電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造畢業(yè)論文

1、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)系 部：電氣工程系專(zhuān) 業(yè)：電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造姓 名:朱建冬學(xué) 號(hào):40931315題 目：蓄電池充放電控制裝置設(shè)計(jì)起迄日期: 年 月 日 月 日設(shè)計(jì)(論文) 地點(diǎn):指 導(dǎo) 教 師:專(zhuān) 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人：發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 年 月 日目錄摘要 第一章 緒論 1.1蓄電池及其應(yīng)用和發(fā)展 1.1.1蓄電池及其發(fā)展?fàn)顩r 1.1.2蓄電池在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用 1.2常用蓄電池的使用維護(hù) 1.2.1蓄電池(組)的充電方式 1.2.2蓄電池的主要故障及其原因 第二章 鉛酸蓄電池的基本概念及工作原理 2.1鉛酸蓄電池的基本概念 2.1.1電池充電2.1.2過(guò)充電 2.1.3放電

2、 2.1.4自放電 2.1.5活性物質(zhì) 2.1.6充電深度 2.1.7放電深度 2.1.8板極硫化 2.1.9容量 2.1.10相對(duì)密度 2.1.11運(yùn)行溫度 2.1.12循環(huán)壽命 2.2鉛酸蓄電池的工作原理 2.21鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生2.2.2鉛酸蓄電池放電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)2.2.3鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng)2.2.4鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化第三章 電路的設(shè)計(jì) 3.1化成電源主回路 3.2電壓、電流采集電路 3.2.1數(shù)據(jù)采集模塊 3.2.2輸出模塊控制 3.3人機(jī)界面模塊 3.3.1鍵盤(pán)模塊3.3.2顯示模塊3.4掉電保護(hù)模塊第四章 蓄電池充放電控制 4.1蓄電池自動(dòng)控制器的構(gòu)成

3、4.2控制策略 結(jié)論 參考文獻(xiàn) 蓄電池充放電控制裝置技術(shù)摘要：介紹了鉛酸蓄電池發(fā)展?fàn)顩r、充電方式、常見(jiàn)故障及原因。繼而闡述了蓄電池的基本概念和工作原理。文章以公司最常生產(chǎn)的一種充放電機(jī)為例，講述了其主電路、電壓、電流采集電路，人機(jī)界面模塊和掉電保護(hù)電路。并敘述了充放電的自動(dòng)控制器及其控制策略。 關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池，充放電，控制。引言：在蓄電池問(wèn)世以來(lái)一百余年的時(shí)間里，由于蓄電池作為一種能源變換器可以方便的存儲(chǔ)與提供電能，且具有可逆性好、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、適用范圍廣、原材料豐富且可再生、使用及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中不可或缺的重要產(chǎn)品。在大力提倡環(huán)保節(jié)

4、能、使用綠色能源的今天，蓄電池將具有更加廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。一、緒論1.1.蓄電池及其應(yīng)用和發(fā)展 1.1.1蓄電池及其發(fā)展?fàn)顩r鉛酸蓄電池是世界上各類(lèi)電池中產(chǎn)量最大，用途最廣的一種電池，它所消耗的鉛占全球總耗鉛量的82%。我國(guó)鉛酸蓄電池工業(yè)本世紀(jì)80年代進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大，以汽車(chē)、摩托車(chē)、及電力、通訊為主要對(duì)象。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)等無(wú)煙交通工具的開(kāi)發(fā)，會(huì)使鉛酸蓄電池有更大的發(fā)展。蓄電池作為直流備用電源，對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著非常重要的作用。蓄電池是保證直流不間斷供電的基礎(chǔ)。正常情況下，讓蓄電池處于充滿(mǎn)而又不過(guò)充的狀態(tài)，這樣蓄電池失水率低，負(fù)極板析出的氫氣少，在

