1、 电动汽车直流充电机的功能设计及选型摘 要本文则是简单设计符合动力符合动力电池充电需求的车载充电机，能有效延长电动汽车的续驶里程，为电动汽车的实用化和普及化提供有效支持。介绍了铅酸蓄电池的一种快捷充电方式：变电流脉冲充电，适用于汽车用的变电流脉冲充电，能有效消除大电流充电下电池的极化现象，使得充电速度加快，充电效率增加，同时电池析气量少，温升较低。关键词：充电机；铅酸蓄电池；快速充电AbstractThis paper is a simple design conforms to the power the battery power demand with the car charger,
2、can prolong the electric car trip range of mileage, for electric cars and practical channels provide effective support. Introduces a kind of quick and leadacid battery charging ways: changes the current pulse charging, applicable to vehicle with the change of the charging current pulse, and can effe
3、ctively eliminate large current charging a battery of polarization phenomenon, make charging speed, the charging efficiency increase, and the battery low gas chromatography, low temperature. Keywords: charger;Lead-acid battery ;Fast chargingI目 录第 1章 绪 论 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 国内外研究概况 .11.3 论文的主要内容及结
4、构 .3第 2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理 .42.1 铅酸蓄电池的组成 .42.2 铅酸蓄电池的特性 .42.3 铅酸蓄电池的工作原理 .6第 3章 铅酸蓄电池的充电方法 .83.1 蓄电池充电理论基础 .83.2 铅酸蓄电池充电方法 .93.1.1 常规充电法 .103.1.2 快速充电技术 .12第 4章 充电机设计 .144.1 充电机电路原理图 .144.2 电路原理 .154.3 主要元件的选择 .16第 5章 总结语 .18参考文献 .19致 谢 .200第 1章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义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，
5、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的关注。一方面，传统的充电方法充电时间较长，远不能适应现代生产和生活的需要。资料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般大约需要 20 小时左右的时间才能充满。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的充电要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，蓄电池浮充电压偏差 5，电池的浮充寿命将减少一半。统计数据表明，国内蓄电池很难达到规定的浮充寿命(一般 1216年)，大量的蓄电池在使用几年后即报废，造成了巨大的经济损失。因此如何正确地监控和测量蓄电池的充电状态、减少充电损耗、提高充电速度，延长蓄电池的寿命，具有十分重要的经
6、济意义。1.2 国内外研究概况上个世纪初，随着二次电池的研究成功，与之相配套的充电机应运而生。这种充电机采用常规充电法，即用小电流，长时间对蓄电池进行充电。随着汽车工业、通信技术、计算机技术的迅猛发展，电源技术及与之相关的充电技术也随之发展。为了满足快速有效的充电要求，人们广泛开展了充电机研究。充电机也从早期的普通型、可调型，发展到现在的快速充电型。快速充电机的产生大致经历了三个发展阶段：（1）摸索阶段最早是在上个世纪 50 年代，美国由于军事上的需要，开始研究快速充电技术，制成了金属整流器型快速充电机，用于 6-24V 铅酸蓄电池的快速充电，其重量为 40Kg，有快、中、慢三种充电模式。（2
7、）理论研究阶段1967 年美国人马斯(Mas)研究了充电过程中产生气泡的问题，发现出气的原因和规律，他以最低出气率为前提，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流1和可以接受的充电电流曲线，对蓄电池快速充电的理论进行了探讨，并在实践的基础上，提出了蓄电池快速充电的一些基本规律。 （3）实际应用阶段1970 年美国麦卡洛克(Mcculloch)电子公司制成了铅酸蓄电池快速充电机，对 190AH 的电池施以 500A 的电流充电，而以 1200A 的电流短时间放电去极化处理，结果在 30 分钟就把电池充好。除美国外，其他如日本、英国、法国、德国、前苏联等国也在快速充电技术方面有不同程度的发展。英国联营公
8、司(Eurotec Finishing Systems)发明的“TEC 总能量智能式充电控制技术”及其控制系统，有效地控制了粉粒充电时所需的能量，克服现有电晕式充电系统及磨擦式充电系统所引致的各种问题，解决了“法拉第屏蔽效应”及“反向电离作用”等问题。国内对快速充电机的研究时问不长，只有二十年左右的时间，但已取得很大的进展。如国营第 755 厂、756 厂和 804 厂、北京华能电子仪器厂、6913 厂等单位分别对镍镉蓄电池与充电技术及装置进行了研究，研制出了脉冲充电装置，使镍镉蓄电池的充电时间减少到 l-3 小时。中国人民解放军第二炮兵智能充电研究所、中国人民解放军 80438 部队也研究出
9、了智能充电机，为军用通信装备配套电源的电池及铅酸电池充电。近年来充电机的研究方面主要呈现如下几个特点：2a.集成化、高密度化。它包含了两层含义，一是构成功率器件的元件微型化、密集化；二是功率器件集成在单片 IC 中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。b.高频化。提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等。这也使得歼关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。高频化的实现建立在高开关速度功率器件的基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。c.智能化。主要体现在对被充电电池的自适应性和对环境的自适应性方面。智能化具体表
10、现为能识别充电电池的类型，能检测到当前状态，并根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，高效地将电池充满。由于自动生成最佳充电曲线与制造厂提供的曲线一致，也保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。1.3 论文的主要内容及结构本文所设计的充电机具有充电设备质轻、高效、低噪音和高性能的优点，做到既节约用电又减少对电池的损害。论文的主要内容包括以下几个方面：（1）铅酸蓄电池快速充电原理；（2）各种充电方法，实现了变电流充电等多种充电方式；（3）完成了蓄电池充电机的设计。本文具体结构如下：第一章绪论。介绍了课题研究的背景、目的及意义，综述了国内外的发展情
11、况。第二章铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理。第三章铅酸蓄电池的充电方法。论述了当前常用蓄电池充电方法。第四章充电机的设计。主要是电路的设计。第五章课题总结。3第 2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理2.1 铅酸蓄电池的组成 【1-3】电动汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。构成铅酸蓄电池的主要部件有正极活性物质 ，负极活性物质 ，电解2PbObP液 ,此外还包括隔板、电池槽和一些必要部件。正负
