（电力电子与电力传动专业论文）分布式控制充电电源系统的设计和研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb a t t e r yc h a n g ea n dd i s c h a r g ei so n eo ft h ek e yp o i n tt ot h ep r o d u c t i o no f f o r m a t i o np r o c e s s t h ec o n t r o lp r o c e s si sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fp r o d u c t s n e i n d u s t r i a lw h i c hu s ee l e c t r i cp o w e rc o n v e r s i o ns y s t e m si m p l e m e n tt h ep r o c e s so fc h a r g e a n dd i s c h a r g ec o n t r o li nf o r m a t i o np r o c e s so fb a t t e r yp l a t e sb yc o n v e n e rt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a la c c o m p l i s h m e n t so fr e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l y s y s t e ma n dp r o v i d e sad i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 1 n b e s y s t e mu s e sm o d u l a rd e s i g na n dn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y ，d e s i g na n di m p l e m e n to f t h er e c t i f i e ri n v e r t e rm o d u l e b i d i r e c t i o n a ld i r e c tc u r r e n tc o n v e r t e rm o d u l ea n dc o n t r o l u n i tf u n c t i o nm o d u l e ，p r e s e n t sar e c t i f i e rd i r e c tc u r r e n ti n v e r t e rt e c h n o l o g ya n de n e r g y t e c h n o l o g yt r a n s f c ，r mt w o w a y f l o wm e t h o d e a c hf i t n c t i o n a lm o d u l eu s e m i c r o c o n t r o l l e ra sc e n t e r ， c o n t r o lt h ee n t i r en e t w o r ko fr e c h a r g i n gp r o c e s sf o r i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t i nt h es t r a t e g y o fc o n t r o l ，w ec h o o s ea n a l o gp i dc o n t r o l t e c h n o l o g yf o rc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o l ，a n da l s os i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rt h ep r o c e s s c o n t r 0 1 f i n a l l yt h i sp a p e rd e v e l o p sap o w e rs u p p l ym o n i t o r i n gs o f t w a r eb a s e d o nt h e c o m p o n e n ta r c h i t e c t u r e t h es y s t e ma d dt w o w a yd i r e c tc u r r e n tc o n v e r t e r u n i to nt h eb a s i so f p h a s e c o n t r o l