1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 直流充电电源设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 2 - - 摘 要 本文介绍了充电器对蓄电池充电的一般原理，从阀控蓄电池内部氧循环的设计理念出发，研究各种充电方法对铅酸蓄电池寿命的影响。针对蓄电池充电过 程中出现的种种问题，分析现有各种充电方法存在的问题，提出一种可对铅酸蓄电池实现三段式慢脉冲充电的智能充电器设计方案。 采用 NIOSII 实时检测充电电流和蓄电池电压的实际值，分级控制开关电源的脉冲频率和实时调节脉冲占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。并介
2、绍了 NIOSII 系统开发的一般方法。这个方案不仅可实现快速充电，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。 关键词： 蓄电池；开关电源；充电器； NIOS II - - 3 - - Abstract The design describes the charger to the battery charger of the general principles, from the internal oxygen cycle of valve-regulated battery design concepts starting to study a va
3、riety of charging methods for lead-acid battery life implications. For battery charging problems arising in the process, analysis of existing problems in a variety of charging methods, proposed a lead-acid batteries could achieve the Four-slow pulse charge of the intelligent charger design. Control
4、the switching power supply pulse frequency and duty cycle, thus regulating charge current and voltage to achieve the classification of the battery charge with slow pulse. This program not only for fast charging, while reducing analysis of gas, to eliminate sulfide, a balanced charge, thus greatly ex
5、tending the service life of lead-acid batteries. Key Words: Batteries; Switch power;Charger; NIOSII - - 4 - - 目 录 1 引言 . - 1 - 2 蓄电池充电基础 . - 2 - 2.1 蓄电池充电原理 . - 2 - 2.1.1 蓄电池充电特性 . - 2 - 2.2 蓄电池充电方式 . - 4 - 2.2.1 恒流充电法 . - 4 - 2.2.2 恒压充电法 . - 4 - 2.2.3 浮充法 . - 5 - 2.2.4 分阶段充电法 . - 5 - 2.2.5 快速 充电法 .
6、 - 6 - 3 充电器基础电路 . - 8 - 3.1 基本电路 . - 8 - 3.1.1 整流电路 . - 8 - 3.1.2 滤波电路 . - 9 - 3.2 其它电路 . - 10 - 3.2.1 防浪涌电路 . - 10 - 3.2.2 防市电过压电路 . - 11 - 3.2.3全桥和半桥式开关电源的 DC/AC功率转换 . - 11 - 4 充电器总体设计方案 . - 13 - 4.1 系统设计 . - 13 - 4.2 方案的比较和选择 . - 13 - 5 硬件设计 . - 16 - 5.1 系统硬件总体方案 . - 16 - 5.2 前置放大电路 . - 16 - 5.3
7、 电池电压检测电路 . - 17 - 6 软件设计 . - 18 - 6.1 NIOS II核的配置 . - 18 - 6.2 软件主流程 . - 19 - 6.3 数据处理软件设计 . - 20 - 7 小结 . - 22 - 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 23 - 浙江万里学院本科毕业论文 - - 1 - - - 1 - 1 引言 随着电力电子技术、电机技术、蓄电池技术的快速发展，以电力驱动的电动车越来越普及，因其无污染、能耗少、噪音低、易驾驶等特点，有着取代传统内燃机车的趋势，成为国内外大力推广和发展的交通工具。 目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在
8、理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的发展要求，有一些理论和技术问题还有待解决，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成 熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池
9、很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术 至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。 - - 2 - - - 2 - 2 蓄电池充电基础 2.1 蓄电池充电原理 2.1.1 蓄电池充电特性 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说，充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多，诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同，都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同，即使是相同型号、相同容
10、量的同类蓄电池的充电也大不一样。上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程 作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图 2-1 所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。 图 2-1 最佳充电曲线 由图 2-1 可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度
