電子產品設計與制造畢業(yè)論文

1、常州機電職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書系 部：電氣工程系專 業(yè)：電子產品設計與制造姓 名:朱建冬學 號:40931315題 目：蓄電池充放電控制裝置設計起迄日期: 年 月 日 月 日設計(論文) 地點:指 導 教 師:專 業(yè) 負 責 人：發(fā)任務書日期: 年 月 日目錄摘要 第一章 緒論 1.1蓄電池及其應用和發(fā)展 1.1.1蓄電池及其發(fā)展狀況 1.1.2蓄電池在各個領域的應用 1.2常用蓄電池的使用維護 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過充電 2.1.3放電

2、 2.1.4自放電 2.1.5活性物質 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相對密度 2.1.11運行溫度 2.1.12循環(huán)壽命 2.2鉛酸蓄電池的工作原理 2.21鉛酸蓄電池電動勢的產生2.2.2鉛酸蓄電池放電過程的化學反應2.2.3鉛酸蓄電池充電過程的電化反應2.2.4鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化第三章 電路的設計 3.1化成電源主回路 3.2電壓、電流采集電路 3.2.1數據采集模塊 3.2.2輸出模塊控制 3.3人機界面模塊 3.3.1鍵盤模塊3.3.2顯示模塊3.4掉電保護模塊第四章 蓄電池充放電控制 4.1蓄電池自動控制器的構成

3、4.2控制策略 結論 參考文獻 蓄電池充放電控制裝置技術摘要：介紹了鉛酸蓄電池發(fā)展狀況、充電方式、常見故障及原因。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的一種充放電機為例，講述了其主電路、電壓、電流采集電路，人機界面模塊和掉電保護電路。并敘述了充放電的自動控制器及其控制策略。 關鍵詞：鉛酸蓄電池，充放電，控制。引言：在蓄電池問世以來一百余年的時間里，由于蓄電池作為一種能源變換器可以方便的存儲與提供電能，且具有可逆性好、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富且可再生、使用及造價低廉等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用，是社會生產經營活動中不可或缺的重要產品。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)展應用前景。一、緒論1.1.蓄電池及其應用和發(fā)展 1.1.1蓄電池及其發(fā)展狀況鉛酸蓄電池是世界上各類電池中產量最大，用途最廣的一種電池，它所消耗的鉛占全球總耗鉛量的82%。我國鉛酸蓄電池工業(yè)本世紀80年代進入蓬勃發(fā)展時期，隨著國民經濟的發(fā)展，其市場將不斷擴大，以汽車、摩托車、及電力、通訊為主要對象。近年來，電動汽車等無煙交通工具的開發(fā)，會使鉛酸蓄電池有更大的發(fā)展。蓄電池作為直流備用電源，對系統(tǒng)的安全可靠運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。正常情況下，讓蓄電池處于充滿而又不過充的狀態(tài)，這樣蓄電池失水率低，負極板析出的氫氣少，在

5、整流器一旦無輸出時，可以保證蓄電池能夠單獨向主機供電一段時間，因此對蓄電池的性能要求是比較高的。1.1.2蓄電池在各個領域的應用鉛酸蓄電池是1859年g.plante發(fā)明的。自鉛酸蓄電池被發(fā)明以來，因其價格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和適于大電流放電等特點，目前已成為世界上產量最大、用途最廣泛的蓄電池品種。鉛酸蓄電池經過一百多年的發(fā)展，技術不斷更新，現已被廣泛應用于汽車、通信、電力、鐵路、電動車等各個領域。1.2常用蓄電池的使用維護 1.2.1蓄電池(組)的充電方式。1、恒流充電法，恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法?？刂品椒ê?/p>

6、單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，使出氣過甚，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間里保持恒定的數值，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，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(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合的快速充電方法，首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之

7、間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。 二三階段充電法在充電開始和結束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段。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零脈沖快速充電法。1.2.2蓄電池的常見故障及其原因1、蓄電池常見故障及其排除（一）極板硫化極板硫化是指極板上產生了白色、堅硬不容易溶解的粗晶粒。故障現象：蓄電池容量和起動性能明顯下降；充電時電壓、溫度均上升快、電解液過早地出現“沸騰”現

8、象。故障原因：蓄電池長時間處于虧電狀態(tài)；電解液液面過低；深度放電（即小電流的長時間過放電）；電解液密度過高、不純、外部溫度變化劇烈等。處理措施：極板硫化不嚴重時，可以用去硫化充電法消除硫化，嚴重硫化只能報廢。（二）自放電在未接通外電路時，蓄電池的電能自行消耗即稱之為自放電。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）。故障現象：充足電的蓄電池停放幾天或幾小時后就呈現存電不足；充電時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，并對已虧電的蓄電池進行補充充電；加注純電解液至規(guī)定液面高度。（三）活性

9、物質早期脫落是指因使用不當而造成正極板上的活性物質大量脫落，這是蓄電池早期損壞的主要原因之一。故障現象：充電時電解液成為混濁褐色溶液、充電電壓上升快、電解液過早出現“沸騰”現象；放電時電壓下降過快，容量明顯不足。故障原因：充電電流過大或長時間過充電；蓄電池極板組因安裝不當而松曠或在車上安裝不牢固，使極板組顛簸振動造成活性物質脫落等。處理措施：規(guī)范充電電流；少量活性物質脫落，可用蒸餾水沖洗后重新加注電解液并充足電，大量活性物質脫落，應更換極板組。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，使電池內發(fā)生化學反應，從而把電能轉化成化學