l e d r e c t i f i e ri n v e r t e r ，t h u sr e a l i z i n gt h eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g e c o n t r o lf o rm u l t i p l eb a t t e r y t h es o l u t i o nh a sr e a l t i m ea n df u n c t i o n a ii m p r o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c st h a tc a nb ew i d e l yu s e di nr e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l ys y s t e m k e y w o r d s ：p r i n c i p l eo ff o r m a t i o np r o c e s s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c d ci n v e r t e r ， s i m u l a t i o np i d ，c o m p o n e n t - b a s e ds o f t w a r e 佩l l 主工薰失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：售弱日期：刎年j 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：焦玛 日期：卅年岁月f 1 日 指导教师签名： e l 期：卅年 力湖 i 月乎日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 充电电源系统的发展现状 电力电子技术、微机技术、通讯技术及控制技术的飞速发展，为充电电源系 统的发展提供了强大的动力。国内己有相当多的公司从事这方面的生产和研究开 发工作。充电电源系统的整体水平有了较大的提高。下面就充电电源系统的三个 主要组成部分蓄电池、充电电源和监控系统的发展状况作简要的介绍。 1 1 1 蓄电池的发展现状 蓄电池作为具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点的储能设备，已经日 益广泛地运用于交通运输、电力、通信等部门的设备中，成为最重要的关键系统 部件之一。它的可靠性与稳定性将直接影响到发、变电运行以及设备的安全，进 而影响到整个系统的运行。 蓄电池是充电电源系统的作用对象，也是不间断电源的核心。阀控密封式铅 酸蓄电池由于其充电时正极板上产生的氧气，又被负极板吸收，故电池内部不会 失去水分，在浮充寿命期间也就无须加水维护。此外，电池设有自动开闭的安全 阀，当内部压力超过规定值时阀会自动开启，压力正常又自动关闭，且安全阀上 装有滤酸装置，不会排出酸雾等有害气体，也不会发生电解液泄漏。鉴于它具有 安全、可靠、环保、免维护( 或少维护) 、价格低等优点，因此，己成为替代旧式 铅酸电池的最佳选择。早期的阀控铅酸蓄电池主要以进口为主，如德国阳光等。 近年来，国产蓄电池无论从技术、质量、体积等方面都已接近于国外蓄电池，并 具有价格优势。 1 1 2 充电电源的发展现状 早期蓄电池生产厂家的化成充放电装置多采用人工操作，充放电时间、次序、 电流大小都由人工操作执行，费工费时，且不能准确控制，也不能适应生产和技 术的发展”加。随着电力电子技术和微控制器技术的发展，目前常用的蓄电池充电 电源主要有相控式、线性电源和高频开关电源三种”1 。 相控电源是较传统的充电电源，它的发展历史较长，技术比较成熟。它将市 电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变晶闸管的导通相位角，来调节整流器 湖北工业大学硕士学位论文 的输出电压”1 。目前相控电源已经有逐步被淘汰的趋势，但由于晶闸管可控硅的可 靠性较高，它所承受的功率可以做到很大( 几千伏、几百安培) ，而发热量比开关 电源使用的功率管小，因此，在发电厂、变电站等大功率场合仍有较多的应用。 当整流负载容量较大时，也应采用对电网来说比较平衡的三相全控桥整流装置。 线性电源是另一种常见的线性稳压电源。它通过串联调整管可以连续控制， 其功率调整管总是工作在放大区，导致调整管上的损耗功率非常大，因此需要采 用大功率的调整管并需要装配体积很大的散热器。 开关电源的研究发展历史比较短，美国是最早研究的国家之一，在2 0 世纪6 0 年代中期开始了相关的研究，并与当时研制出了2 0 l ( h z 的d c d c 变换器，这为开 关电源的发展奠定了基础”“”。