基于ARM的风力发电机智能充电器设计.doc

1、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页 国内图书分类号： TM910 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 基于 ARM 的风力发电机智能充电器 设计 姓 名 赖 鹏 申请学位级别 硕 士 专 业 通信与信息系统 指 导 老 师 冯全源 教授 二零 一 一 年 六 月 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页 摘 要 随着新能源技术的空前发展，风力发电技术被提到了一个全新的高度。 采用 铅酸 蓄电池 存储电能 ， 作为风力发电机安全运行的重要保障，它位于发电机轮毂中，为发电机工作提供后备电源 。 本智能充电器配套风力发电机控制系统中，完成对蓄电池的全自动充电。 本课题基

2、于企业实际产品需求，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的 铅酸蓄电池 智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套，实际完成了系统硬件电路、控制程序、测试验证的设计工作。 本论文主要对充电器 ARM 控制 板 的软硬件设计 技术 进行阐述 。 本 充电器采用开关电源技术， 基于 32 位 ARM 内核 控制器的 三段式全智能充电。控制 器 采用意法半导体公司 STM32F103RB，它完成 对蓄电池和开关电源的电压、电流、温度等 8 路 AD 信号的采集 ， 然后进行三段式充电的分析控制， 其间 进行充电电压和电流的温度补偿控制，进行充电器自身安全工作的监测和控制，进行充电器对外部设备的

3、串 行通信控制。充电器实现了工作过程无人值守的全智能化，它能监测电源 和温度进行设备自动保护，它能进行设备故障的自我诊断，并把诊断信息发送给发电机的主控设备。控制充电器工作的主要参数都可以进行远程的在线重配置，这样极大 地 提高了充电器对不同 厂家的 风力发电机控制系统 和铅酸蓄电池 的兼容性，增强了充电器对各种自然环境的适应能力。 本论文 所 涉及的 ARM 控制板 ， 完成了 对 温度、电流、电压的监测控制及报警， 完成了三段式充电及 温度 补偿控制， 完成了与上位机的通信控制 和参数在线 配置 。各项性能指标完全达到了产品要求。 关键词 ： 蓄电池 ； 充电器 ； 风力发电机 ； ARM

4、； STM32 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III 页 Absract With the unprecedented development of new energy technology， the wind power technology is brought into a brand-new situation Using Lead-acid battery to store electric energy, it is an important security of the safe operation of the wind turbine. Locating in th

5、e generator hub, it can provide backup power supply for generator. This smart charger, combined with the control system of wind turbine, will charge the battery automatically. Based on the demand of actual enterprise product, a smart charger that specializes in Lead-acid battery of wind generator hu

6、b is developed and supports the control system of wind turbine. Some ralated work are performed, including the hardware circuit, control program, testing and validation. This thesis mainly elaborates the software and hardware design of ARM board that controls the charger. Switch power technology is

7、applied to the charger, with running three-gradation charge intelligently based on 32-bits ARM kernel controller. A STM32F103RB, produced by STMicroelectronics, is adopted as controller, which samples the voltage, current and temperature of the battery and the switch power, and analyzes how to contr

8、ol three-gradation charge. Meanwhile, temperature compensation for charging voltage and current, safety monitoring, serial communication between the charger and peripheral equipment are operating. The charger is all-intelligent that detects the power and temperature and protects automatically, diagn

9、oses the problem by itself and transforms to the acquisition equipment of the generator. These main parameter controlling the charger are reconfigurable online, thus improving greatly the compatibility with different wind turbine control system and lead-acid battery, but also enhancing the adaptatio

10、n to various natural environment. This thesis presents an ARM control board and implements the monitoring, alarming, temperature compensation, PC communication and parameter configuration. The result shows that all indexes meet requirements of the product. Keyword: battery， charger， wind turbine， AR

11、M， STM32 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 阀控 式 铅酸蓄电池 基本原理 . 2 1.3 阀控 式 铅酸蓄电池充电技术 . 3 1.3.1 阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应 . 3 1.3.2 阀控式铅酸蓄电池的充电方法 . 3 1.4 风力发电机的蓄电池及充电器 . 5 第 2 章 充电器系统分析 . 6 2.1 充电器系统概述 . 6 2.2 充电器技术指标 . 7 第 3 章 充电器 控制板电路设计 . 9 3.1 充电器控制板功能 . 9 3.2 控制器 . 10 3.3 控制板电路 . 11 3.3

