鉛酸蓄電池快速充電器的設(shè)計(jì)

1、鉛酸蓄電池快速充電器的設(shè)計(jì)Design of Lead-Acid battery fast charger學(xué)科專業(yè)：電力電子與電力傳動 研 究 生摘 要本文分析了鉛酸蓄電池的特性以及國內(nèi)外充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出提高鉛 酸蓄電池充電速度的關(guān)鍵是消除充電過程中電池的極化現(xiàn)象，在目前已有充電方 式的基礎(chǔ)上采用了脈沖充電與變電壓充電相結(jié)合的脈沖式變電壓充電方式，使充 電曲線最大程度的模擬麥斯最佳充電曲線，盡可能的提高電池充電速度。本文設(shè) 計(jì)的快速充電系統(tǒng)在充電前期采用脈沖式變壓快速充電方式，充電后期采用恒定 小電流補(bǔ)足充電，達(dá)到快速充電的目的。 考慮到鉛酸蓄電池充電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，充電控

2、制系統(tǒng)是一個(gè) 非線性的、時(shí)變的、有干擾的控制系統(tǒng)，所以本系統(tǒng)引入模糊控制，在控制方法 上采用 Fuzzy-PI 混合控制方式，將模糊控制和 PI 控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，力求達(dá) 到最優(yōu)控制效果。 鉛酸蓄電池快速充電系統(tǒng)成功的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，以 MC56F8013 作為控 制系統(tǒng)的核心處理單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、模糊算法、脈沖驅(qū)動以及人機(jī)接口的功 能，采用高頻開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)充電電源，組建了充電系統(tǒng)的硬件平臺。同時(shí)，為了 減小對電網(wǎng)的污染，提高系統(tǒng)效率，本充電裝置具有功率因數(shù)校正功能。 在理論分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 Simulink 仿真軟件對充電控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿 真，仿真結(jié)果表明，基于 Fuzzy-PI

3、 混合控制的充電控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性 能，控制效果理想。同時(shí)，對功率因數(shù)校正電路和開關(guān)電源電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的功率因數(shù)大大提高，并且可以得到相對穩(wěn)定的直流電壓輸 出，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；快速充電；功率因數(shù)校正；Fuzzy-PI 混合控制； MC56F8013IABSTRACTIn this paper, we analyzed the characteristics of Lead-Acid batteries and the development status of charging methods domestic and oversea

4、s, pointing out that the key to improve charging speed of Lead-acid batteries is to eliminate the polarization of batteries during charging process. We suggested the pulse variation-voltage charging method on the basis of current charging method which combine the variation-voltage charging method wi

5、th the pulse charging method. The charging curve analog J.A.Masoptimal charging curve maximum, so the charging speed is raised as much as possible. The fast charging system we design in this paper were charged with pulse variation-voltage charging method in the first charging stage, and in the secon

6、d charging stage it was charged with constant small current to complement the remainder charge, achieving the purpose of fast charge. Considering that the charging process of Lead-acid batteries is a complex process of electrochemical reaction, the charging control system is a non-linear, time-varyi

7、ng, and interfered control system, so we introduce fuzzy-control method，we use fuzzy-PI hybrid control method, which combine the advantages of both fuzzy-control method and PI control method, trying to achieve the optimal control effect. Fast charging system of lead-acid batteries achieving digital

8、control successfully, MC56F8013 was used as core unit of control system, realizing data collection、 fuzzy algorithm 、 pulse-driven and man-machine interface functions. high-frequency switching power source was used as charging power source, we set up a hardware platform of charging system. Additiona

9、lly, we added power factor correction circuit to reduce pollution to power system and to improve system efficiency. On the basis of theoretical analysis, we set up models about charging control system and carried on simulation using Simulink software. The simulation result shows that the charging co

10、ntrol system based on Fuzzy-PI hybrid control put up good dynamic performance and the control results are satisfactory. At the same time, we take on experiments on the power factor correction circuit and the switching power source circuit, the experiment results show that the power factor was highly

11、 raised and we get relative stable DC voltage output, which with preferable prospects for practical application.IIKEY WORDS：Lead-acid battery, fast charge, power factor correction ，F(xiàn)uzzy-PI hybrid control, MC56F8013III目 錄第一章 緒論.1 1.1 選題目的、背景和意義.1 1.2 鉛酸蓄電池充電技術(shù)及模糊控制的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.2 1.2.1 充電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r.2 1.2.2

