串并聯(lián)電路電壓特點(diǎn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

根據(jù)表一中實(shí)驗(yàn)三測(cè)得的數(shù)據(jù)U1=1.5V,U2=1?3V,即使再加每次電表允許產(chǎn)生的最大誤差0.075V，U1+U2+誤差值=2?95V,與U電源3.5V比仍然小0.55V，這個(gè)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了允許的最大誤差，對(duì)比這五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),我們不難發(fā)現(xiàn)都存在著與實(shí)驗(yàn)一相類似的規(guī)律，而由表二并聯(lián)電路所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，也存在U1不等于U2不等于U電源,且誤差很大的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用電器為燈泡時(shí)的實(shí)驗(yàn)誤差值普遍要比用電器為電阻時(shí)的誤差值要大得多，而使用有夾子的銅導(dǎo)線做實(shí)驗(yàn)時(shí)的誤差值普遍要比使用無(wú)夾子的銅導(dǎo)線要大得多。為此，我們對(duì)探究串、并聯(lián)電路電壓特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)存在的巨大誤差展開(kāi)了深入、全面的研究。我們做出了以下幾種猜測(cè):串、并聯(lián)電路中造成電壓特點(diǎn)與理論存在誤差的原因可能是與導(dǎo)線的長(zhǎng)短有關(guān)。串、并聯(lián)電路中造成電壓特點(diǎn)與理論存在誤差的原因可能是開(kāi)關(guān)承擔(dān)了一部分電壓。串、并聯(lián)電路中造成各用電壓特點(diǎn)與理論存在誤差的原因可能是導(dǎo)線承擔(dān)了一部分電壓。串、并聯(lián)電路中造成各用電壓特點(diǎn)與理論存在誤差的原因可能與導(dǎo)線接線柱線頭所擰得松緊有關(guān)。1.串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)串聯(lián)電路的電源電壓以及各用電器電壓的測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)器材】電壓表1只、小燈座2個(gè)、小燈泡2個(gè)、10Q電阻2個(gè)、干電池3節(jié)、開(kāi)關(guān)1只、導(dǎo)線若干?！靖倪M(jìn)后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

注：（以下實(shí)驗(yàn)電源電壓都是由電壓表測(cè)量所得的數(shù)值，為保持實(shí)驗(yàn)的一致性，電壓表正負(fù)接線柱的兩根導(dǎo)線始終為帶夾子的銅導(dǎo)線。（1）將電壓表接在開(kāi)關(guān)兩端，閉合開(kāi)關(guān)，兩小燈泡均發(fā)光,觀察此時(shí)電壓表的示數(shù)。（2）選用長(zhǎng)度為30cm及60cm的兩種無(wú)夾子的銅導(dǎo)線記下U1，U2及電源電壓的值。將電壓表依次接在電源負(fù)極到LI、L1到L2、L2到開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)到電源正極這四條導(dǎo)線上，閉合開(kāi)關(guān)，兩小燈泡均發(fā)光,觀察這四種情況下各電壓表的示數(shù)。更換不同類型的導(dǎo)線，再次重復(fù)以上步驟，記錄數(shù)據(jù)。將小燈泡更換為10Q定值電阻，重復(fù)步驟(2)(3),記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表三、表四所示:數(shù)據(jù)分析:由表三數(shù)據(jù)可知，當(dāng)連接線路中的導(dǎo)線長(zhǎng)度全都由30cm變成60cm時(shí)，U1+U2的值與電源電壓之間的誤差由0.05V提高到了0.1V，說(shuō)明誤差值在偏大，可得到的結(jié)論一：導(dǎo)線的長(zhǎng)度會(huì)影響U1+U2的數(shù)值與電源電壓間的誤差，且導(dǎo)線越長(zhǎng)，U1+U2的值越小，誤差也就越大。證得猜想一是正確的。在表四實(shí)驗(yàn)一中，只有開(kāi)關(guān)到電源正極用的是兩端有夾子的導(dǎo)線，其余都是無(wú)夾子導(dǎo)線連接，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)無(wú)夾子導(dǎo)線兩端的電壓都為0V,而有夾子導(dǎo)線兩端的電壓為0.5V。而這個(gè)0.5V也正好是實(shí)驗(yàn)中電源電壓與U1+U2之和的誤差值，說(shuō)明導(dǎo)線分到了電壓。對(duì)比表四中的這五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)連接導(dǎo)線用的是無(wú)夾子導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線兩端的電壓基本上都為0，只有實(shí)驗(yàn)五有兩組測(cè)得的是0.05V，而測(cè)開(kāi)關(guān)兩端的電壓有三組為0,兩組為0.05V。據(jù)數(shù)據(jù)分析，這個(gè)0.05V，也可以說(shuō)是相當(dāng)小的電壓值。而有夾子導(dǎo)線兩端的電壓與此相比卻要大得多。根據(jù)這五組的實(shí)驗(yàn)每一組的合計(jì)電壓與我們測(cè)得的U1+U2與電源電壓值的誤差進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)誤差的存在，確實(shí)是因?yàn)閷?dǎo)線與開(kāi)關(guān)會(huì)分到