10、能而儲藏起來的操作。2.1.2過充電 過充電是對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程。2.1.4自放電 電池的能量未通過放電就進入外電路，像這種損失能量的現象稱為自放電。2.1.5活性物質在電池放電時發(fā)生化學反應從而產生電能的物質，或者說是正極和負極儲存電能的物質統(tǒng)稱為活性物質。2.1.6充電深度蓄電池在充電過程中從外電路接受的電量與其完全充電狀態(tài)時的容量的比值。2.1.7放電深度 放電深度是指蓄電池使用過程中放電到何程度開始停止。2.1.8板極硫化 在使用鉛酸蓄電池時要特別注意的是：電池放電后要及時充電如果長時期處于半放電或充電不

11、足，甚至過充電情況下或者長時間充電和放電都會形成（pbs04）晶體。這種大塊晶體很難溶解，無法恢復原來的狀態(tài)，導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(ah)表示。2.1.10相對密度 相對密度是指電解液與水的密度的比值，來檢驗電解液的強度。相對密度與溫度變化有關25時，滿充的電池電解液相對密度值為1.265。密封式電池，相對密度值無法測量。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確測量密度。融入過程大約需要數小時或者數天，但是可以通過充電來縮短時問。每個電池

12、的電解液密度均不相同，即使同一個電池在不同的季節(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，滿充之后一般為1.231.3gcm3。常用液態(tài)密度計來測量電解液的相對密度值。 高溫或者低溫中的電池，相對密度也會受影響。這種情況一般會在電池上標明。電池效率受放電電流的影響，因此應避免大放電電流輸出導致的效率下降，以及影響電池的使用壽命。2.1.11運行溫度電池運行一段時間，就感到燙手，由此可知，鉛酸電池具有很強的發(fā)熱性當運行溫度超過25，每升高10，鉛酸電池的使用壽命就減少50%。所以電池的最高運行溫度應比外界低，對于溫度變化超過5的情況下最好，帶溫度補償充電措施；電池溫

13、度傳感器應安裝在陽極上，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鉛酸蓄電池電動勢的產生： 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，負極板是鉛酸(pb)，與電解液中的硫酸（h2so4）發(fā)生反應，變成鉛離子(pb+2)，鉛離子轉移到了電解液中，負極板上留下多余的兩個

14、電子（2e）?？梢姡谖唇油ㄍ怆娐窌r（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。2.2.2鉛酸蓄電池放電過程的化學反應鉛酸蓄電池放電時，在蓄電池電位差的作用下，負極板上的電子經負載進入正極板形成電流。同時在電池內部進行化學反應。負極板上的每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子(pb+2)與電解液中的硫酸根離子反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（pbso4）。正極板的鉛離子（pb+4）得到來自負極板上的兩個電子后，變成二價鉛離子與電解液中的硫酸根離子反應，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，生成穩(wěn)定物質水。 電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正極板，在電池內部形成電流，整個回路形成，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，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。化學反應是為：正極活 電解液 負極活 正極生 電解液 負極生性物質 性物質 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鉛酸蓄電池充電過程的電化反應 充電時，應在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物

16、質恢復成原來的活性物質，并把外界的電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子和硫酸根負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鉛離子不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子，并與水繼續(xù)反應，最終在正極板上生成二氧化鉛。在負極板上，在外界電流的作用的下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子和硫酸根負離子，由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子被中和為鉛，并以絨狀鉛附在負極板上。電解液中正極板不斷游離的氫離子和硫酸根離子，負極不斷產生硫酸根離子，在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下

17、，溶液中還會發(fā)生水的電解反應。化學反應式為：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，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、電路的設計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斷作用，交流接觸器部分則由6個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電流的作用，分流器則將充放電流轉化為控制電路能采集的電壓信號。3.2數據采集與輸出控制模塊3.2.1數據采集模塊數據采集分為電流和電壓的采集。電壓采集電路采用的是差動放大電路，差動放大電路是將兩個輸入端上所加的信號的差值進行放大，再作為輸出的電路。基本差動放大電路由一個運算放大器和四個電阻構成，第一級為差動放大電路，第二級為電壓跟隨器，輸出前為了防止涌浪電壓損壞單片機的a/d口設計了限幅電路。對于精度要求不太高的話，電流的檢測采用電阻壓降法，即在充放電電路上串聯精密電阻的方

19、法，通過對精密電阻兩端壓降的測量，來實現測量。3.2.2輸出模塊控制系統(tǒng)輸出控制電路將經過處理之后的數字量通過dao模塊轉換成模擬量，經過光電隔離并線性放大之后，最后送給交流器，通過交流器控制系統(tǒng)的充放電。3.3人機界面模塊3.3.1鍵盤模塊鍵盤模塊電路采用8279芯片，不僅可以大大節(jié)省cpu處理鍵盤的時間，減輕cpu的負擔，而且，顯示穩(wěn)定，編程簡單。3.3.2顯示模塊系統(tǒng)中擴展了lcd用于實時地顯示系統(tǒng)中運行的各個階段及運行過程中的各個參數，同時顯示時間等相關輔助信息，當用戶通過鍵盤對系統(tǒng)進行設置時，lcd將通過一系列簡單的操作界面，給用戶的操作帶來最大程度上的方便，同時也可以實時地將設置信息顯示在界面上。3.4掉電保護模塊在蓄電池化成過程中出現停電事故時，需要對運行的文件及運行狀