12、模糊控制的發(fā)展?fàn)顩r.2 1.3 鉛酸蓄電池的微觀充電特性.4 1.3.1 蓄電池充電過程中的化學(xué)反應(yīng).4 1.3.2 鉛酸蓄電池的基本概念.5 1.3.3 閥控密封鉛酸蓄電池的充電技術(shù)要求.6 1.3.4 蓄電池充電過程中的極化現(xiàn)象.7 1.4 本課題主要研究任務(wù).8 1.5 本章小結(jié).8 第二章 鉛酸蓄電池的快速充電理論.9 2.1 鉛酸蓄電池傳統(tǒng)的充電方法.9 2.2 鉛酸蓄電池快速充電原理.11 2.3 幾種蓄電池的快速充電方法.12 2.4 充電控制技術(shù).14 2.5 本充電裝置的設(shè)計(jì)方案.15 2.5.1 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及基本功能.15 2.5.2 充電方法及控制技術(shù)的選擇.15 2

13、.5.3 充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu).16 2.5.4 充電方法的控制與實(shí)現(xiàn).17 2.6 本章小結(jié).17 第三章 充電裝置的硬件電路設(shè)計(jì).18 3.1 功率因數(shù)校正電路.19 3.2 高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì).21 3.2.1 反激式變換器工作原理.22 3.2.2 開關(guān)電源工作原理.24 3.2.3 變壓器的設(shè)計(jì).25IV3.3 數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).27 3.3.1 控制器的選擇及總體結(jié)構(gòu).27 3.3.2 電壓采樣電路設(shè)計(jì).30 3.3.3 電流采樣電路設(shè)計(jì).31 3.3.4 溫度采樣電路.31 3.3.5 斬波電路.32 3.3.6 脈沖驅(qū)動電路.33 3.4 本章小結(jié).35 第四章 基于Fuzzy-

14、PI算法的模糊控制器設(shè)計(jì).36 4.1 模糊控制理論.36 4.1.1 模糊控制原理.36 4.1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟.37 4.2 Fuzzy-PI混合控制算法.39 4.2.1 PI控制器的設(shè)計(jì) .40 4.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì).41 4.3 本章小結(jié).44 第五章 充電裝置的軟件設(shè)計(jì).45 5.1 主程序工作流程.45 5.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷程序設(shè)計(jì).47 5.3 PWM控制策略的實(shí)現(xiàn) .48 5.4 本章小結(jié).49 第六章 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn).50 6.1 MATLAB簡介 .50 6.2 充電控制系統(tǒng)仿真模型.50 6.3 功率因數(shù)校正及開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果.54 6.3.1 功率因

15、數(shù)校正電路實(shí)驗(yàn)分析.54 6.3.2 開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果.56 6.4 本章小結(jié).56 結(jié)束語.57 參考文獻(xiàn).59 發(fā)表論文和參加科研情況說明.62 致 謝.63V第一章 緒論第一章 緒論1.1 選題目的、背景和意義隨著蓄電池的發(fā)展，充電技術(shù)也在不斷提高，蓄電池充電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了 一個(gè)漫長的過程，從傳統(tǒng)的恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，發(fā)展到現(xiàn)在的 智能充電，充電技術(shù)的更新不僅滿足了對新型電池的充電要求，更重要的是提高 了充電質(zhì)量，延長了蓄電池的使用壽命。 鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于國 防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。近年來全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池

16、有密 封好、無泄漏、無污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證人體和各種用電設(shè)備的安全，而且在整 個(gè)壽命期間，無需任何維護(hù)，從而揭開了鉛酸蓄電池發(fā)展歷程新的一頁。但免維 護(hù)電池對充電技術(shù)的要求也更為嚴(yán)格，國內(nèi)外實(shí)踐證明，免維護(hù)電池浮充電壓偏 差 5%，電池的壽命將減少一半，工業(yè)生產(chǎn)中因?yàn)槌浞烹娍刂撇缓侠矶鴵p壞的電 池占相當(dāng)大的比例，造成了極大的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的充電技術(shù)不僅充電時(shí)間長，不能 適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要，而且大多不能精確控制充電程度，使電池不能發(fā)揮 最大效能，縮短了使用壽命1。 目前大多數(shù)充電器均采用傳統(tǒng)控制方法，傳統(tǒng)控制方法是建立在精確的被控 對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，其調(diào)節(jié)效果取決于控制器參數(shù)的整定，但是