11、上 升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。 蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： - - 3 - - - 3 - PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象
12、。 一般来说，产生极化现象有 3个方面的原因。 1） 欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 2） 浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生 成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均
13、匀。这种现象称为浓度极化。 3） 电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢 Me e Me，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的 状态促进金属中电子离开电极，金属离子 Me转入溶液，加速 Me e Me反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严
14、重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这 3 种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。 - - 4 - - - 4 - 2.2 蓄电池充电方式 由于蓄电池的充电方式有很多种，依据蓄电池的特性选择最合适的充电方法。现总结如下。 2.2.1 恒流充电法 顾名思义，恒流充电方法就是对蓄电 池进行充电时，自始至终保持充电电流不变。恒流充电虽然具有较高的充电效率，能方便地根据充电时间来决定充电是否停止，也可以改变被充蓄电池的数目，但在开始时充电电流过小，而充电后期充电电流过大，不仅充电时间长，而且耗气量大，能量高，充电效率 在 65%以下。恒流的电流在充
15、电后期会电解水，产生气体，是蓄电池内部压力上升，如不加控制极易是蓄电池因 失水而干枯，最终将造成蓄电池容量急剧下降。如下图 2-2 所示： 图 2-2 阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线 2.2.2 恒压充电法 恒压充电法是充电电源的电压在充电的整个过程中保持恒定不变。这种充电方法充电初期充电电流很大，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电过程不必调整电流。这种方法在充电过程中析气量也很小，充电时间短，能耗低，充电效率高，一般 8小时即可充满。 在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线 V（图 2-2）上 ,充电器的输出电压始终是在充电器设计人认为蓄电池安全受电的最高允许电压上，低于这个电 压，则
16、蓄电池无法充满，在充电过程中，单体蓄电池的充电电压比蓄电池本身的实际电压高；通过蓄电池的充电电- - 5 - - - 5 - 流，则比蓄电池的最大安全接受电流大 10 倍以上。蓄电池在充电前多已经放完电，其电压处在最低电压上。若在采用恒压充电，通过蓄电池的充电电流将是蓄电池的安全接受电流的几十倍，当充电器的容量不够大时，则充电器因过载而烧毁。因此，恒压充电法不适合放电较深的蓄电池充电；不适合数量多的蓄电池充电，因不能使所有的电池均衡。故电动自行车蓄电池也不适用于恒压充电。 2.2.3 浮充法 浮充法是充电器以很小的充电电流（ C/30C/20）对蓄电池进行充电，以确保蓄电池始终处于充满电的状态
17、。浮充法广泛用于蓄电池作为备用电源或应急电源的电器设备中，是一种有备而无患的充电方式。 2.2.4 分阶段充电法 分阶段充电法是在对蓄电池充电的最初阶段采用较大的充电电流，当蓄电池电压达到控制点时，则将较大的充电电流转为涓流充电。常用的分阶段充电法有二阶段充电法和三阶段充电法。 二阶段充电法是采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。它首先以恒电流将蓄电池充至预定的电压值，之后改为恒电压完成蓄电池的剩余充电。通常两阶段之间的转换电压，就是第二阶段充 电的恒电压。 三阶段充电法是在对蓄电池充电开始和结束阶段采用恒电流充电，而中间阶段则采用恒电压充电。 三段充电方式曲线，如图 2-3 所示。 图 2
18、-3 三段充电方式曲线 - - 6 - - - 6 - 分阶段充电方式 ,虽是蓄电池充电的最理想方式 ,但充电器电路复杂 ,成本高 ,还需要有蓄电池电压监测控制电路。 充电器对蓄电池产生影响的是充电电压、充电电流和充电波形及频率 .其中 ,充电电压与蓄电池是否充满电有关 ,充电电流与蓄电池充得快或慢有关 ,而充电的波形与频率则与蓄电池的容量与寿命 (即充得好坏 )有关 .充电时三者各有侧重 ,是相辅相成的关系 .而三段式电动自行车充电器的充电模式 ,侧重于充电电压和充电电流 ,缺少充电波形和频率方面的实施技术 .这样 ,就不能在充电过程中有效地去除蓄电池电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象
19、.因此 ,理想的电动自行车充电器应具有脉冲充电、负脉冲激活 ,高频充电和变频充电等多种充电模式与充电技术 ,使电动自行车充电器既有常规充电功能 ,又有修补性充电功能 ,成为多功能充电器。 2.2.5 快速 充电法 常规充电是采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池而言，初充电需 70h以上，进行普通充电也需 10h 以上。充电时间也不能过长，充电时间过长 ，不仅拉长充电监测时间，浪费电能，而且也限制了蓄电池的循环使用次数，增大了维护工作量。 快速充电法是用大电流在短时间内对蓄电池进行充电。为了保证蓄电池不过充和不因大电流短时内充满而损坏，需加有控制电路。此电路能在充电末期实时地检测蓄电池的充电电压、端电压的温度，并根据随时检测到的相关参数来控制充电过程。 （ 1） 检测蓄电池电压 在大电流充电末期，通过辅助电路检测蓄电池电压，当蓄电池电压达到设定值时，即将大电流转变成小电流充电，这是为了保证蓄电池的充电容量。为此，控制电路预设的充电截止电压必须比充电峰值电压低。 （ 2） 检测蓄电池端电压降（ - V） 充电时通过蓄电池的充电电流，是由辅助电路在大电流充电末期，检测到的蓄电池端电压降（ - V）进行控制的，充电特性曲线如图 2-4 所示