電壓，對(duì)于有夾子的導(dǎo)線分到的電壓則會(huì)更多。由表四可得結(jié)論二：串聯(lián)電路中，除了用電器分到電壓外，導(dǎo)線或開(kāi)關(guān)也會(huì)分到電壓，而且導(dǎo)線電阻越大，分到的電壓也就越大，所以實(shí)際的U1+U2U電源。結(jié)論三：在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，接線柱的線頭連接得松緊也會(huì)影響U1+U2的大小，造成實(shí)驗(yàn)的誤差的存在。而我們平時(shí)用的學(xué)生電源及干電池不能直接根據(jù)旋鈕顯示數(shù)值或干電池節(jié)數(shù)乘1.5V來(lái)做電源電壓。結(jié)論：在串聯(lián)電路中，造成串聯(lián)電路各用電器電壓和小于電源電壓的原因是由于導(dǎo)線與開(kāi)關(guān)會(huì)分到電壓，接線柱的線頭連接得松緊的影響，及做實(shí)驗(yàn)時(shí)用的學(xué)生電源按顯示數(shù)值讀數(shù)，干電池直接用1.5V電壓計(jì)算造成電源電壓不精確。為了進(jìn)一步證實(shí)猜想，對(duì)并聯(lián)電路也進(jìn)行了誤差探究實(shí)驗(yàn):2.并聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)器材】電壓表1只、小燈座2個(gè)、小燈泡2個(gè)、電阻為10Q2個(gè),3節(jié)干電池、開(kāi)關(guān)1個(gè)、導(dǎo)線若干?！緦?shí)驗(yàn)過(guò)程】選用大量程，用試觸法來(lái)估測(cè)電壓的大小，然后確定合適的量程。根據(jù)電路圖，連接完成電路。先用燈泡并聯(lián)。分別三次把電壓表并聯(lián)接入線路中:①測(cè)燈L1的電壓；②測(cè)燈L2的電壓；③測(cè)電源電壓。（4）換不同類型的導(dǎo)線，再次重復(fù)第3步驟，并記下數(shù)據(jù)。（5）更換為10Q的定值電阻，再重復(fù)（3）（4）步驟，并記下數(shù)據(jù)。（6）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表五所示:數(shù)據(jù)分析及結(jié)論:根據(jù)表五數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)關(guān)兩端的電壓只有實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)四為0V，其余三組都分到電壓。而且明顯地發(fā)現(xiàn)，使用無(wú)夾子導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線兩端的電壓為0V的有8組數(shù)據(jù)，有夾子導(dǎo)線兩端的電壓為0的有兩組，因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)器材及人為讀數(shù)方面的局限，在誤差允許的范圍內(nèi)；在實(shí)驗(yàn)四出現(xiàn)的有夾子導(dǎo)線電壓為0V，可能是我們實(shí)驗(yàn)器材及誤讀所造成。并聯(lián)電路結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出分到電壓確實(shí)與導(dǎo)線的電

阻大小及開(kāi)關(guān)的接線柱的電阻有關(guān)，電阻越大，分到的電壓也就越多，造成用電器兩端的實(shí)際電壓小于電源電壓。但用電器兩端電壓與導(dǎo)線兩端電壓及開(kāi)關(guān)兩端電壓加起來(lái)還是等于電源電壓，這與串聯(lián)電路的研究結(jié)果一致。根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)，我們大致得出了結(jié)論：實(shí)驗(yàn)所用的導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)并非是我們所假想的0電阻，導(dǎo)線存在較大的電阻，分走了一部分電壓，而且我們實(shí)驗(yàn)所使用的電壓表也并非我們所假象的那樣0電阻，電壓表也分走了一定的電壓。比較實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，使用小燈泡實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)比使用定值電阻實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)誤差更大。我們對(duì)此也展開(kāi)了討論與研究。根據(jù)八年級(jí)上冊(cè)科學(xué)課本上4.4影響導(dǎo)體電阻因素的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，我們意識(shí)到：因?yàn)樾襞莅l(fā)光的同時(shí)也發(fā)熱，小燈泡溫度升高，導(dǎo)致小燈泡電阻變大，分走了一定的電壓，加大了誤差。除此之外，我們實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)仍存在一定的小誤差，對(duì)這誤差的存在有些是無(wú)法避免的。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們也得到了幾種產(chǎn)生誤差的原因和對(duì)今后實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)想：