17、常規(guī)控制 器不能在線整定參數(shù)，而充電系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、非線性的系統(tǒng)，難以獲得其精 確的數(shù)學(xué)模型，使得傳統(tǒng)控制很難獲得預(yù)期的效果。隨著現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)對控 制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，智能控制的出現(xiàn)解 決了這一難題。智能控制主要是用來解決傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜問題的一種先 進(jìn)的控制理論和技術(shù)，它把人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，并根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)、邏 輯推理和自學(xué)習(xí)能力，從定性和定量相結(jié)合的方法入手，對那些因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參 數(shù)時(shí)變而難以用精確數(shù)學(xué)模型來解決的被控對象給出靈活的控制策略，其中以模 糊控制的應(yīng)用最為普遍和成熟。 如果能夠在目前充電技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種新的適用于鉛酸蓄電

18、池的模糊 控制充電技術(shù)，用智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制，不用建立精確的充電系統(tǒng)模型，使 充電電流自始至終處于電池可接受電流曲線的附近，提高充電速率和效率，并保 證充電精度和電池的性能，這樣就能夠大大的節(jié)省能源提高電池使用壽命，具有 很大的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值，也勢必會取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1第一章 緒論1.2 鉛酸蓄電池充電技術(shù)及模糊控制的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r蓄電池充放電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了一個(gè)漫長的過程，早在 1935 年，伍德布里 奇發(fā)現(xiàn)了溫度對充電的影響。1967 年，英國人麥斯(J.A.Mas)研究了充電過程中 的析氣問題，發(fā)現(xiàn)了析氣的原因和規(guī)律。隨著人們對充電問題的日益重視，不少 充電裝置也相

19、繼問世，例如以電流接受能力控制的鉛酸蓄電池充電裝置和其他的 快速充電裝置等，但是這些充電裝置大都是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，體積較大，調(diào)試 復(fù)雜，且控制效果差。到 90 年代后，集充電、放電、檢測和管理于一體的智能 化充電控制器才被開發(fā)出來。 1.2.1 充電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 對于鉛酸電池來說，傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流、恒壓充電以及恒流轉(zhuǎn)恒壓 二階段充電方式。這些方法控制電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是充電時(shí)間較長，充電 方法過于單一，控制不當(dāng)很容易對電池本身造成傷害，影響電池性能和使用壽命。 在國內(nèi)，蓄電池充電裝置較多采用的是晶閘管硅整流設(shè)備，盡管晶閘管整流 設(shè)備功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到廣泛的應(yīng)用

20、，其控制方案一般為模 擬調(diào)節(jié)式。隨著生產(chǎn)中工藝要求的提高，蓄電池的充電速率和效率越來越受到重 視。快速充電技術(shù)的研究和改造在最近幾年得到了很多科研人員的關(guān)注，而且取 得了一些成果，并首先成功的應(yīng)用到電動汽車和煤礦機(jī)車牽引用蓄電池中1。改 造過的快速充電器都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，借助微機(jī)控制，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有 很大提高，使充電系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)工作大大減少。但是這些快速充電技術(shù)大多 是采用傳統(tǒng)的控制方法和思想，從評價(jià)快速充電技術(shù)性能的幾個(gè)指標(biāo)(即充電的 時(shí)間長短、充電的效率、穩(wěn)升的大小和壽命的長短)來看，還存在一些不理想之 處，針對傳統(tǒng)充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點(diǎn)，目前國內(nèi)外陸續(xù)提出了 一

21、些新型的充電方法 ，如分級定流充電法、脈動式充電法、Reflex充電法、變 電流間歇充電法等實(shí)現(xiàn)最佳充電模式。對于鉛酸蓄電池來講，其中的分級定流法 已得到廣泛的應(yīng)用，近幾年，也有人開始采用更加新穎的充電控制方法，例如模 糊控制充電法，利用模糊控制本身適合處理非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢，更好的處理充電 過程中的時(shí)變性和干擾性等常規(guī)控制方法難以解決的問題2。 1.2.2 模糊控制的發(fā)展?fàn)顩r 模糊控制作為智能控制中的一個(gè)部分，它的發(fā)展和應(yīng)用是相當(dāng)迅速的。自從 1965年美國L.A.Zadeh教授首先提出模糊集合和模糊控制的概念后，便開始了對2第一章 緒論模糊控制的大量研究。 1974年英國羅敦大學(xué)教授E.H.

