铅酸蓄电池智能充电系统的设计

摘要本文主要介绍了一种铅酸蓄电池智能充电系统的设计过程，包括对蓄电池充电方法的研究和充电系统的设计。在通过对蓄电池充电原理和充电方法研究的基础上，提出采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法。这种充电方法可以始终地使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，并且在整个充电期间内适时地采取了去除蓄电池极化的措施。理论研究和实验数据表明，这种充电模式可以大大缩短充电时间，提高充电效率。在本充电系统的设计过程当中，采用了高频开关电源，主回路由三相整流电路、改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路和能量回馈电路组成，控制回路由SOC196KB单片机最小系统、模拟量检测电路、键盘和显示电路、执行电路组成。功率开关管选用IGBT，驱动芯片选用EXB841，移相控制芯片选用UC3879。通过采集蓄电池的端电压、充电电流等参数，送入80C196KB单片机进行分析和处理，得到相应的控制信号，控制主回路IGBT的通断，从而实现蓄电池的智能充电。实验结果表明，基于80196KB单片机控制的智能充电系统，其效率高、调节时间快的良好充电特性可得到充分发挥，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足电机车动力蓄电池的充电要求，具有良好的应用前景，为提高蓄电池的性能和可靠性提供一条新的、有效的途径。关键词电机车铅酸蓄电池智能充电80C196KB单片机ABSTRACTTHISPAPERMAINLYINTRODUCESAKINDOFLEADACIDBATTERIESINTELLIGENTCHARGINGSYSTEMDESIGNPROCESS,INCLUDINGTHEBATTERYCHARGINGMETHODOFRESEARCHANDCHARGINGSYSTEMDESIGNINTHEBATTERYPRINCIPLEANDCHARGINGMETHODSONTHEBASISOFSTUDY,THEPAPERPROPOSESTHECONSTANTPRESSUREANDPULSECURRENTLIMITINGCHARGINGCHARGINGCOMBINATIONOFCHARGINGMETHODSTHISKINDOFCHARGINGMETHODSCANALWAYSTORECHARGECURRENTINOVERALLAPPROXIMATIONBATTERYACCEPTABLECHARGINGELECTRICCURRENTCURVE,ANDTHROUGHOUTTHECHARGINGPERIODTIMELYADOPTEDREMOVEBATTERYPOLARIZATIONMEASURESTHEORETICALANDEXPERIMENTALDATASHOWSTHATTHISMODELCANGREATLYSHORTENCHARGINGCHARGINGTIMEANDIMPROVECHARGINGEFFICIENCYINTHISCHARGINGSYSTEMDESIGNPROCESS,ADOPTSTHEHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLY,THEMAINCIRCUITBYTHREEPHASERECTIFIERCIRCUIT,IMPROVEDTHEWHOLEBRIDGEPHASESHIFTINGCONTROLZVSPWMTRANSFORMCIRCUITANDENERGYFEEDBACKCIRCUIT,CONTROLCIRCUIT80C196KBCOMPOSEDBYSINGLECHIPMINIMIZESYSTEM,ANALOGUEDETECTIONCIRCUIT,KEYBOARDANDDISPLAYCIRCUIT,EXECUTIVECIRCUITCOMPOSEDTHEPOWERSWITCHTUBECHOOSEIGBT,DRIVECHIPCHOOSEEXB841,PHASESHIFTINGCONTROLCHIPCHOOSEUC3879BYCOLLECTINGANDANALYZINGTHEBATTERYVOLTAGE,CHARGINGCURRENTPARAMETERSSUCHAS80C196KBMICROCONTROLLER,TOANALYZEANDPROCESSING,OBTAINEDTHECORRESPONDINGCONTROLSIGNAL,THECONTROLOFMAINLOOPIGBTHIGE,THUSREALIZEBATTERYINTELLIGENTCHARGINGEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHE80C196KBSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLBASEDONTHEINTELLIGENTCHARGINGSYSTEM,ITSHIGHEFFICIENCY,REGULATINGTIMEQUICKGOODCHARGINGCHARACTERISTICSCANGETFULLY,MAKEBATTERYHASHIGHERUSECAPACITYANDLONGCYCLELIFE,CANMEETTHEELECTRICLOCOMOTIVEMOTIVEBATTERYCHARGINGREQUEST,HASAGOODAPPLICATIONPROSPECTFORIMPROVINGBATTERYPERFORMANCEANDRELIABILITYPROVIDESANEWANDEFFECTIVEWAYKEYWORDSELECTRICLOCOMOTIVE,LEADACIDBATTERIES,INTELLIGENTCHARGING,80C196KBSINGLECHIPCONNECTEDMICROCONTROLLER1绪论11课题背景目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注。