誤差產(chǎn)生原因的幾種分類學(xué)生電源直接讀數(shù)電壓與實(shí)際測(cè)出的電壓間存在誤差,新干電池也不能都以1.5V讀數(shù)，它們的理論值與測(cè)量值之間都存在著一定的誤差。由于導(dǎo)線本身存在電阻，或由于導(dǎo)線兩端焊錫夾子電阻增大，分走了少量電壓。電鍵(開(kāi)關(guān))會(huì)分走少量電壓。

在連接線路時(shí)，由于線頭的松緊而造成的誤差。初中階段實(shí)驗(yàn)器材本身局限造成的誤差。學(xué)生在測(cè)量過(guò)程中讀數(shù)所造成的誤差。電表自身也有電阻造成誤差。實(shí)驗(yàn)后的體會(huì)在初中科學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)中，有些誤差在實(shí)驗(yàn)中我們是沒(méi)法避免的，如(5)(6)兩種誤差，但有些是我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改進(jìn)器材，或完善操作過(guò)程，在以后的實(shí)驗(yàn)中盡可能地設(shè)法減小。減小誤差的幾個(gè)方面：在連接電路時(shí)盡量用不帶夾子的導(dǎo)線，且導(dǎo)線不能過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)實(shí)生活中導(dǎo)線電阻不可避免，我們只能讓它盡量地減小，而帶夾子的導(dǎo)線由于經(jīng)過(guò)焊錫會(huì)產(chǎn)生比較大的電阻，而我們初中階段都默認(rèn)為導(dǎo)線電阻為0這樣會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在連接導(dǎo)線時(shí)，要注意接線頭要擰緊，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

測(cè)量電源電壓時(shí)，不能直接從學(xué)生電源或干電池的節(jié)數(shù)讀電壓，必須進(jìn)行測(cè)量。讀數(shù)時(shí)，眼睛正視，要讀到估計(jì)位，以減小誤差。做好正確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。選擇適當(dāng)?shù)碾姳砹砍?，不能選得太大。

以上就是我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的一點(diǎn)收獲與幾點(diǎn)體會(huì)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過(guò)程中，充分地感受到了科學(xué)的樂(lè)趣一一追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)真實(shí)的精神與態(tài)度，也相信，在誤差的分析過(guò)程中，應(yīng)該還有更好更多的改進(jìn)，值得我們?nèi)ミM(jìn)一步深思。串連蓄電池組的均充技術(shù)研究-單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限,在很多場(chǎng)合下要組成串連蓄電池組來(lái)使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問(wèn)題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少，是擺在我們面前的重要問(wèn)題。蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的性能。此外，電池技術(shù)的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對(duì)蓄電池組來(lái)說(shuō),除去上述原因，單體電池

間的不一致性也是個(gè)重要因素。針對(duì)蓄電池充放電過(guò)程中存在的單體電池不均衡的現(xiàn)象，筆者分析比較了目前的幾種均充方法，結(jié)合實(shí)際捉出了無(wú)損均充方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有的均衡充電方法實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進(jìn)行均充，目前主要有以下幾種方法。在電池組的各單體電池上附加一個(gè)并聯(lián)均衡電路，以達(dá)到分流的作用。在這種模式下，當(dāng)某個(gè)電池首先達(dá)到滿充時(shí),均衡裝置能阻止其過(guò)充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，繼續(xù)對(duì)未充滿的電池充電。該方法簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來(lái)能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。在充電前對(duì)每個(gè)單體逐一通過(guò)同一負(fù)載放電至同一水平，然后再進(jìn)行恒流充電，以此保證各個(gè)單體之間較為準(zhǔn)確的均衡狀態(tài)。但對(duì)蓄電池組，由于個(gè)體間的物理差異,各單體深度放電后難以達(dá)到完全一致的理想效果。即使放電后達(dá)到同一效果，在充電過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。定時(shí)、定序、單獨(dú)對(duì)蓄電池組中的單體蓄電池進(jìn)行檢測(cè)及均勻充電。在對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，能保證蓄電池組中的每一個(gè)蓄電池不會(huì)發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個(gè)蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。運(yùn)用分時(shí)原理，通過(guò)開(kāi)關(guān)組件的控制和切換,使額外的電流流入電壓相對(duì)較低的電池中以達(dá)到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復(fù)雜。540)this.width=540”vspace=5〉以各電池的電壓參數(shù)為均衡對(duì)象，使各電池的電壓恢復(fù)一