22、Mamdani首先成功地把模糊理論用于鍋爐和 蒸汽機(jī)的控制，這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制工程的誕生。1979年英國的 I.J.Proc業(yè)和E.H.Mamdani研究了自組織的模糊控制器，標(biāo)志著模糊控制器“智能 化”程度進(jìn)一步向高級階段發(fā)展。此外，日本在模糊控制應(yīng)用方面走在了世界的 前列，日本有專門的模糊控制研究所。據(jù)日本電氣公司(NEC) 1991年9月統(tǒng)計(jì)， 松下、三菱、東芝等公司在空調(diào)機(jī)、全自動洗衣機(jī)、吸塵器等高檔家電中普遍應(yīng) 用了模糊控制技術(shù)。美國的模糊工程是從美國宇航管理局(NASA)開始的。美國 專門從事模糊控制開發(fā)的機(jī)構(gòu)是Togai Infalogic公司，主要從事模糊加速板和軟

23、件 開發(fā)工具的研究。德國西門子公司和通訊電器公司聯(lián)合研制了模糊166芯片，這 種芯片具有三維模糊邏輯功能，可以操縱無人駕駛模型汽車。 我國模糊控制理論以及應(yīng)用研究工作是從1979年開始的，雖然起步較晚，但 發(fā)展迅速，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊集 合論、模糊模式識別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。1979年，李玉緩、劉 志俊等人用連續(xù)數(shù)字方法研究了典型模糊控制器的性能。1986年，都志杰等人用 單片機(jī)研制專用模糊控制器。1987年，張洪敏和張志敏研制成功我國第一臺模糊 推理機(jī)。隨后，在我國不少高校和研究所都成功研制用于工業(yè)控制的模糊控制器。 近年來，我國也推出了

24、模糊全自動洗衣機(jī)、模糊電飯煲、模糊控制自動恒溫器等產(chǎn)品，標(biāo)志著我國模糊技術(shù)的應(yīng)用研究也有了飛速的發(fā)展1 3 4 。短短四十多年，模糊系統(tǒng)理論已引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣，模糊控制與傳統(tǒng) 空理論論的本質(zhì)截然不同，傳統(tǒng)控制側(cè)重于對被控對象進(jìn)行確切的數(shù)學(xué)描述，而 模糊控制的重點(diǎn)在于用已知的對系統(tǒng)的粗略的知識描述系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上引用 了模糊控制算法。從理論上講，模糊控制有以下優(yōu)勢： 首先，模糊控制無需知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。目前，工業(yè)過程中的系 統(tǒng)越來越復(fù)雜，要想建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，模糊控制的出現(xiàn)很好的解決 了這一問題。 其次，模糊控制本質(zhì)上是一種非線性控制，只要合適的選擇控制器參數(shù)，就 能

25、完成非常復(fù)雜的非線性任務(wù)，在控制任務(wù)日趨復(fù)雜的今天，開發(fā)這樣一種既簡 單又有效的非線性控制器是至關(guān)重要的。 最后，模糊控制能夠綜合利用數(shù)據(jù)信息和語言信息，這是傳統(tǒng)控制方法無法 比擬的，尤其是在數(shù)學(xué)模型難以獲得時(shí)，所能利用的信息源只有兩個(gè)，即來自傳 感器的數(shù)據(jù)信息和來自人類專家的語言信息。而傳統(tǒng)控制方法無法利用專家的語 言信息，這時(shí)，模糊控制的優(yōu)勢顯而易見。 由于模糊控制技術(shù)已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)社會和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，模糊3第一章 緒論技術(shù)已引起國際科技界、工程界和企業(yè)界廣泛的重視，也是目前高新技術(shù)領(lǐng)域研 究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。1.3 鉛酸蓄電池的微觀充電特性閥控密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)、材料都在原

26、有電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大的改 進(jìn)，其工作過程是一個(gè)電化學(xué)過程，它對充電特性要求較高，要嚴(yán)格控制充電電 流、浮充電壓，同時(shí)還要考慮溫度、環(huán)境的影響，盡量減少出氣、極化現(xiàn)象，保 證電池的使用壽命。 1.3.1 蓄電池充電過程中的化學(xué)反應(yīng) 鉛酸電池是一種二次電池，它的正活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2),負(fù)極活性物質(zhì) 是海綿狀金屬鉛(Pb)，電解液是稀硫酸(H2SO4),當(dāng)電池處在開路狀態(tài)時(shí)，正負(fù)極 上的活性物質(zhì)與稀硫酸之間的反應(yīng)趨于穩(wěn)定，形成平衡電極。 1882 年格拉斯頓(J.H.Glandstone)和特雷伯(A.Tribe)提出了解釋鉛酸蓄電池 成流反應(yīng)的“雙硫酸鹽化”理論。按照這一理論，鉛酸蓄