12、.1 控制器电路 . 12 3.3.2 AD 采集接口电路 . 14 3.3.3 PWM 控制输出接口电路 . 18 3.3.4 继电器信息输出接口电路 . 20 3.3.5 开关电源启动控制电路 . 21 3.3.6 串行通信 电路及协议 . 22 3.4 控制板 电路板设计 . 27 3.4.1 PROTEL 设计技术 . 27 3.4.2 控制板 PCB 设计 . 27 3.5 充电器整机实物 . 31 3.6 充电器控制板完整电路图 . 33 第 4 章 充电器软件设计 . 37 4.1 充电器软件设计平台 . 37 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页 4.1.1 MDK 开发

13、工具 . 37 4.1.2 STM32 固件库 . 37 4.2 软件设计 . 38 4.2.1 主程序 . 38 4.2.2 AD 数据采集处理 . 42 4.2.3 蓄电池温度补偿控制 . 44 4.2.4 输出短路保护 . 46 4.2.5 继电器分类处理 . 48 4.2.6 报警信息分类处理 . 49 4.2.7 串行 通信 . 50 第 5 章 充电器测试及维护 . 52 5.1 充电器调试 . 52 5.2 充电器测试 . 55 5.2.1 充电器输出测试 . 55 5.2.2 充电器 温度补偿 测试 . 56 5.2.3 故障监控功能测试 . 56 5.2.4 充电器参数远程配

14、置 . 59 5.3 蓄电池维护 . 61 结论 . 62 致谢 . 63 参考文献 . 64 附录 1 充电器开关电源原理框图 . 66 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页 第 1 章 绪 论 1.1 引言 随着全球能源问题和新能源技术的空前发展，可再生能源被日渐重视，风力发电作为一种清洁的可再生能源，同时也是新能源中技术最成熟，最具备规模开发条件的发电方式之一，现在世界各地迅速发展利用。 风力发电机的正常工作需要一个电能储存的设备，提供后备工作电源，它为风力发电机的安全运行提供重要保障，现在主要采用的是密闭式阀控 铅酸蓄电池 ，这样 蓄电池 充电器就成了风力发电机安全运行的重要设备

15、之一。 本课题基于企业需求的实际产品，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池 智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套。 本 充电器具有充电速度快、充电还原效率高、无人值守 的高度智能化 、可超长时间充电、无过充电危险、蓄电池使用寿命长等特点。 充电器功能强大而完善，主要功能有：输入防浪涌，输入过压、欠压保护 报警，输出过流、过压、短路保护告警，过温保护报 警，电池温度 变化的充电 补偿， 散热器温度过高的限流补偿， 远程控制， 运行 参数可远程 在线重配置 ， 自动 风冷散热，良好的电磁兼容性。 1.2 阀控式铅酸蓄电池基本原理 阀控式铅酸蓄电池简称 VRLA（ Valve

16、 Regulated Lead Battery），它克服了开口式铅酸蓄电池的缺点， 使用时不加水和酸进行维护，它无泄漏、无污染、密封好、易于维护、 使用方便 。 电池 气压升高，单向排气阀 会自动打开排出气体，当自动关阀后 防止空气进入蓄电池。多 年来 ，它以其优异稳定的性能，一直 在 工业、民用和军工领域得到广泛的应用 。 阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理是：充电的时候， 蓄电池 把 电能转化成 化学能 储存 在电池内部；放电时， 蓄电池将化学能转 为电能 防电 。它充电和放电的过程是通过电化学反应完成的，其电化学的反应 方程式 如式 1-14所示： PbO2 + Pb + 2H2SO4 =

17、 2PbSO4 + 2H2O （ 1-1） 蓄电池在正负电极发生的氧循环化学反应如图 1-14所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2 页 阀控式铅酸蓄电池的氧循环内部原理如图 1-24所示，其原理是 负极活性物质 的 过量设计技术， AG 的 电解液吸附系统， 后期 在 正极产生的氧气通过 AGM 的 空隙向负极不断 扩散，与负极 的 活性物质海绵状铅发生反应 ， 生成氧化铅，负极表面的氧化铅遇到 硫酸（ H2SO4） 电解液发生反应生成 硫酸铅（ PbSO4） 和 H2O， 硫酸铅 再充电转变为海绵状 Pb， 而产生的 H2O 又回到电解液， 这样 其 负极 是 处于去极化状态 ，析