一方面，传统的充电方法正常充电时，以10H或20H率电流进行充电。这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5，电池的浮充寿命将减少一半。在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害31。目前，我国工农业运输设备对蓄电池用量极大，但是其充电设备很落后，充电方法也很不科学，急需设计出一种新型智能充电系统以满足工农业生产的需要。12研究现状12，充电技术的发展状况对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电和恒压限流充电。这些传统的充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本身的使用寿命。针对传统的充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如定化学反应状态法、脉冲式充电法、变电流间歇/定电压充电法、分级定流充电法、变电压间歇充电法等。对铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法己经得到了广泛的应用。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。近几年开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题。122充电电源的发展状况目前，常用的充电电源主要有以下三种相控电源、线性电源、开关电源。相控电源是比较传统的电源，它是将市电直接经过整流滤波后输出直流，再通过改变晶闸管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所用的变压器是工频电源变压器，它的体积比较庞大，由此造成相控电源本身的体积庞大、效率低下，并且该类电源动态响应差、可靠性能低。目前相控电源己经有逐步被淘汰的趋势。线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以进行连续控制的线性稳压电源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。由于调整管上损耗功率比较大，所以需要采用大功率调整管并且需要装配体积很大的散热器。表1一1是对开关电源与线性电源作了一定的比较。通过比较可以看出开关电源远远优子线性电源。开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小、效率高，由于开关电源工作频率高，使得变压器的体积大大减小，它的滤波电感、电容数值较小，使其性能优子线性电源。高频开关电源因其高效率、小型化等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域中，已经得到了普遍的研究与使用。表1。1开关电源与线性电源的参数比较项目线性电源开关电源功率转换频率204065，90发热损耗大小体积大小质量重轻电网电压、频率变化适应性弱强输出电压保持时间短（5MS）长（20MS）电路简单复杂射频干扰和电磁干扰小大电压调整率00200500501负载调整率002001011输出电压范围士10士50开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。近20多年来，开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个发展方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功一PWM脉冲宽度调制，以下简称脉宽调制控制器集成电路，美国MOTOROH公司、SILICONGENERAL公司、UNITRODE公司等相继推出一批PWM芯片，其典型产品有MC3250、SG3524、UC3842等。在此基础上，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PWM、PEM脉冲频率控制芯片，典型产品如UC1825。第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段20世纪80年代初，意法半导体有限公司SGSTHOMSON，简称TS率先推出L4960系列单片机开关式稳压器。ST公司于90年代初又推出了L4970A系列产品，包括L4970A、L4977A。该公司在1998年还研制出L4978型单片开关式稳压器。其共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，但使用对需配工频变压器与电网隔离，适合制作低压可调式输出5140V、大功率400W以下、大电流L5L0A、高频率电源效率可超过90的开关电源。但从本质讲，它们仍属于DC/DC电源变换器。随着电力电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得开关的速率大大提高。关断时间加快，使存储时间大大缩短，从而大大提高了开关频率。提高功率变换器的开关频率，可以提高其性能，同时还可以减小功率变换器中的变压器体积和重量，以及电感、电容等无源器件的容量，进而可减小它们的体积和重量。并且当开关频率高于18KHZ时，可消除噪声对人耳的影响。因为高频功率变换器有如此多的优势，所以受到人们的广泛关注。很快，开关电源的频率从只有20KHZ左右提高到了数百千赫，成为真正的高频开关电源L0。