27、電池的化學(xué)反應(yīng)如下： PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O (1-1)- +PbPbSO4PbO2放電 + H2SO4 充電PbSO4負(fù)極板 正極板圖 1-1 鉛酸蓄電池基本化學(xué)反應(yīng)圖 1-1 表示了鉛酸蓄電池充放電的化學(xué)反應(yīng)過程，充電時(shí)，正、負(fù)極的反應(yīng) 如下：正極反應(yīng) PbS04 + 2H20?充? 電負(fù)極反應(yīng) PbS04 + H+ + 2e ?充? Pb + HS04 ? 電4?Pb02 +3H+ +HS04 +2e?(1-2) (1-3)第一章 緒論蓄電池的放電過程即充電過程的逆向反應(yīng)，正極由多孔二氧化鉛(PbO2)轉(zhuǎn)化 為硫酸鉛(PbSO4)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)

28、化為電能向負(fù)載供電，負(fù)極由海綿狀鉛(Pb )轉(zhuǎn)化 為硫酸鉛(PbSO4)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能向負(fù)載供電4。 老式鉛酸蓄電池中電解液的水分，在浮動充電末期都會產(chǎn)生電離分解反應(yīng)而 被電解成氫氣和氧氣，這些氫氣和氧氣將慢慢消失在空氣中。因此每隔一段時(shí)間 必須對蓄電池進(jìn)行定期補(bǔ)水，以補(bǔ)充電解液中水分的損失，否則蓄電池中的電解 液濃度將大大超過規(guī)定值。 而對于免維護(hù)鉛酸蓄電池，它采用了先進(jìn)的陰極吸收式密封技術(shù)，可把這種 定期補(bǔ)水的間隔時(shí)間延長至五年以上。生成的氧氣在電場作用下移向電池組的陰 極，在陰極催化劑的作用下，重新與氫氣結(jié)合生成水。在理想的工作狀態(tài)下，它 可維持蓄電池的電解液中水的含量保持不變，為

29、了使電池內(nèi)部的這種氣體陰極吸 收方式能夠充分進(jìn)行，它要求在電解過程中水的電解分解反應(yīng)要盡可能進(jìn)行的緩 慢，還要求電池內(nèi)部的陽極、陰極及中間隔離板的結(jié)構(gòu)必須易于氣體通過和傳輸。 因此，要想提高電池的使用壽命，必須嚴(yán)格遵循充電電流不得超過電池所允許的 最大充電電流的規(guī)定，過大的充電電流會導(dǎo)致蓄電池使用壽命的縮短。 1.3.2 鉛酸蓄電池的基本概念 因?yàn)樾铍姵氐某潆娚婕暗皆S多相關(guān)的專業(yè)知識，為了能更好的理解設(shè)計(jì)課 題，本節(jié)簡單介紹有關(guān)鉛酸蓄電池的基本概念3 。 (1) 電池容量 電池容量(C)是蓄電池使用過程中的一個(gè)重要參數(shù)，是指蓄電池充足電后放 電到終止電壓時(shí)所輸出的電量，單位為Ah、mAh，一般

30、用電流和時(shí)間的積分來 定義電池的容量：5C = Idt T 0 (1-4)容量又分為標(biāo)準(zhǔn)容量(額定容量)和剩余容量。額定容量是電池生產(chǎn)者規(guī)定的 表征電池容量的標(biāo)準(zhǔn)值，一般規(guī)定用恒定電流在20或室溫下的放電容量作為額 定容量。剩余容量是指蓄電池在經(jīng)過一定時(shí)間放電后所能繼續(xù)放出的電量。 (2) 放電速率 為了對不同容量的電池加以比較，電池的放電電流不用電流的絕對值來表 示，而是用電池容量C和放電時(shí)間t的比表示，稱為電池的放電速率。例如一個(gè)容 量C為50Ah的電池，對它進(jìn)行2小時(shí)的放電后電池的電量完全放完，則它的放電5第一章 緒論電流為I = C/ 2 = 0.5C(A) (1-5)充電速率的描述和