12、极活性物质是分别固42SOH定在各自的板栅上，活性物质加上板栅组成正极或负极。板栅在电池中虽不参加成流反应，但是对电池的主要性能如容量、寿命、比功率等都有很大的影响。一个单体铅酸蓄电池的电压为 2.OV。为满足一些用途的需要，也可以将几个单体电池装配在同一个电池槽中组成电池组使用。毕业设计论文代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ3449649974（1）酸蓄电池的优点：原料易得，价格相对低廉；高倍率放电性能良好；温度性能良好，可以在-40+60的环境下工作；适合于浮充电使用，使用寿命长无记忆效应；废旧电池容易回收，有利于保护生态环境；单格电压高，汽车
13、用铅酸蓄电池单格额定电压可达 2.0V，开路电压 2.1V，工作电压1.8V2.0V。（2）铅酸蓄电池的缺点：比能量低，一般为 3040whkg；使用寿命相对较短；制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。2.2 铅酸蓄电池的特性（1）铅酸蓄电池的内阻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，这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即：NR04其中 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；0R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N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， 越大。NR（2）铅酸蓄电
14、池的极化 【20】所谓极化，是指电流通过蓄电池时，正负极板表面电位的偏移。蓄电池在充电过程中，除了电化学反应会使蓄电池的端电压升高外，蓄电池中产生的极化电压(共有三种：电阻极化、离子浓差极化、电化学极化)也会使蓄电池的端电压升高。铅酸蓄电池的极化现象对其充电的负面影响主要表现在以下几个方面：a.极化产生的过电压会阻碍充电电流增加，减缓电池的化学反应速度。b.使化学反应过程中的水解加剧，产生大量气体。产生的气体不仅会延缓电池的充电过程，而且对极板有严重的腐蚀作用。c.电池内部水解将产生大量的热量，使电解液的温度升高。当电池温度升高到一定的程度时，会引起极板受热变形，以致损坏。d.水解所消耗的热量
15、损失不能得到利用，从而也就浪费了能量，降低了充电过程的电能效率。可见极化所产生的过压、气泡、温升、能耗等对蓄电池都是极为不利的。此外，充电电流愈大，则极化现象愈严重。如果不设法消除或缓和极化现象，就难以实现高效、快速无损充电。这也是长期以来人们用小电流进行常规充电的原因。（3）铅酸蓄电池的老化电池的老化是指另外一种现象：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。当老化达到一定程度时，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。（4）铅酸蓄电池的循环寿命
16、循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之自口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。蓄电池的放电深度影响循环寿命，放5电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。（5）铅酸蓄电池的自放电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。2.3 铅酸蓄电池的工作原理 【4】（1）铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅( )，在硫酸溶液中水分子的作用2OPb下，少量二氧化铅
17、与水生成可离解的不稳定物质一氢氧化铅( )，氢氧bP4(OH根离子在溶液中，铅离子( )留在正极板上，故正极板上缺少电子。4bP铅酸蓄电池充电后，负极板是铅( )，与电解液中的硫酸 ( )发生反应，b 42S变成铅离子( )，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子 ( )。2b e可见，在未接通外电路时(电池开路)，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。（2）铅酸蓄电池放电过程的电化学反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 同时在电池内部进行化学反应。I负极板上每个铅原子放出两
18、个电子后，生成的铅离子( )与电解液中的硫2bP酸根离子( )反应，在极板上生成难溶的硫酸铅 ( )。24SO4SO正极板的铅离子( )得到来自负极的两个电子( )后，变成二价铅离子(4bPe） ，与电解液中的硫酸根离子( )反应，在极板上生成难溶的硫酸铅(2bP24SO)。正极板水解出的氧离子 ( )与电解液中的氢离子( )反应，生成稳定4S H物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。化学反应式为：6正极 电解液 负极 正极 电解液 负极42442 SOPHSPSOHPbbb从上面的化学反应式可以看出
19、，放电时 浓度不断下降，正负极上的2硫酸铅 增加，电池内阻增大 (硫酸铅不导电)，电解液浓度下降，电池电)(4b动势降低。（3）铅酸蓄电池充电过程的电化学反应 充电时，应在外接直流电源，使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子( )和硫2bP酸根负离子( )，由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二24SO价铅离子( )不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子 ( )，并与水继续bP 4b反应，最终在正极极板上生成二氧化铅( )。2OPb在负极扳上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为
20、二价铅离子( )和硫2bP酸根负离子( )，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二24S价铅离子( )被中和为铅( )，并以绒状附着在负极板上。bPb电解液中，正极不断产生游离的氢离子( )和硫酸根离子( )，负极不H24SO断产生硫酸根离子( )，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子24SO向正极移动，形成电流。化学反应式为：正极 电解液 负极 正极 电解液 负极bbbb PSOPSHSP42424应该指出，上述反应只是铅酸蓄电池充电时人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电方式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅
21、已大部分转变成二氧化铅和绒状铅，充电电流如果超过剩余活性物质的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解。结果在电池的负极会有氢气( )，在 J 下极则会有氧气( )逸出，2H2O造成十分强烈的冒泡现象。电解水的反应是： 22OH所以在充电末期必须注意尽可能减小充电电流，以免产生气泡过于剧烈，冲刷极板，导致极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还会导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。7（4）铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 【6】 从上面分析可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