123传统的充电方式123，恒流充电在充电过程中随着电池电压的变化要调整电流使之恒定，一般采用1OH率或20H率电流充电。这种维持电流恒定的方法，从直流发电机和硅整流装置中都能得到实现，其操作简单、方便，易于做到。这种充电方法特别适用于由多数电池串连的电池组，落后电池的容量易于恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。恒流充电方式的不足是，开始充电阶段电流过小，在充电后期充电电流又过大，整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65。鉴于这个缺点，在国外，除非蓄电池需要长时间小电流进行活化充电外，已经较少使用。这种充电方法，充电时间均在10H以上L1。1232恒压充电此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。因此充电初期电流相当大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。此方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80，如充电电压选择得当，可在8H内完成充电。其缺点是L在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电机的安全，电池也可能因过流而受到损伤2若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的电池组充电3蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。1233植压限流充电为补救恒压充电的缺点，广泛采用恒压限流的方法。在充电电流与电池之间串联一电阻，称为限流电阻。当电流大时，其上的电压降也大，从而减小了充电电压当电流小时，用于电阻上的电压降也很小，充电设备输出的电压降损失就小，这样就自动调整了充电电流，使之不超过某个限度，充电初期的电流得到控制。此法也称为准电压充电法，串联的电阻值可按下式计算RU21R内式中U充电电源电压（V）I充电电流（A）R内电池内阻（因很小可以忽略）13蓄电池的基本概念和工作康理131电池的种类和特性本课题研究的充电对象是应用于工农业生产的电机车所使用的铅酸蓄电池。为了更好的理解我们所面对的研究对象，需要介绍一下它的庞大家族一电池的种类以及他所拥有的各自不同的特性。蓄电池又称为二次电池，二是化学龟池所谓化学电池是指能将化学能直挤转换为电能的装置的一种，它不仅能将储备的化学能变为电能这一过程称为放电，而且当参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后，再用充电器对它输入直流电能这一过程称为充电，又可将已损耗的活性物质复活。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池就可以多次反复位用。蓄电池主要由三个部分组成发生氧化反应的阳极、发生还原反应的阴极、以及将阳极反应和阴极反应统一在一起的介质电解液。在电极里发生氧化反应和还原反应的物质被称为活性物质。依据使用场所的不同，蓄电池有固定型供室内装置使用、移动型便于携带用之分。移动型电池还可分为电动机车型和启动型蓄电池。依据蓄电池电解质的状态不同分类可分为电解质采用稀硫酸的称为铅酸蓄电池，采用硫酸电解质胶体的称为胶体铅蓄电池。又依据蓄电池电解质性质来区分电解质采用稀硫酸的称为酸性蓄电池采用碱性电解质的称为碱性蓄电池。例如铅酸蓄电池为酸性蓄电池，而镍镉电池则为碱性蓄电池。根据蓄电池的结构又可分为开口蓄电池和密封蓄电池两种形式。开口蓄电池具有以下的特点可以进行大电流放电、自放电小等。但是开口蓄一电池不便于维护，它需要经常补加蒸馏水和更换电解液而密封蓄电池在这方面具有明显的优势一它具有密封好、无泄露、无污染、无需维护、易保存等特点，一能够保障人体以及各种设备的安全。目前主要的蓄电池有以下四种铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和锂离子蓄电池。这四种蓄电池具有共同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同的。选择电池的依据主要是电池的能量密度、电池的容量及内阻，它们块定了电池为负载提供电能的速度和大小。对于放电速率要求不高的产品，如便携式计算机、蜂窝电话机和手提式视频设备，可以使用镍金属氧化物电池和锂离子电池。因为它们具有较大的内阻，从而限制了峰值放电电流，使它们适用于长期电流消耗要求较小的产品。而铅酸电池和镍福电池由于内阻较小，可以提供较大的电流，所以适用于放电速率要求较高的产品，如一些由电池供电的电动工具，比如锄草机。在这些电池当中，铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等特点，在国内外得到了广泛应用。132铅酸蓄电池的基本概念因为蓄电池的充电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解我们所涉及的主题，本节将简要地介绍铅酸蓄电池有关的基本概念。L电池单元，单个电池一般来讲，每个电池由六个单元CELL组成，单元之间串联。对于每个单元2V的电池来说，单个电池的电压为12V。2放电速率DICHARGERATE为了对不同容量的电池加以比较，电池的放电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池容量C和放电时间T的比表示，称为电池的放电速率或放电倍率。例如一个容量C为60AH的电池，对它进行2小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电电流为IC/205C即它的放电速率为05C若采用05小时对它放电完毕，则它的放电电流为IC/052C即它的放电速率为2C。