致。如圖2所示，均衡充電時(shí)，電容通過(guò)控制開(kāi)關(guān)交替地與相鄰的兩個(gè)電池連接,接受高電壓電池的充電,再向低電壓電池放電，直到兩電池的電壓趨于一致。540）this.width=540”vspace=5〉該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問(wèn)題，但該方法主要用在電池?cái)?shù)量較少的場(chǎng)合。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，單體電池都有獨(dú)立的一套模塊。模塊根據(jù)設(shè)定程序,對(duì)各單體電池分別進(jìn)行充電管理,充電完成后自動(dòng)斷開(kāi)。該方法比較簡(jiǎn)單，但在單體電池?cái)?shù)多時(shí)會(huì)使成本大大增加，也不利于系統(tǒng)體積的減小。無(wú)損均充電路本文提出了一種無(wú)損均充電路。均充模塊啟動(dòng)后，過(guò)充的電池會(huì)將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。1電路設(shè)計(jì)N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組,主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路，如圖3所示。圖中BTi是單體電池,Si是MOSFET,電感Li是儲(chǔ)能元件。Si、Li、Di構(gòu)成一個(gè)分流模塊Mi。在一個(gè)充電周期中,電路工作過(guò)程分為兩個(gè)階段:電壓檢測(cè)階段（時(shí)間為Tv）和均充階段（時(shí)間為Tc）。在電壓檢測(cè)階段，均衡旁路電路不工作,主電源對(duì)電池組充電，同時(shí)檢測(cè)電池組中的單體電池電壓,并根據(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路

中被觸發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。540)this.width=540”vspace=5>除去連接在B1兩端的Ml,所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔茫械姆至髂K都會(huì)將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中，而Ml則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。2開(kāi)關(guān)管占空比的計(jì)算充電時(shí)電池的荷電狀態(tài)SOC(stateofcharge)可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得出，其中V是電池的端電壓。SOC=—0.24V2+7.218V一53.088(1)SOC是電池當(dāng)前容量與額定容量之比,SOC=Q/QToTALX100%。通過(guò)把電壓檢測(cè)階段末期檢測(cè)到的電池電壓轉(zhuǎn)化為荷電狀態(tài)，而單節(jié)電池的儲(chǔ)存容量Qest,n與SOC存在相應(yīng)的關(guān)系,Qest,n可以被估算出來(lái)。在充電平衡階段，從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中,Tcep為一個(gè)充電周期內(nèi)均充階段的時(shí)間。為使在均充階段達(dá)到單節(jié)電池儲(chǔ)存容量的平衡，均充的目標(biāo)Qtar應(yīng)為：540)this.width=540”vspace=5>但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉(zhuǎn)換是相互影

響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算。不過(guò)Gauss-Seidel迭代法可以解決這個(gè)問(wèn)題。期望的儲(chǔ)存容量Qn可以用下式來(lái)計(jì)算：540)this.width=540”vspace=5>其中,Idis,n是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均電流,Iobt,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Qtar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達(dá)到均充時(shí)的電荷量,Qn是期望的儲(chǔ)存容量，取Qtar=Qn,即(2)、(3)相等。通過(guò)相應(yīng)換算,得到占空比的計(jì)算公式：540)this.width=540”vspace=5>這里的函數(shù)fN只是一個(gè)示意函數(shù)，表示Dn和D2……D3存在一定關(guān)系。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證本文的均衡充電方法,以兩節(jié)單體電池組成的蓄電池組為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，主要驗(yàn)證旁路中開(kāi)關(guān)管對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用。控制流程見(jiàn)圖4。540)this.width=540”vspace=5>由于沒(méi)有現(xiàn)成的蓄電池，需用替代電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。充電過(guò)程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化