒流方法得到應(yīng)用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關(guān)系 如圖 41 所示。 ,UI,UI ttUI UI 圖 41 恒流充電曲線 圖 42 恒壓充電曲線 恒壓充電 恒壓充電就是指以一恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調(diào)整電流。 相對(duì)恒流充電來說，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá) 80%，如充電電壓 選擇適當(dāng)，可在 8 小時(shí)內(nèi)完成充電。此法的充電特性曲線如圖 所示，此法也有其不足之處： ① 在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。 ② 如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長(zhǎng)，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。 ③ 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。 這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來自太陽(yáng)能陣列，其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流，所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 恒壓限流充電 恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時(shí)初始電流過大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻，當(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時(shí)，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之在某個(gè)限定范圍內(nèi)，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱這種方式為準(zhǔn)恒壓方式。 這種采用串電阻限流的方式對(duì)于光伏系統(tǒng)來說，肯定是不實(shí)用的，因?yàn)榇?lián)電阻將消耗掉有限的電能。 但如果采用其它非能耗限流方式，還是有其優(yōu)越性。 兩階段、三階段充電 這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它要求首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。其充電特性如圖 所示。 在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達(dá)其額定容量 (當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下 )時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。這 就是在兩階段基礎(chǔ)上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖 的虛線段 fU 。 ,UI tfUIU 圖 43 兩階段、三階段充電曲線 快速充電 正常充電方式蓄電池從 0%到 100%容量比，一般需要 820 小時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)。在某些場(chǎng)合需要縮短充電時(shí)間，但采用電流過大時(shí)蓄電池的溫度會(huì)升高過快，對(duì)蓄電池有損害，且電流利用率也下降。快速充電就是采用大電流和高電壓對(duì)蓄電中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 池充電，在 12 小時(shí)內(nèi)把蓄電池充好 ，而且在這個(gè)過程中不會(huì)使蓄電池產(chǎn)生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高 (一般在 45℃ 以下 )。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時(shí)間放電相結(jié)合方法。短時(shí)反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產(chǎn)生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。當(dāng)然脈沖充電電流、持續(xù)時(shí)間和放電電流以及持續(xù)時(shí)間必須根據(jù)蓄電池的要求進(jìn)行。 智能充電 智能充電是以美國(guó)人 （馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能 夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。這種充電方法的研究在上一章鉛酸蓄電池的部分有詳細(xì)的說明，故不再重復(fù)。 雖說按照?qǐng)D 35所示的特性曲線進(jìn)行充電，可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對(duì)蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因?yàn)槌潆婋娫幢旧聿⒉皇钦嬲饬x上的“無限電源”，而是來自太陽(yáng)能光伏陣列這個(gè)“有限電源”，對(duì)蓄電池充電的同時(shí)還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。因此還未見到在光伏系統(tǒng)中采用充電可接受電流控制的智能充電的研究報(bào)道。 本章小結(jié) 介紹了蓄電 池的相關(guān)知識(shí)。首先通過對(duì)蓄電池的概念和一般特性的介紹，使我們對(duì)蓄電池有了更多的了解；其次重點(diǎn)講解本系統(tǒng)所采用的鉛酸蓄電池，包括它的電極反應(yīng)、充放電特性等等；最后結(jié)合上一章對(duì)太陽(yáng)能電池板的介紹，簡(jiǎn)單的對(duì)太陽(yáng)能 蓄電池充電技術(shù)作了簡(jiǎn)單的研究。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 4 太陽(yáng)能充電控制器的研究及設(shè)計(jì) [40~45] 太陽(yáng)能充電器和其他所有的充電器都一樣，其充電原理在前面的章節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，這里將不再重復(fù)。但是太陽(yáng)能充電器的構(gòu)造又不其他的不同，下面就太陽(yáng)能充電器的各部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 主 控芯片的設(shè)計(jì) 單片機(jī)是整個(gè)路燈制器的智能核心模塊，在此選用 ATMEL 公司的 AT89S52，PLCC44 腳封裝的單片機(jī)，此芯片是一個(gè)低成本、低功耗和高性能的 CMOS8 位的微處理器，帶有 8K 字節(jié)的系統(tǒng)存儲(chǔ)器，此芯片和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)芯片 80C51 是兼容的，是一個(gè)具有很強(qiáng)功能的微處理器，對(duì)很多嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)能提供靈活的有效地解決方法。 ① AT89S52 簡(jiǎn)介 AT89S52 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 41 所示。 P 0 口 驅(qū) 動(dòng) 器 P 2 口 驅(qū) 動(dòng) 器F L A S H存 儲(chǔ) 器P 2 口鎖 存 器P 0 口鎖 存 器R A M地 址 寄 存 器R A M程 序 地 址寄 存 器緩 沖 器P C程 序 計(jì) 數(shù) 器D P T R堆 棧指 針A C CBT M P 1A L UPSW中 斷 、 串 口 和定 時(shí) 器 塊定 時(shí)控 制 指 令寄 存 器P 3 口 驅(qū) 動(dòng) 器 P 1 口 驅(qū) 動(dòng) 器O S C看 門 狗 IS P 口 可 編 程邏 輯P 3 口鎖 存 器 P 1 口鎖 存 器P ~ P ~ P P ~ P ~ P RS T PPE A / VA L E / PR O GP S E NT M P 2 圖 41 AT89S52 結(jié)構(gòu)圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)