充电速率的描述和放电速率相同，采用这种形式来描述电池的充放电更为直观和方便。3电池的终止电压和过放电、电池的过充电终止电压是指电池可放电的最低电压，当蓄电池的放电电压低于这一电压值时就不能正常工作了。若蓄电池在低于终止电压情况下继续放电，称为过放电，这极易对电池造成永久性伤害。当高速率充电而又不能及时地在满充点结束充电，电池则很容易存在大电流过充电的问题。过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电池的伤害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会加大电池内部压力。同时，此时氧气的产生和吸收都是放热反应，因此会使电池温度迅速上升。因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电，因为电池在低电流过充时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。4电池容量电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，一是指蓄电池充足电后，放电到终止电压时所输出的电量，也就是在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。电池容量用C表示，其单位用AH、MAH来表示。一个电池有理想容量、标称容量和实际容量等区分。理想容量是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量它是根据活性物质的质量依照法拉第定律计算得到的。为了比较不同系列的电池常用容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以AH/KG或AH/L表示。标称容量是指设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。通常是指在一定温度下，用一定的放电率例如C/20对某一型号的电池进行恒流放电所能放出的最大容量。我国一直以C/20作为国家标准。实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的容量又可称为有效容量，等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。恒电流放电时的计算方法见式恒电阻放电时的计算方法见式（15）CQIXT14CL一5式中I放电电流R放电电阻T放电至终止电压的时间电池的功率是指电池在一定放电条件下，电池于单位时内所能给出一能量的大小，单位W瓦或KW千瓦。单位重量电池所能给出的功率称为比功率，单位是W/KG或KW/KG。5充电状态STATEOFCHARGE即SOC充电状态的定义如式16，它是指某个时刻电池所剩电量CR与电池标称总容量CT的比，通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为100/的充电状态SOC，而将电池再不能放出能量的状态定义为0的充电状态SOC。SOCCR/CT10016由于CR和CT都受到未来放电状态的影响，而这个序列一般是无法预知的。更实用的定义是式17SOC1ICU/CD10017CU是当时的已用容量，它是从完全充满的状态开始计量的。SOC1和CU是在给定电流下的，SOC和CT通常取三或五小时放电率下的电流。因此剩余电量的定义如式18。相比较上面的定义来讲，这个定义含义更明显和更容易实现。CRCDCU186放电深度DEPTHOFDISCHARGEDOD放电深度定义如式19DODQE/C19放电深度是指蓄电池在使用的过程中，电池放出的电量QE与电池标称容量C的比，也就是电池所放的安时数占它的标称容量安时数的百分比。它SOC关系见式110DODSOC1110当电池放电深度为100，电池的实际使用寿命大约是200250次充放电循环。如果将电池的放电深度减为50，它所允许的充放的循环可增至500600次左右。当电池的放电深度减为30时，允许的充放电的循环可高达1200次左右。因此，为延长电池的使用寿命，尽量不用让电池处于深度放电状态。7充电深度（DEPTHOFCHARGEDOC充电深度定义如式111DOCCQE/C111它是指电池可能剩余的电量CQE与实际电池容量C与温度和电流有关的比，DOC的值不仅与电池的当前状态SOC、温度、电流等有关，并且与将来电池的放电情况有关，DOC比SOC更能反映电池的实际情况。8电池的内阻和极化现象、电池的老化当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，这个内阻与其他电源的内阻有所不同，它包括两个部分，即RRORN112其中RO为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量RN是由于电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大，RN越大。由于蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其他电源有所不同，该值也与蓄电池的工作状态有关。它一般有三种状态的值当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压电池放电时所测得的电池电压称为放电电压。