5、整流器一旦無(wú)輸出時(shí)，可以保證蓄電池能夠單獨(dú)向主機(jī)供電一段時(shí)間，因此對(duì)蓄電池的性能要求是比較高的。1.1.2蓄電池在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用鉛酸蓄電池是1859年g.plante發(fā)明的。自鉛酸蓄電池被發(fā)明以來(lái)，因其價(jià)格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和適于大電流放電等特點(diǎn)，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、用途最廣泛的蓄電池品種。鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，技術(shù)不斷更新，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、通信、電力、鐵路、電動(dòng)車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域。1.2常用蓄電池的使用維護(hù) 1.2.1蓄電池(組)的充電方式。1、恒流充電法，恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法?？刂品椒ê?jiǎn)

6、單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過(guò)甚，因此，常選用階段充電法。2、恒壓充電法，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過(guò)程更接近于最佳充電曲線(xiàn)。用恒定電壓快速充電，由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。3、階段充電法、此方法包括二階段充電法和三階段充電法。一二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之

7、間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。 二三階段充電法在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。4、快速充電法，快速充電法又分為脈沖式充電法、2reflextm快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法、變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法。1.2.2蓄電池的常見(jiàn)故障及其原因1、蓄電池常見(jiàn)故障及其排除（一）極板硫化極板硫化是指極板上產(chǎn)生了白色、堅(jiān)硬不容易溶解的粗晶粒。故障現(xiàn)象：蓄電池容量和起動(dòng)性能明顯下降；充電時(shí)電壓、溫度均上升快、電解液過(guò)早地出現(xiàn)“沸騰”現(xiàn)

8、象。故障原因：蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)；電解液液面過(guò)低；深度放電（即小電流的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)放電）；電解液密度過(guò)高、不純、外部溫度變化劇烈等。處理措施：極板硫化不嚴(yán)重時(shí)，可以用去硫化充電法消除硫化，嚴(yán)重硫化只能報(bào)廢。（二）自放電在未接通外電路時(shí)，蓄電池的電能自行消耗即稱(chēng)之為自放電。自放電不可避免（每晝夜蓄電池自放電量不大于2%c20為正常）。故障現(xiàn)象：充足電的蓄電池停放幾天或幾小時(shí)后就呈現(xiàn)存電不足；充電時(shí)端電壓和電解液密度上升緩慢。故障原因：表面有油污、塵土、電解液等而造成漏電；極板間短路；電解液不純等。處理措施：清潔蓄電池蓋表面，并對(duì)已虧電的蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；加注純電解液至規(guī)定液面高度。（三）活性

9、物質(zhì)早期脫落是指因使用不當(dāng)而造成正極板上的活性物質(zhì)大量脫落，這是蓄電池早期損壞的主要原因之一。故障現(xiàn)象：充電時(shí)電解液成為混濁褐色溶液、充電電壓上升快、電解液過(guò)早出現(xiàn)“沸騰”現(xiàn)象；放電時(shí)電壓下降過(guò)快，容量明顯不足。故障原因：充電電流過(guò)大或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充電；蓄電池極板組因安裝不當(dāng)而松曠或在車(chē)上安裝不牢固，使極板組顛簸振動(dòng)造成活性物質(zhì)脫落等。處理措施：規(guī)范充電電流；少量活性物質(zhì)脫落，可用蒸餾水沖洗后重新加注電解液并充足電，大量活性物質(zhì)脫落，應(yīng)更換極板組。二、鉛酸蓄電池的基本概念及工作原理2.1鉛酸蓄電池的基本概念2.1.1電池充電 電池充電是外電路給蓄電池供電，使電池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)

10、能而儲(chǔ)藏起來(lái)的操作。2.1.2過(guò)充電 過(guò)充電是對(duì)完全充電的蓄電池或蓄電池組繼續(xù)充電。2.1.3放電放電是在規(guī)定的條件下，電池向外電路輸出電能的過(guò)程。2.1.4自放電 電池的能量未通過(guò)放電就進(jìn)入外電路，像這種損失能量的現(xiàn)象稱(chēng)為自放電。2.1.5活性物質(zhì)在電池放電時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電能的物質(zhì)，或者說(shuō)是正極和負(fù)極儲(chǔ)存電能的物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為活性物質(zhì)。2.1.6充電深度蓄電池在充電過(guò)程中從外電路接受的電量與其完全充電狀態(tài)時(shí)的容量的比值。2.1.7放電深度 放電深度是指蓄電池使用過(guò)程中放電到何程度開(kāi)始停止。2.1.8板極硫化 在使用鉛酸蓄電池時(shí)要特別注意的是：電池放電后要及時(shí)充電如果長(zhǎng)時(shí)期處于半放電或充電不