18、出氢的 电位 达不到，由此 负极就 不会因充电而析出氢气， 失水量很少，使用时就不需要加酸和水来维护。 4 阀控式铅酸蓄电池 在使用过程中基本上不产生氢气，并且正极产生的氧气能以电池内循环的方式被阴极吸收，称为阴极吸收机理。 实际上， 绝对控制 H2 与 O2 的析出是不可能的 ， 电解液仍有少量消耗，仍有少量的氧气 和 氢气析出。 所以 免维护蓄电池实际 是 叫 少维护，随着工艺发展 ， 其 维护 就 会越来越少 。 4阀控式铅酸蓄电池的自放电是指电池在不给负载供电或者开路期间容量降低的现象。 图 1-1 蓄电池氧循环化学反应 图 1-2 蓄电池内部氧循环原理 图 西南交通大学硕士研究生学位

19、论文 第 3 页 1.3 阀控式铅酸蓄电池充电技术 1.3.1 阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应 阀控式铅酸蓄电池充放电 的基本电极反应是铅（ Pb）和二价铅（ Pb2+）及四价铅（ Pb4+ ）之间的转化。 其过程如下 10： 充电过程 ：阀控式铅酸蓄电池 负极上 的 硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度， 使 硫酸铅转变为金属铅；同样， 在蓄电池 正极上 的 硫酸铅被氧化为 二氧化铅 的速度也增大， 导致 正极转变为 二氧化铅 。 放电过程 ：阀控式铅酸蓄电池 负极 上 失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言，是得到电子被还原， 也 是形成硫酸铅。 化学 反应的净结 果 ， 是外电

20、路中出现了定向移动的负电荷。 因为是 放电后 ， 两极 的 活性物质 都 转化为硫酸铅，所以叫 “ 双极硫酸盐化 ” 。 阀控式铅酸蓄电池 在开路状态下， 其 正负极 的 活性物质 二氧化铅 和海绵状铅与电解液的反应都趋于稳定， 也就是说， 正负极 的 氧化速率和还原速率相等， 这样 的电极电动势为平衡电动势。 如果 有充放电 的 反应进行，正负 的 极活性物质 二氧化铅 和海绵状铅分别通过电解液与放电态物质硫酸铅来回 不断 转化 ，形成电荷 。 阀控式铅酸蓄电池 在充放电过程中，正负极的电动势 会 离开了其平衡状态 ， 发生极化 ，其 电压 会 有 较 大的变化。极化 主要 是由电化学极化

21、、 欧姆极化 和 浓差极化 这 3种因素造成的， 因为 3 种极化的存在， 在使用中要 严格设置各种充放电电流和充放电电压， 避免 使用不当对蓄电池的性能造成大的影响。 1.3.2 阀控式铅酸蓄电池的充电方法 一 、阀控式 密封铅酸蓄电池的充电特性 蓄电池充电理论与实践都已经证明，充电接受电流 I 是充电时间 t 的指数函数，其函数如式 1-2 所示 14。 （ 1-2） 式中： I 蓄电池可接受的充电电流，仅产生微量气体，也叫允许充电电流； I0 t=0 时的最大充电电流，它由蓄电池的使用状态决定； a 充电接受率，指蓄电池允许的充入电流 和应该充入的容量之比，这个数值越高，表示电池的电流接

22、受能力越强，充电时间就越短。 阀控式 密封铅酸蓄电池的充电特性 决定了充电器应该具备的充电电压和电流特性，同时不同厂家生产的蓄电池 充电特性 还是具有一定的差异。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4 页 二 、阀控式铅酸蓄电池的充电方法 阀控式铅酸蓄电池的运行寿命和性能，与充电方法密切相关，好的充电方法应该是效率高而不伤电池，达到电池温升低，寿命长，充电快，充电足，失水少。在充电过程中，蓄电池的吸气和极化现象始终存在，并逐步加剧，严重影响充电质量，缩短电池寿命。按充电器的输出电能的方式不同，常用 的充电方法有恒压充电，恒流充电和脉冲快速充电。 恒压充电：充电过程中 的充电电压 始终 不变，