这三种状态的电压总是具有下述特点充电电压高于开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高放电电压则低于开路电压，而且随着放电时间的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产生，主要是因为一般的蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分。当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极板上，使得电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。我们刚刚提到的蓄电池的极化电阻正是由于电池的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，反应所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般对电池没有伤害但当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的，它不仅使电池发热，而且降低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。电池的老化是指另外一种电池的现象电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约510。接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80时，就可以认为电池的寿命基本结束了。9循环寿命CYCLELIFE循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。根据我们前面所讲的放电深度的概念中可以看出，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。10自放电现象SELFDISCHARGE当电池处于闲置不用非工作状态时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。自放电的大小一般用单位时间的电池容量下降的百分比来表示，见式113式中IS自放电的电量、QO新电池在规定条件下的容量QT电池存储一段时间后，在同样规定条件下的容量自放电通常与环境温度有密切关系。当环境温度较高时，电池的自放龟现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和湿度下保存。自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相对镍福蓄电池来讲比较严重，经验表明铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30左右。考虑到这一点，在设计蓄电池智能充电系统时，应在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。11电池的记忆效应首先申明一点，电池的记忆效应并不是所有的蓄电池都具有的现象，它是烧结式蓄电池特有的现象，象我们所说的镍镉电池就具有记忆效应，而铅酸蓄电池就不具有记忆效应。在电池的正常使用过程中电池放电完全，电池极板上的晶体尺寸保持较小，如果电池放电不完全，NIOOH未完全转化为NIOH2，NIOOH将凝结在一起，形成较大的晶体结构即枝状物，极板上的晶体尺寸改变当再次充电时这些集结了的晶体结构不再参加反应，使得电池无法充电至电池的额定容量，这时便称电池具有了记忆效应。一有记忆效应的电池表现为即使己充满电，电池也无法释放出额定的容量。记忆效应是一种暂时的现象，一也常被称为电池的可逆故障，只要将电池充满后再做深度放电，如此反复几次，便可以将电池再次激活，恢复其原有的容量。133铅酸蓄电池的工作原理19世纪中期，铅酸蓄电池的问世解决了部分小用电设备的随机用电向题。虽经历了100多年的发展，但其工作原理基本上没有什么变化，它的正常充放电化学方程式为114以上铅酸蓄电池的充放电化学方程式为理想化的原理方程式，似乎只要不受到机械损伤，一只铅酸蓄电池就可以无休止地使用下去，完成充放电过程。铅酸蓄电池在充电时，正极由硫酸铅PBSO4转化为二氧化铅PBO2后将电能转化为化学能储存在正极板中负极由硫酸铅转化为海绵状铅PB后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅PBO2变成硫酸铅PBSO4而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅PB变为硫酸铅PBSO4而将化学能转换成电能向负载供电。铅酸蓄电池在充放电过程中，正极和负极必须同时以同当量、同状态如充电或放电进行电化学反应才能实现上述充电或放电过程，任何情况下都不可能由正极或负极单独完成上述反应。由此可知，如果一只铅酸蓄电池中正极板是好，而负极板损坏了，那就等于这只铅酸蓄电池变成了报废的铅酸蓄电池。同样，如果一只铅酸蓄电池中的负极板是好的而正极板损坏了的话，这只铅酸蓄电池也将变成一只报废的铅酸蓄电池。除此之外，正极板中可以参加能量转换的物质量活性物质的量与负极板中可以参加能量转换的物质量活性物质的量要互相匹配。如果不匹配，一个多而另一个少的话，多出来的部分就是一种浪费，而且每种参加电化学反应的物质与另一种物质相匹配的量都是不同的，科学家们把每一种物质可将一个安培小时的电量转化为化学能储存起来的量叫做该物质的电化当量即电能与化学能转换的相当物质的量。每一种活性物质的电化当量都是由其电化学反应方程式计算出来的。铅酸蓄电池工作原理的全部内容包括电化当量可以用如下电化学反应方程式来表示PBQPBZHZSO月锌ZPBSOZHZOL一15当上述电化学反应方程式由左向右进行时，是铅酸蓄电池的放电反应当上述电化学反应方程式由右向左进行时，是铅酸蓄电池的充电反应。