11、足，甚至過(guò)充電情況下或者長(zhǎng)時(shí)間充電和放電都會(huì)形成（pbs04）晶體。這種大塊晶體很難溶解，無(wú)法恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，導(dǎo)致板極硫化以后充電就困難了。2.1.9容量 容量是在規(guī)定的放電條件下電池輸出的電荷。其單位常用安時(shí)(ah)表示。2.1.10相對(duì)密度 相對(duì)密度是指電解液與水的密度的比值，來(lái)檢驗(yàn)電解液的強(qiáng)度。相對(duì)密度與溫度變化有關(guān)25時(shí)，滿(mǎn)充的電池電解液相對(duì)密度值為1.265。密封式電池，相對(duì)密度值無(wú)法測(cè)量。純酸溶液的密度為1.835gcm3，完全放電后降至1.120gcm3。電解液注入水后，只有待水完全融合電解液后才能準(zhǔn)確測(cè)量密度。融入過(guò)程大約需要數(shù)小時(shí)或者數(shù)天，但是可以通過(guò)充電來(lái)縮短時(shí)問(wèn)。每個(gè)電池

12、的電解液密度均不相同，即使同一個(gè)電池在不同的季節(jié)，電解液密度也不一樣。大部分鉛酸電池的密度在1.11.3gcm3范圍內(nèi)，滿(mǎn)充之后一般為1.231.3gcm3。常用液態(tài)密度計(jì)來(lái)測(cè)量電解液的相對(duì)密度值。 高溫或者低溫中的電池，相對(duì)密度也會(huì)受影響。這種情況一般會(huì)在電池上標(biāo)明。電池效率受放電電流的影響，因此應(yīng)避免大放電電流輸出導(dǎo)致的效率下降，以及影響電池的使用壽命。2.1.11運(yùn)行溫度電池運(yùn)行一段時(shí)間，就感到燙手，由此可知，鉛酸電池具有很強(qiáng)的發(fā)熱性當(dāng)運(yùn)行溫度超過(guò)25，每升高10，鉛酸電池的使用壽命就減少50%。所以電池的最高運(yùn)行溫度應(yīng)比外界低，對(duì)于溫度變化超過(guò)5的情況下最好，帶溫度補(bǔ)償充電措施；電池溫

13、度傳感器應(yīng)安裝在陽(yáng)極上，且與外界絕緣2.1.12循環(huán)壽命循環(huán)壽命是指在一定的充放電制度（i放、t、v終）下，電池容量降低（衰減）到某一規(guī)定值之前，電池能經(jīng)受多少次充電與放電2.2鉛酸蓄電池的工作原理 2.2.1鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生： 鉛酸蓄電池充電后，正極板是二氧化鉛（pbo2）,在硫酸溶液中水分分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛（pb（oh）4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子(pb)留在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛酸(pb)，與電解液中的硫酸（h2so4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子(pb+2)，鉛離子轉(zhuǎn)移到了電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)

14、電子（2e）?？梢?jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)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，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)。2.2.2鉛酸蓄電池放電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池電位差的作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上的每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子(pb+2)與電解液中的硫酸根離子反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（pbso4）。正極板的鉛離子（pb+4）得到來(lái)自負(fù)極板上的兩個(gè)電子后，變成二價(jià)鉛離子與電解液中的硫酸根離子反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（pbso4）。正極板水解出的氧離子與電解液中的氫離