31、放電速率的描述相同，采用這種形式來描述電池的充放電 更為直觀和方便。 (3) 充電狀態(tài)(State of Charge：SOC) 充電狀態(tài)的定義如公式(1-6)，它是指某個(gè)時(shí)刻電池所剩電量Cr 與電池標(biāo)稱 總?cè)萘緾t 的比： SOC = (Cr /Ct)?100% (1-6) 通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)定義為100%的充電 狀態(tài)，而將電池不能放出能量的狀態(tài)定義為0%的充電狀態(tài)。 (4) 放電深度(Depth of Discharge：DOD) 放電深度是指用戶在使用蓄電池的過程中，電池放出的電量Qe與電池標(biāo)稱 容量Ct 的比，也就是電池所放的安時(shí)數(shù)占它的標(biāo)稱容量安時(shí)數(shù)的百

32、分比。定義 如下：DOD = Qe /Ct 容易得出，SOC和DOD滿足如下關(guān)系： SOC + DOD = 1(1-7)(1-8)當(dāng)放電深度為100%時(shí)，電池的實(shí)際使用壽命大約是200250次充放電循環(huán)， 如果將電池的放電深度減至50%時(shí)，它所允許的充放電循環(huán)可增至500600次左 右，當(dāng)電池放電深度減為30%時(shí)，允許的充放電的循環(huán)可達(dá)1200次左右。因此， 為延長電池的使用壽命，盡量不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。 1.3.3 閥控密封鉛酸蓄電池的充電技術(shù)要求 閥控式密封鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠家提供的保證其使用壽命的技術(shù)指標(biāo)是在環(huán) 境溫度為 25時(shí)給出的。由于單體閥控鉛酸蓄電池具有溫度每上升 1電壓下

33、降 4mV 的特性，所以，一個(gè)由六個(gè)單體閥控密封鉛酸蓄電池串聯(lián)組成的 12V 蓄電 池組，在 25時(shí)的浮充電壓為 13.5V；當(dāng)環(huán)境溫度降為 0時(shí)，浮充電壓應(yīng)為 14.25V；當(dāng)環(huán)境溫度升至 40時(shí)，浮充電壓應(yīng)為 13.05V。另外，閥控密封鉛酸 蓄電池還有一個(gè)特性，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，若充電電壓比要求的電壓低 100mV6第一章 緒論時(shí)，沖電電流將增大數(shù)倍，因此，將導(dǎo)致閥控密封鉛酸蓄電池的熱失控和過充損 壞。同時(shí)，閥控密封鉛酸蓄電池的容量也和溫度有關(guān)，溫度每降低 1，容量將 下降約 1%，所以，在夏季閥控密封鉛酸蓄電池放出額定容量的 50%后，冬季放 出 25%后就應(yīng)及時(shí)充電。 閥控密封鉛酸蓄

34、電池組初始充電電流大小的設(shè)計(jì)一般按說明書額定值或者 額定容量的 1/10 來進(jìn)行。使用中正常充電時(shí)，最好采用分級定流充電方式，即 在充電初期采用較大的電流，充電一定時(shí)間后，采用較小的電流，到了充電后期， 采用更小的電流，這樣充電效果好，對延長閥控式密封鉛酸蓄電池的壽命有利。 有的新型智能化充電器采用定期自動監(jiān)測及循環(huán)充電的方式對閥控密封鉛酸蓄 電池進(jìn)行沖電，以延長其使用壽命。 對于端電壓為 12V的閥控密封鉛酸蓄電池來說。正常的浮充電壓在 13.5 13.8V之間。若浮充電壓過低，則閥控密封鉛酸蓄電池充不滿；若浮充電壓過高， 則會造成過壓充電。當(dāng)浮充電壓超過 14V時(shí)，即認(rèn)為是過壓充電。嚴(yán)禁對

35、閥控密 封鉛酸蓄電池進(jìn)行過壓充電，因?yàn)檫^壓充電會造成電池中的電解液所含的水被電 解成氫氣和氧氣而溢出，使電解液濃度增大，導(dǎo)致電池壽命縮短甚至損壞6。 1.3.4 蓄電池充電過程中的極化現(xiàn)象 電極上無外電流通過時(shí)的電極是處于平衡狀態(tài)的，與之對應(yīng)的電勢是平衡電 勢；當(dāng)有外電流通過時(shí)，電極電勢將偏離原來的平衡值。電流越大，電極的電勢 偏離平衡值越嚴(yán)重，這種偏離平衡的現(xiàn)象稱為電極的極化2 。7蓄電池充電過程中的極化現(xiàn)象對蓄電池的負(fù)面影響主要有以下幾個(gè)方面： (1) 極化產(chǎn)生的過電壓阻礙充電電流增加，使電池化學(xué)反應(yīng)速度減慢。 (2) 加劇化學(xué)反應(yīng)的水解過程，產(chǎn)生大量氣體，延緩電池的充電過程，而且 對極板