七十年代出现了使用高频变换技术的整流器，它使 交流电不经过5 0 h z 的工频交换器，而直接整流再逆变为高频交流，再整流滤波变 为所需的直流。八十年代英国科学家根据以上的条件和原理，制造出第一套实用 的4 8 v 开关电源s m r 电源。在我国开关电源的研制比较晚，1 9 6 3 年才开始研制采 用可控整流器，1 9 6 5 年才开始研制逆变器和晶体管直流一直流变换器，而2 0 k h z 的 直流一直流变换器到8 0 年代才开始生产应用，8 0 年代后期第一批引进澳大利亚技 术4 8 v 5 0 a 、开关频率4 0 k h z 和5 8 v i o o a 、开关频率2 0 k h z 的高频开关电源。 开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高。由于开关频 率高，变压器的体积大大减小，滤波电感，电容数值较小，其性能优于线性电源 和相控电源。高频开关电源因其体积小、动态响应速度快、输出纹波小、效率高 等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域得到了 广泛研究与使用。但相对于相控电源来说，它的价格偏高，而且功率器件的发热 量也较高，所以在电力系统中的大功率场合，相控式的充电装置仍然占有较大比 重。 目前，无论相控充电装置还是高频开关电源充电装置，市场上均有定型产品， 基本上能满足各种容量蓄电池的充电要求。近年来，国内外人士正致力于充电装 置的智能化研究，智能化程度较高的充电装置解决了动态跟踪电池可接受充电电 流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接受充电电流保持良好的匹配关系，使 充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约电能3 0 、5 0 左右，提高 了充电质量和效率，充电工人只担任辅助性工作，为充电技术和充电设备的智能 化发展开创一条新路m ，。 1 i 4 监控系统的发展现状 监控系统是整个电源系统的核一0 ，也是实现自动化的关键。最早的监控系统 2 湖北工业大学硕士学位论文 只是几个仪表构成的，而现在大部分都采用了微机进行监控，这样就可以对整个 工作过程进行监测控制m 1 。 分布式控制系统，又称集散系统，是7 0 年代中期发展起来的新型计算机控制 系统。它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术，形成了以微 处理器为核心的系统。它不仅具有传统的控制功能和集中化的信息管理能力、操 作显示功能，而且还有大规模数据采集、处理的功能以及较强的数据通信能力， 为实现高等过程控制和生产管理提供了先进的工具和手段。自1 9 7 5 年世界上第一 个分布式控制系统一美国 l o n e y w e l l 公司的t d c - 2 0 0 0 问世以来，分布式控制系统 受到广大用户的欢迎和重视。目前世界上的大型装置或工场大多采用分布式控制 系统。它具有很多的优点包括：控制分散、信息集中、高度的灵活、很强的扩展、 极高的可靠性等等。因此分布式控制系统的应用也越来越广泛。 目前国内生产的监控装置普遍功能集中、可扩展但适应性较差，虽然有些产品 已经在朝着分布式系统的方向发展，也只是形成了一个雏形，这也给我们进一步 研究开发留下了空间。 1 2 蓄电池化成工艺 蓄电池的种类很多，根据极板材料以及电解液不同可分为碱性蓄电池、铅酸 蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池“。 碱性蓄电池采用碱性溶液作为电解液，根据极板材料的不同分为不同的系列， 有高、中、低放电率等品种。 铅酸蓄电池采用铅钙合金为极板，用酸性溶液为电解液。按用途分为：启动型、 固定型、牵引型和便携型等。 锂蓄电池是把性能优良的金属锂作为负极材料，正极材料可以从各种j 下电性较 高的化合物中选择。锂离子电池的正极材料采用含锂的化合物，负极材料采用碳 或石墨。电解液可用无机盐一有机溶剂体系或是固态、胶态电解质。 这几种都能够为最终产品提供可补充的电能，但不同的是适用的对象和场合不 同。其中铅酸蓄电池因性价比高、容量大、放电性能好、无记忆效应、可循环使 用、原料丰富等优点得到了广泛的应用。 蓄电池的工作原理就是化学与电能相互转换的变化过程。当蓄电池将自身的 化学能转化电能而反馈给外界电网时，叫蓄电池的放电过程；当蓄电池与外界充 电电源相连而将电能转化为化学能储存起来，对内部能量进行补充时叫蓄电池的 充电过程。蓄电池的充放电可以反复多次进行。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 1 蓄电池的工作原理和特性 铅酸蓄电池由二氧化铝作正极板，海绵状铅作负极板，硫酸作电解液。