15、子反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。 電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電池的正極板，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電視h2so4濃度不斷下降，正極板上的硫酸鉛（pbso4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。化學(xué)反應(yīng)是為：正極活 電解液 負(fù)極活 正極生 電解液 負(fù)極生性物質(zhì) 性物質(zhì) 成物 生成物 成物pbo2 + 2h2so4 +pb pbso4 + 2h2o + pbso4氧化鉛 稀硫酸 鉛 硫酸鉛 水 硫酸鉛2.2.3鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng) 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物

16、質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子和硫酸根負(fù)離子由于外電源不斷從正極吸收電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子不斷放出兩個(gè)電子來(lái)補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子，并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極板上生成二氧化鉛。在負(fù)極板上，在外界電流的作用的下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子和硫酸根負(fù)離子，由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子被中和為鉛，并以絨狀鉛附在負(fù)極板上。電解液中正極板不斷游離的氫離子和硫酸根離子，負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子，在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。充電后期，在外電流的作用下

17、，溶液中還會(huì)發(fā)生水的電解反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：pbso4 + 2h2o + pbso4 pbo2 + 2h2so4 +pb2.2.4鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化從上面可以看出，鉛酸電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。充電時(shí)電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升三、電路的設(shè)計(jì)3.1化成電源主回路 本系統(tǒng)采用晶閘管三相全橋式整流電路控制蓄電池充放電，主回路主要由以下幾部分組成：交流接觸器、熔斷器、主變壓器;交流器模塊；平波電抗器組成的直流濾波部分組成。由分流器fl組成的電流取樣，電池端電壓采樣部分，直流熔斷器等器件組成。其中主變壓器起到隔離和改變輸出電壓最大范圍

18、的作用，交流接觸器則起到交流電源的開(kāi)斷作用，交流接觸器部分則由6個(gè)晶閘管接成三相橋組成，直流輸出部分的電抗器不要起抑制脈動(dòng)電流的作用，分流器則將充放電流轉(zhuǎn)化為控制電路能采集的電壓信號(hào)。3.2數(shù)據(jù)采集與輸出控制模塊3.2.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集分為電流和電壓的采集。電壓采集電路采用的是差動(dòng)放大電路，差動(dòng)放大電路是將兩個(gè)輸入端上所加的信號(hào)的差值進(jìn)行放大，再作為輸出的電路?；静顒?dòng)放大電路由一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻構(gòu)成，第一級(jí)為差動(dòng)放大電路，第二級(jí)為電壓跟隨器，輸出前為了防止涌浪電壓損壞單片機(jī)的a/d口設(shè)計(jì)了限幅電路。對(duì)于精度要求不太高的話(huà)，電流的檢測(cè)采用電阻壓降法，即在充放電電路上串聯(lián)精密電阻的方

19、法，通過(guò)對(duì)精密電阻兩端壓降的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。3.2.2輸出模塊控制系統(tǒng)輸出控制電路將經(jīng)過(guò)處理之后的數(shù)字量通過(guò)dao模塊轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)過(guò)光電隔離并線(xiàn)性放大之后，最后送給交流器，通過(guò)交流器控制系統(tǒng)的充放電。3.3人機(jī)界面模塊3.3.1鍵盤(pán)模塊鍵盤(pán)模塊電路采用8279芯片，不僅可以大大節(jié)省cpu處理鍵盤(pán)的時(shí)間，減輕cpu的負(fù)擔(dān)，而且，顯示穩(wěn)定，編程簡(jiǎn)單。3.3.2顯示模塊系統(tǒng)中擴(kuò)展了lcd用于實(shí)時(shí)地顯示系統(tǒng)中運(yùn)行的各個(gè)階段及運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，同時(shí)顯示時(shí)間等相關(guān)輔助信息，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，lcd將通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的操作界面，給用戶(hù)的操作帶來(lái)最大程度上的方便，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)地將設(shè)置信息顯示在界面上。3.4掉電保護(hù)模塊在蓄電池化成過(guò)程中出現(xiàn)停電事故時(shí)，需要對(duì)運(yùn)行的文件及運(yùn)行狀