36、有嚴(yán)重的腐蝕作用。 (3) 電池內(nèi)部水解產(chǎn)生大量熱量使電解液溫度升高，當(dāng)溫度升高到一定程度 時(shí)會引起極板變形損壞。 極化所產(chǎn)生的過壓、氣泡、溫升、能耗等對蓄電池都是極為不利的。此外， 充電電流越大，極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，如果不設(shè)法消除或緩和極化現(xiàn)象就難以實(shí)現(xiàn)大 幅值恒流充電。這也是長期以來一直用小電流進(jìn)行常規(guī)充電的原因，只有消除極 化才有可能達(dá)到快速充電的目的。7第一章 緒論1.4 本課題主要研究任務(wù)本系統(tǒng)的面向?qū)ο笫请妱悠囉勉U酸蓄電池，一般為 6 節(jié)的 12V 鉛酸蓄電 池，目前，許多電池在使用過程中由于采用了簡單的充電設(shè)備和傳統(tǒng)的充電方法 進(jìn)行充電，電池的質(zhì)量下降，使用壽命縮短，因此，設(shè)計(jì)一種

37、新型的鉛酸蓄快速 充電器很有必要，模糊控制技術(shù)是一種新型的控制技術(shù)，目前工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中模 糊控制技術(shù)的應(yīng)用并不普及，傳統(tǒng)的 PID 控制仍占主導(dǎo)地位。通過本課題的設(shè)計(jì)， 希望最終能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制的鉛酸蓄電池快速充電器，也希望模糊控制技術(shù)在 工業(yè)領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。本課題主要完成以下幾個(gè)研究內(nèi)容： (1) 介紹了鉛酸蓄電池充電原理和目前各種常用的充電方法，并在此基礎(chǔ)上 提出一種新型的充電模式，即脈沖式變電壓充電方法，提高充電速率，并緩解了 電池極化現(xiàn)象。 (2) 本次充電器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)智能化控制，對控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說 明，在控制策略上采用 Fuzzy-PI 控制，它結(jié)合了模糊控制與 P

38、I 控制的優(yōu)點(diǎn)，提 高了充電系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確充電。 (3) 完成充電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括功率因數(shù)校正電路、開關(guān)電源、斬 波電路、控制電路、信息采集電路以及驅(qū)動電路，控制芯片采用飛思卡爾公司推 出的針對電力電子應(yīng)用的 MC56F8013 芯片，它將 DSP 的高性能數(shù)據(jù)處理能力和 單片機(jī)的靈活外設(shè)資源高度集成，形成低成本、高效率的解決方案。 (4) 結(jié)合充電系統(tǒng)的 Fuzzy-PI 控制策略，有針對性的進(jìn)行軟件流程設(shè)計(jì)，并 在 MATLAB/Simulink 環(huán)境中搭建充電控制模型，進(jìn)行充電控制仿真，驗(yàn)證充電 控制系統(tǒng)的可行性，同時(shí)對功率因數(shù)校正電路和開關(guān)電源電路進(jìn)行實(shí)

39、驗(yàn)調(diào)試。1.5 本章小結(jié)本章對鉛酸蓄電池的充電原理、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹，提出設(shè)計(jì)閥控 式密封鉛酸蓄電池智能充電器的必要性和廣闊的應(yīng)用前景，并詳細(xì)說明了閥控密 封鉛酸蓄電池充電的技術(shù)要求和電池充電過程中易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。8第二章 鉛酸蓄電池的快速充電理論第二章 鉛酸蓄電池的快速充電理論鉛酸蓄電池的充電方法主要分為傳統(tǒng)的充電方法和快速充電方法，傳統(tǒng)充電 方法主要是采用小電流慢充的方式，將完全放電狀態(tài)的電池恢復(fù)至完全充電狀態(tài) 大約需要近 20H 的充電時(shí)間?？焖俪潆姺ㄖ荚诳s短鉛酸蓄電池的充電時(shí)間，提 高充電速效率，并提高鉛酸蓄電池的循環(huán)使用次數(shù)，是目前充電領(lǐng)域研究和應(yīng)用 的熱點(diǎn)之一。2.1 鉛