铅酸 蓄电池是可逆电池，当蓄电池外加直流电压时，发生电解反应，电池处于充电状 态，硫酸铅通过氧化还原反应恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大； 当蓄电池外接负载时，处于放电状态，正极板的二氧化铅和负极板上的铅与电解 液硫酸反应，生成硫酸铅，电解液硫酸的浓度降低。铅酸电池的化学反应方程式 如下： 负极反应：p b + h s 0 4 一 p b s 0 4 + + 2 e 正极反应：p b 0 2 + 3 h + + h s 0 4 。+ 2 e p b s 0 4 + 2 h 2 0 电池的总反应：p b + p b 0 2 + 2 h + + 2 h s 0 4 。 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 反应的中间过程lp b p b “+ 2 ep b “+ h s 0 4 p b s 0 4 + m 式中向右的方向为充电的方向，向左的方向为放电的方向互为逆反应，并且 可以看出电流的方向和反应的方向是一致的。 关于铅酸蓄电池有几个基本概念是非常重要的，为了更好的了解该论文课题 现做如下介绍“”： 电池容量一蓄电池充足电后放电到终止电压时的输出电量，也就是说在一定 条件下可以从电池中获得的电量。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含 有的电荷量，因此通常电池体积越大容量越高。常用c 表示，单位为a h ，1 a h 相 当于蓄电池能在1 a 的电流下放电1 小时。 充电速率一为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的 绝对值表示，而是用额定容量和充电时间的比值来表示，称为充电速率。放电速 率同解。 充电终止电压一蓄电池充足电后，极板上的活性物质达到饱和，继续充电电 压也不会再上升，此时的电压称为充电的终止电压。 放电终止电压一蓄电池放电被要求的最低电压。如果电压低于此电压，电池 仍处于放电状态，则电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，最后容易导致极 板上的生成物在充电时难以恢复，影响电池的寿命。放电终止电压与放电速率有 关。 内阻一当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻为电池的内电阻， 这个内阻包括两个部分，即： r = r + ( 1 1 ) 式中r 0 为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵循欧姆定律，是不变的量：r n 湖北工业大学硕士学位论文 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，r 、越大。 过充电一当高速率充电而又不能及时地在充满后结束充电过程，则电池很容易 存在大电流过充电的问题。过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成 对蓄电池的损害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它 会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电 池温度迅速上升。因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电。这是因 为电池在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地同 周围散发，基本上不会对电池造成损害。 1 2 2 化成工艺 蓄电池能把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能释放出 去，这种变换过程是可逆的。就其电能作用来说，当处于放电或部分放电状态后， 电池极板表面会形成新的化合物，这时若用适当的反向电流通过蓄电池，便可将 极板上已经形成的化合物还原成原有的活性物质。 铅酸电能的极板是由硫酸、水、铝粉、添加剂混合制成的铝膏涂在极板上， 经固化干燥、化成而制得。未经化成的极板称为生极板，其主要成分为： 正极板：一氧化铅、碱式硫酸铅、铅： 负极板：一氧化铅、硫酸铅、铅、膨胀剂和抗氧化剂等。 这些成分对正电极来讲，不包含可以放电的活性物质p b 0 2 ，对负电极来讲， 铅的含量仅占百分之几而且活性很差，实际上也不能够用以放电。这样的极板储 能性能极差，必须经过所谓的化成工艺处理，才能用在实际的蓄电池中储存电能， 因此，蓄电池极板质量的好坏将直接影响蓄电池的储能性能和使用寿命。 极板的化成工艺处理是蓄电池生产过程中的一个关键环节，将完成非活性物 质向活性物质的转变，使正、负极板达到所期望的荷电状态，即有预期的电极电 位。