从上述电化学反应式中可以看出，在铅酸蓄电池放电时，正极必须有1个克分子量的二氧化铅，负极必须有1个克分子量的海绵状铅，同时还应有2个克分子量的硫酸参加反应，这个放电过程才能顺利进行。利用法拉第定律中的法拉第常数，通过上述电化学反应方程式，经过计算后得知二氧化铅的电化当量为4146G/AH，海绵状铅的电化当量为3387G/AH。这就是说，要使铅酸蓄电池放出1AH的电量来，正极必须有4146G二氧化铅活性物质，同时负极必须有3387G海绵状铅活性物质，在足够量的硫酸存在的情况下才能完成。要使铅酸蓄电池放出100AH的电量来，正极必须有4146G二氧化铅，负极必须要有3387G海绵状铅才能实现。这就从原理上说明了铅酸蓄电池的电容量为什么会是由活性物质量的多少来决定的道理。事实上，铅酸蓄电池在充电时会有气体析出，因为在其完成正常充放电过程的同时，伴随着许许多多其他的化学反应电解液中含有尸B、H十、刀口一、S口了一等带电离子，特别是在充电末期铅酸蓄电池正、负极分别还原为尸BQ和尸B时，部分H与万口会在充电状态下产生从与诀两种气体，其方程式如下L3ZHZHO一伪2万2个Q个L一1614本课题所要做的工作本系统的面向对象是工农业生产中尤其是林场、矿山中的电机车所使用的铅酸蓄电池，一般为48节串联，每节蓄电池电压为标准的2V。该蓄电池具有密封、安全、环保、要求充电质量高的特点，若使用适当，可以工作1015年时间。而目前，许多电池在使用过程中，由于采用了简单的充电设备和落后的充电方法进行充电，使电池的质量下降，使用寿命缩短。因此设计一种新型的充电设备是十分必要的。根据课题要求，本论文所作的主要工作包括以下几个方面首先是在对蓄电池充电原理和目前各种充电方法的研究的基础上，提出了来用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法然后是进行系统的硬件设计，包括主电路和控制电路的设计主电路采用高频开关电源技术，由三相整流电路和全桥移相控制的零电压PWM变换电路组成控制电路以80C196KB单片机为核心，包括单片机最小系统、蓄电池充电方式切换及数值显示电路等最后是进行系统的软件设计，包括主程序、实时时钟中断服务程序、去极化子程序等程序的设计。新型充电电源和充电方法的研究，不仅可以在电力系统中得到应用，而且对相关的多个技术领域有着借鉴作用，例如电动汽车所使用的快速充电机等。2铅酸蓄电池智能充电的基本原理21铅酸蓄电池的充电特性通常，对铅酸蓄电池进行充电时，都是用曲线来表达电池的端电压、锡电压、电解液的密度以及电解液的温度随时间的变化，把这样的一些曲线，称为电池的特性曲线，来表示电池的各种特性。一般因电池和极板种类的不同而略有差异。在充电过程中，电池端电压的变化，可表示如下UE乳仪IR2一L式中U充电时电池的端电压V叭正极板的超电势V仪负极板的超电势VI充电电流AR电池的内阻Q。充电时电池的电压变化曲线如图21所示图21铅酸电池充电时电压变化从图21可以看出，在充电开始时，由于硫酸铅转化成为二氧化铅和铅，相应的有硫酸生成，因而活性物质表面硫酸浓度迅速增大。因此，电池端电压沿着OA而急剧上升。当达到A点后，由于扩散使活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧上升时，端电压也就上升的较缓慢ABC部分。这样，活性物质逐渐从硫酸铅转化成为二氧化铅和铅，活性物质的孔隙也逐渐扩大，孔隙率增加。随着充电的进行，逐渐接近于电化学反应的终点，即充电曲线的C点。当极板上所存硫酸铅不多，通过硫酸铅的溶解，提供电化学氧化和还原所需的离子极度缺乏时，电化学反应的极化增加，这时正极的电极电势变得很正，使得氧气大量析出。负极的电极电势变得很负，达到析出氢的电势，结果充电的电池端电压迅速升高，大量气体析出，进行水的电解过程，表现为充电曲线的CD段电压急剧上升。需要指出，尽管在电解液中具有较高的氢离子浓度，以及H2/H的平衡电势比PB/PBSO4还正，但由于氢在铅上具有很高的超电势，所以在充电过程中主要进行PB2离子的还原，而不是H离子的还原，只有在充电后期方有氢的析出，如有比氢超电势低的杂质存在于极板的表面，其结果是充电终期端电压低下，充电不完全。22JA马斯JAMAS三定律1967年美国人JAMAS研究了充电过程中析气的问题，找出了析气的原因和规律，他以最低析气率为前提，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流，和可以接受的充电电流曲线。对蓄电池快速充电的理论也进行了探讨，并在实践的基础上提出了蓄电池快速充电的一些基本定律。在充电过程中，用某一速率的电流进行充电，蓄电池只能充到某一极限值，当达到这一极限后，继续充电时，只能导致电解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电速度。图22为蓄电池在充电过程中，只持续产生微量气体的充电特性曲线，在充电中任一时刻T，蓄电池可接受的充电电流I。22式中IO当T0时的最大起始电流I任意时刻T时蓄电池可接受的充电电流A衰减率常数，也称充电接受比。图22充电电流接受特性曲线图22是一条自然接受特性曲线，超过这一接受曲线的任何充电电流，不仅不能提高充电速率，而且会增加析气。小于这一接受特性曲线的充电电流，就是蓄电池具有的储存充电电流，该电流称为蓄电池的充电接受电流。如果遵循接受特性曲线充电，在某一时刻T，已充电的电量C是从0到T时曲线下面的面积，可用积分法求得2铅酸蓄电池智能充电的基本原理2324到最后全部充电电量为C也就是先前放掉的容量。2526因此，充电接受比是起始接受电流I。和尚需充电容量C的比值。JAMAS在实验的基础上，提出了蓄电池快速充电的三定律。第一定律蓄电池在采用任意放电电流后，其充电接受比和放电放掉的容量的平方根成反比，即27式中K常数它定量地表明随放电深度不同，充电接受能力的变化。