23、 重点 是 要 选择恰当 的充电电压。电压较低时， 电流较小，充电时间短，蓄电池不能充足，长期亏电 ，常此下去，将加重蓄电池硫化，加速老化，缩短电池寿命。反之，电压过高，开始时电流较大，电量充满后，因为充电器和 蓄电池电动势之间始终存在差值，仍有不小的充电电流，而导致过充电， 电池内部的活性物质 脱落，容量减小。所以，要 根据不同的使用状况，不同特性，不同厂家的蓄电池，选择不同的充电电压值。恒压充的优点是充电速度快、时间短。但 是电压恒定， 电流不能调节，无法 满足各种不同技术条件的蓄电池，不能保证蓄电池彻底充足。 恒流充电：充电过程中充电电流保持不变，这种方法充电速度快。为了提高其充电质量，

24、一般将充电过程分为两个阶段。在第一阶段中，电流较大，当单格电压充到约 2.4 V，电池电解液中开始出现气泡时，将充电电流减小一半进入第二阶段，直到蓄电池完全充足为止。 脉冲快速充电：脉冲快速充电一般是采用高电压和大电流的方式，在较短时间内给电池充足电。随着新技术发展，脉冲快速充电的方法也越来越多。 铅酸蓄电池采用的 常规 工作方式主要有循环充电和浮充电 ： 循环充电工作方式是完全放电，然后充电，再完全放电，再充电，反复循环。 循环充电其初期充电电流不宜超过 0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以 0.1C 的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%

25、时，再改用浮充电压充电，直至充满。 循环充电多应用于小容量移动型的便携式设备蓄电池中。 浮充 电工作方式是 蓄电池与整流模块并联 安装在负载上 运行， 负载供电在正常情况下由电源直接供给，在设备故障或者电力不充足的情况，才由蓄电池给负载供电。蓄电池随时都处于充电补足状态，包括 蓄电 池自放电引起的容量损失 直接进入 浮充 电补足 。 浮充 电 掌握 好 充电电压， 例如 12V 的蓄电池，充电电压 就 在 13.5 13.8V。浮充电压过 低，蓄电池会充不 满，过高 就 会造成过量充电。电压的调 整 ， 应该 以初期充电电流不超过 0.3C(C 为蓄电池的额定容量 )为原则。 浮充电方式可以极

26、大地提高铅酸蓄电池的使用寿命。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5 页 以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式，但这两种方式存在着一些不足之处。在充电流程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降 ;采用高速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较小电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。 三、 风力发电机智能充电器 采用 的充电方式 本 风力发电机智能 充电器采用的充电方式是 对上述充电方式的分析 和 综合 ，采用了三阶段的

27、全 智能 控制 充电 模式， 充电流程分为 恒流 快充、 恒压 慢充及涓流 补足 充 电三个阶段， 充电的工作方式采用浮充电方式。充电器的输出电压也具有和蓄电池相同的电压温度系数，充电电压随蓄电池温度变化进行补偿，由控制器采集蓄电池温度，然后按 4mV/的调整系数对充电电压进行调整。这样完美地匹配风力发电机的控制系统， 充电效果更佳 ，同时可以很好的延长蓄电池寿命，为风力发电机工作提供可靠的备用电源 。 1.4 风力发电机蓄电池及充电器 目前 ， 风力发电 机 系统中尚无 完全 理想的专用深放电、长寿命蓄电池，广泛应用的是阀控封闭式 免维护 铅酸蓄电池 。 风力发电系统中 蓄电池的充电控制有其

28、特殊性，在这样的系统中蓄电池基本上是以浮充方式运行的，由于风能不稳定，在实际操作中，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，而是在一种带循环成分的浮充方式。 风力发电 机在 正常工作情况下，充电器处于对蓄电池的浮充电阶段，补足蓄电池自放电的能量损耗，既保证了蓄电池能量的充足，又很好的延长了蓄电池寿命。 根据浮充电压选择原则与各种因素对浮充电压的影响。国外一般选择稍高的浮充电压。范围可达 2.25 2.33V，国内稍低 2.23 2.27V。不同厂家对浮充电压的具体规定不一样。一般厂家选择浮充电压为 2.25V/单体（环境温度为 25情况下），根据环境温度的变化，对浮充电压应作相应调整。整个电池组的浮充电压等于蓄电池只数乘以单体蓄电池浮充电压值，同时要根据电池的负温度补偿系数 4mV/单体 /进行调整，也就是 25温度的基础上每升高 1，单体电池的充电电压降低 4mV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。反之，温度在 25的基础上每降低 1，则升高充电电压，单体电池的充电电压升高 4mV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。 本充电器实现了从 -2560的蓄电池温度补偿，其对应充电电压在 232263V，注意这里 -25充电电压是 263V， 60充电电压是 232V，常温 25时是 244V。