40、酸蓄電池傳統(tǒng)的充電方法傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、分階段充電。使用傳統(tǒng)充電方 法的充電控制電路比較簡單，充電功率一般比較小。 2.1.1 恒流充電 恒流充電是用一個(gè)電流源對電池充電，充電電流在一個(gè)階段保持恒定。它包 括單一恒流充電和分階段恒流充電，如圖 2-1 所示。(a)單一恒流充電 (b)分段恒流充電圖 2-1 恒流充電的充電電流電壓波形 兩種充電方式的區(qū)別在于：分段恒流充電的充電電流在一個(gè)充電周期中是變 化的，而單一恒流充電則保持充電電流恒定不變直到充電結(jié)束。單一恒流充電為 了避免后期過大的充電電流對電池造成損壞，恒流值設(shè)定較低，因此充電時(shí)間一 般較長。分段恒流充電雖然可以根

41、據(jù)充電狀態(tài)調(diào)整，先以較大電流充電，并逐步 減小，有效減小析氣和極化現(xiàn)象，但是轉(zhuǎn)換電流時(shí)機(jī)需要合理選擇8。9第二章 鉛酸蓄電池的快速充電理論2.1.2 恒壓充電 恒壓充電是保持電池端電壓恒定值的充電方法，其充電電壓電流波形如圖 2-2 所示，對于閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)，恒壓值一般取每節(jié)單體電池 2.452.5V。恒壓充電的時(shí)候，充電初始電流很大。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池電 勢和電解液密度逐漸上升，在充電末期，充電電流較小。圖 2-2 恒壓充電的充電電壓電流波形 恒壓充電較為容易實(shí)現(xiàn)，且控制簡單，但是由于電池等效串聯(lián)內(nèi)阻一般較小， 初始電流很大，嚴(yán)重時(shí)可能引起極板彎曲、活性物質(zhì)脫落以及蓄電

42、池溫度過高， 從而損壞電池；如果降低恒壓值，雖然可以減小初始電流大小，但是充電時(shí)間過 長且易造成充電不足，同樣縮短電池的使用壽命。因此，恒壓充電一般用在小容 量、低電壓的電池充電。2.1.3 恒壓充電 為了避免恒壓充電初始時(shí)過大充電電流對電池的損壞，大多數(shù)廠家推薦使用 兩階段充電(恒壓限流)法，即充電初期采用恒流充電，限制充電的初始充電電流， 等電池電壓上升到恒壓值，再轉(zhuǎn)入恒壓充電，這個(gè)時(shí)候充電電流逐漸減小，直到 充電結(jié)束，其充電電壓電流波形如圖 2-3 所示。U/V 充電電流充電電壓t O圖 2-3 兩階段充電的充電電壓電流波形10第二章 鉛酸蓄電池的快速充電理論兩階段充電的過程中，電解液產(chǎn)

43、生的氣泡較少，可以節(jié)省電能、降低蓄電池 的升溫，避免損壞電池的極板，是一種有效可行的充電方式，如果加上過充判斷、 浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)龋涂梢詷?gòu)成一個(gè)簡單的電池管理系統(tǒng)。2.2 鉛酸蓄電池快速充電原理20 世紀(jì) 60 年代中期，美國科學(xué)家麥斯(J.A.Mas)對電池充電過程中的析氣現(xiàn) 象做了大量的試驗(yàn)研究工作，研究了充電過程中的析氣問題，發(fā)現(xiàn)了析氣的原因 和規(guī)律，提出了以最低吸氣率為前提的電池可接受的充電電流曲線。 圖 2-4 為在蓄電池的充電過程中只產(chǎn)生微量氣體的充電特性曲線。在充電過 程中的任一時(shí)刻，蓄電池可以接受的充電電流為：i = I0e?at 其中，i是任意t時(shí)刻蓄電池可以接受的充電電流； I0 是當(dāng)t = 0時(shí)的最大起始電流； 是衰減率常數(shù)，也稱充電接受比。 (2-1)圖 2-4 蓄電池充電電流接受曲線 從圖 2-4 可以看出，在充電過程中，只要充電電流不超過鉛酸蓄電池可接受 的電流，其內(nèi)部就不會產(chǎn)生大量