第二定律对于任何放电深度，一个电池的充电接受比A是和放电电流ID的对数成正比，即A28它定量地表明随放电率的不同，充电接受比的变化。第三定律一个电池，经几种放电率放电，其接受电流是各放电率下接受电流之和I29同时符合210式中IT总接受电流CT电池放电容量的总和AT总结果接受率。放电能同时增加式210中的分子和分母，若放电放得适宜，则分子增加的比分母大，提高接受率。所以电池在充电前或在充电过程中应适当地给予放电。这就等于改变放电的深度，即不管被充电电池最初的放电深度如何，可以给它加上新的符合需要的放电深度，以使接受电流接近于充电电流，从而进一步打破了指数曲线的自然接受特性。23极化电压当充电电流超过蓄电池接受电流值时，就会大量地产生气体。这是由于极化现象严重引起的。极化是一切电化学反应所具有的共同现象。在电池中，极化使其端电压发生变化。蓄电池的端电压为EEN。E为蓄电池的电动势，EN为极化电压降，其方向是在充电时风与E同方向，放电时与E相反。即充电时的端电压高于电动势，放电时端电压低于电动势。极化电压降由三部分组成，即欧姆极化纯电阻电压降、浓差极化和电化学极化。1欧姆极化指的是电池内部各个导电部分，包括极板、隔板、电解液和外部连接部分如极柱、连结条的电阻等所产生的电压降，此压降值遵循欧姆定律，当充电电流停止后可立即消失。2浓差极化由极板表面附近决定电极电势数值的那种离子浓度的变化所引起。当未接通电路时，电池中电解液的浓度在各处的分布是均匀的。充电开始后，由于发生了电化学反应在正极附近消耗了水，并有硫酸产生，负极附近也有硫酸产生。两极极板附近硫酸浓度的升高，造成与其它地方的电解液浓度的差异。而电极的平衡电势是根据H十离子和HSO4离子浓度确定的。由于极板表面附近液层中离子浓度的变化，使得电极电势与平衡电势间存在着一定的差值，这种电极电势的偏移称为浓差极化。随着充电电流增加，浓差极化现象更加显著。停止充电后，由于扩散作用使各处离子浓度趋于均匀，浓差极化现象消失但由于传质过程的缓慢，几而不像欧姆极化那样立即消失。3电化学极化溶液中的铅离子需要得到或失去电子进行还原或氧化反应。电子传导的速度接近于光速，它比离子失去或得到电子进行氧化还原的电化学反应速度快得多，因此在阴极上将有过剩电子的积累指与通电流前相比，而在阳极上将有电子的减少。阴极上电子的过剩促使铅离子以更快的速度获得电子而还原。同理阳极上电子的减少促使铅离子以更快的速度失去电子而氧化。最终达到动态平衡，即电子传导的速度与电化学反应速度相等，这时电极表面上电荷的数目不再继续改变，但与未通电流之前相比，阴极上积累了电子，阳极上减少了电子，于是引起电极电势和平衡电势的偏离，正极即阳极的电势更正，负极即阴极的电势更负。这种由于电化学反应的迟缓性所引起的电极电势偏离平衡电势，称为电化学极化，偏离的数值称为过电势或超电势。在切断电源后，由于电化学反应的迟缓性而产生的平衡电极电势的偏移就迅速地下降，在微秒级内就显著地降低。由于极化产生的过电势，不仅阻碍充电电流，放慢了电化学反应。而且还产生一系列副作用，诸如产生大量气体，使电解液温度升高，水分损失，从而增加维护量，能量无谓的损耗等等。这些都需要设法防止和消除。也就是实行智能充电要解决的问题。若有适当的方法消除极化，而不影响蓄电池本身的性能，就可以达到智能充电的目的24智能充电的基本原理和控制方法241智能充电的基本原理智能充电的特性曲线如图23中的II线所示。它是通过改造蓄电池固有的可接受电流的特性曲线图23中I线，尽可能地延长其初始最大电流的时间来达到缩短总的充电时间的目的。图23中II线超出蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线斜线部分，按照马斯理论，超出部分的电量将用于产生气体释出，使电解液的温度升高，造成电池极板活性物质脱落损坏等一系列副作用，发生这种现象的原因是伴随着大电流的充入，电池极化现象严重地阻碍电化学反应的进行，最终导致蓄电池的不可逆反应，为了使持续电流能顺利地进行充电，就必须适当地消除电流引起的极化现象。消除极化是智能充电的关键技术所在。图2一3智能充电的特性曲线242智能充电的几种控制方法如前所述，智能充电是通过尽可能地延长蓄电池所固有的可接受初始电流的持续时间来实现的。在这段时间里，所要解决的问题是消除极化，而消除极化的主要手段是对蓄电池实施放电，放电量一般为窄而深的放电脉冲。目前国内外各种快速充电装置无一例外地采取这一手段来达到充电快速的目的。但采取的具体策略有按引进放电脉冲的时刻不同分为充电后期引进放电脉冲法和充电全过程引进放电脉冲法按引进放电脉冲的具体方案不同，又分为固定电阻为负载实施放电方式和逆变放电法。L充电后期引进放电脉冲法采用这种方法，是在充电前期以恒定的大电流进行充电，当反馈系统检测出蓄电池的端电压达到一种“极化点”时，实施放电。2充电全过程引进放电脉冲法采用这种方法，是在充电全过程实施放电脉冲去极化。整个充电过程按照“充电一停充一放电一停充一充电”这一既定的程序周而复始。权衡这两种方法，第二种方法更为合理科学。这是因为第一，极化电压是伴随大电流的介入而产生。在大电流充电的初期，极化电压就已严重存在，不及时予以处理，大电流充电在其初期就难于进行。第二，采用第一种方法，反馈系统检侧出的蓄电池的端电压包含有整流叠加电压的成分，该值随充电电流大小而异，以此作为指令来控制充电过程并不能真实地反映出蓄电池电动势的增长状况。第三，经验表明，所谓“极化点”并不是一个固定的量值，不同容量的蓄电池，以及蓄电池的残余容量不同，其极化点也不尽相同。3以固定电阻为负载实施放电法这种方法的具体电路如图24所示。充电装置中设置一固定电阻R，开关K闭合，蓄电池组E对负载R放电。图24固定电阻放电法图25逆变放电法所用电路4逆变放电法逆变放电法所用电路如图25所示。蓄电池组E通过开关K闭合向交流电网逆变放电。比较上述第3和第4两种方法，后者更为合理、科学，这是因为第3种方法存在如下弊病放电脉冲量的最佳点无法确定。放电脉冲既然作为快速放电的极其重要的手段，理所当然地存在一个量的最佳值。放电脉冲的深度和宽度对消除极化的效果影响甚大，其值太小难以消除极化，而其值太大不但降低充电效率同时又会引起新的极化电压。而电路中的电阻值R一经确定，放电深度即随之确定，很难寻求放电量的最佳值。3总体设计方案31系统的设计要求311系统的基本功能L可以在系统的控制下快速地完成充电过程2充电过程中，实时监测并且随时显示电池的充电状态3充电系统按照设定的充电方法给电池充电，并能根据电池电压和充电电流自动转换充电状态，在蓄电池充满电后，自动转入浮充状态。312系统的理想技术指标根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源提出下面的理想技术指标L充电电源输出直流电压可在0V180V范围内调整工农业生产使用的电机车所用的蓄电池组一般由48节铅酸蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和电压均假设为3V，则48节电池的极限端电压为144V。因此充电电源开路电压必须在144V以上。根据实际情况，要求充电系统输出的充电电压在0V180V范围内调整。2充电电源输出直流电流可在060A范围内调整充电系统工作时，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。例如对一个5AH的电池组，当采用1倍速率充电时，充电电流应为5A当采用2倍速率充电时，充电电流应为10A。根据实际情况，要求充电系统输出的充电电流在060A范围内调整。32智能充电方法的选择充电方法的选择是十分重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大，导致充电效果的差距也会很大。系统所要求的充电方法，一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，使充电速度得到最大的提高另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力，使负极能够跟得上正极氧气产生的速度，以避免电池的极化现象。根据上面的标准和实际的对象，在分析了传统的充电方法和几种快速充电方法的基础上，本充电系统采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法，将充电过程分成几个子充电过程，充电电流总体上呈逐级递减的趋势并保持恒定电压，而每个子充电过程按“正脉冲充电一停充一负脉冲放电一停充一再正脉冲充电”这种循环过程进行，直至电池的容量达到额定容量的80以上。之后转入浮充状态，使电池电量完全恢复，即达到额定容量。恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法结合了这两种充电方法的优点，使充电曲线在总体上逼近马斯提出的蓄电池可接受充电电流曲线，同时通过有规律的间歇停充来消除电池在充电过程中所产生的极化现象。并且在整个充电时期内，始终适时地采取了去极化措施，避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问题，从而达到大大缩短充电时间和提高充电效率的目的，因而能够比一般的充电方法更快地进行充电。33系统的结构原理框图本充电系统的结构原理框图如图31所示，它包括提供充电的电源和作为管理中心的控制系统。在系统设计中，充电电源采用开关电源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”这种电路的装置称为开关电源。从输入输出关系来看，开关电源是一种“交流一直流”的变流装置，然而由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同样功率条件下其体积和重量远远小于传统的相控电源。除此之外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。系统的主回路由充电电路、放电电路及控制电路组成，其中充电电路采用整流桥式电路。图31系统的结构原理框图控制电路部分实际上是一个实时监测和控制系统，包括对电池温度、蓄电池端电压、充电电流等参数的监测，对收集信息的分析和计算处理，对充电机工作参数的设置和显示等。其控制过程主要是通过采集蓄电池的相关参数，送入80C196KB单片机进行预定的分析和计算，得出相应的控制数据，从而控制输出电压、电流，完成对蓄电池的智能充电。其中控制电路的核心采用80C196KB单片机芯片，具有高度的集成度。34充放电方法的控制与实现在充电方法的实现上，我们设计了以80C196KB单片机控制为主的控制方法，将采集到的电池温度、电池端电压、充电电流等状态信息，送入CPU后要进行必要的处理和判断，以此来改变充电方式，实现智能充电。其优点是结构简单、便于操作、维修方便、成本低。在放电方法的实现上，采用大功率IGBT管进行PWM控制，以控制放电电流大小，保持其高稳定性。4系统的硬件设计41开关电源原理充电电源采用开关电源，开关电源一般由功率变换主回路和控制回路两部分组成。主回路有多种不同的拓扑结构控制回路是实现电源各种性能要求的核心，其控制机理有调频、调幅、调宽、谐振等。高频开关电源的原理框图如图41所示。图41高频开关电源系统结构图从图41中可以看到，高频开关电源主要由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等几部分组成。其基本原理是交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一定的直流电压，再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。42充电系统的主电路原理与设计421全桥变换电