“化成”即“转化而成”之意，所谓极板化成就是将完全干燥的生极板( 未化 成极板) 放在稀硫酸电解液中进行电解，通过电化学的氧化一还原反应，使正、负 极板上的粉膏物质在正极上转化成二氧化铅，以及在负极转化成海绵状铅等活性 物质。 蓄电池的化成过程是利用化学和电化学反应使极板转化成具有电化学特性的 j 下、负极板的过程：将蓄电池的正、负极板分别与直流电源的萨负极相连，浸在稀 硫酸的化成槽罩，通以大电流，经过若干充、放电周期，正极板固化的物质通过 硫酸根离子转移到电解液中，并从负极板物质接受氧，被氧化为二氧化铅。同时， 湖北工业大学硕士学位论文 硫酸根离子将负极板固化的物质转移至电解液中并把氧转移到正极板物质，从而 将电能转变成化学能储存起来。 极板的化成过程必须在一定的条件下进行( 如电解液浓度、电流密度等) 。铅 酸蓄电池的极板化成通常有两种方式：一种为槽式化成，俗称外化成，即极板组装 电池前，将极板放在专门的化成槽中，多片正、负极板相间的连接起来，与直流 电源相接，灌入电解液通电，使极板化成为具有活性的正极板和负极板，然后再 组装成电池。另一种方式为电池化成，也叫内化成，即不需要专门的化成槽，而 是用生极板装配成组，放在电池壳体中装成电池组后，灌满电解液再通以直流电 进行化成。 槽式化成是传统的化成方法，需要专用的设备、设施，工艺复杂，劳动量大， 消耗能量多，成本较高，特别是环保差，污染严重。而电池化成则避免了生极板 在化成槽中化成时析出气体携带酸雾所造成的环境污染，以及减少了化成后的洗 涤干燥等工序，此外所需设备设施相对较少，成本低，环保要求容易达到，故其 优越性是明显的“”“”。 电池化成的条件主要是指电解液的制备、充电制式等方面的要求。 制备电解液的要求 极板化成用的电解液是由浓硫酸和去离子水( 或蒸馏水) 配制而成的稀硫酸溶 液。硫酸与水有亲和作用，可以在任何比例下混合。配置电解液用的浓硫酸和去 离子水( 或蒸馏水) 应符合g b 4 5 5 4 1 9 8 4 “蓄电池用硫酸”和j b 1 0 0 5 3 - i 勺9 9 “铅蓄 电池用水”标准要求，配制完的电解液应符合j b 1 0 0 5 1 9 9 9 “铅蓄电池用电解液” 标准要求。 化成电解液要根据极板的不同情况采用适当的密度，电解液浓度过高或过低 都不利于化成过程和极板质量。一般情况下，对于较薄的极板( 厚度 2 5 m m ) ，可采用高一点密度的化成电 解液，一般为1 1 0 0 9 c m 3 左右，此外化成电解液的数量也直接影响极板化成质量。 充电制式 极板的化成需要利用外界的充电电源使蓄电池的两极实现电化学反应，在这 个过程中电路的连接方式、充电电流、充电电压、充电电量以及充电时间的规范 通称为化成的充电制式。电池化成按充电方法不同分为恒定电流充电法和恒定电 压充电法。 ( 1 ) 恒定电流充电制式 所谓恒定电流充电是指在整个化成过程中，充电装置输出的充电电流始终保 6 湖北工业大学硕士学位论文 持不变( 或阶段性保持不变) 的充电方法。这种充电方式特别适合于由许多电池串 联起来的蓄电池。当蓄电池组中有个别电池电压、电解液密度偏低，全组电池产 生差别时，能使蓄电池组中个别电池进行完全充电，恢复其容量，这时最好用小 电流长时间充电模式。恒流充电方式的不足是：开始充电阶段电流过小，在充电中 后期电流又过大，整个充电时间一般在1 5 h 以上，析出气体多，对蓄电池危害较 大，能耗高。因此通常在恒流充电方式的基础上进行改进，即采用恒流限压充电 方式。为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电流，避免损坏电池。 ( 2 谁i 定电压充电制式 所谓恒定电压充电是指在整个化成过程中，充电装置输出的电压始终保持不 变( 或阶段性保持不变) 的充电方法。恒定电压充电法具有气体产生量少、耗水量 小及避免过充等优点，但由于恒定电压充电电流是一个变化值，因此对每只电池 充入的电量难以准确的确定，并且由于每只电池的内阻不同，接受电荷的能力也 不一致，电池与电池之间很可能会产生电荷不一致的情况，而且化成充电时间相 对较长一些，所以在电池化成时一般情况下不采用恒定电压充电法。 电池化成的温度 在电池化成时，当灌注电解液后会有以下的化学反应发生： p b 0 + h 2 s 0 4 p b s 0 4 + h 2 0 + q 即发生的中和反应会有大量的热量产生，会导致电解液的温度升高，并且参加反 应的p b 0 的量与液温温升成线性关系。一般情况下，大约有5 0 0 , 6 6 0 的p b 0 将与 h ：s 0 。发生中和反应，由此产生的温升应为3 0 摄氏度到3 6 摄氏度。因此，灌注前 电解液温度及灌注后电池的冷却是十分重要的。 电池化成的电解液密度 在电池化成的初始阶段，电池内部电解液的密度几乎为l ，在化成进行到一定 时间后，电解液的密度才开始回升，最终达到一个稳定值，并且这个电解液的密 度值，一方面与配制的电解液密度值有关，另一方面与和加酸量有关。 蓄电池极板化成过程较长，一般均为几个小时甚至十几个小时，对于要求较 高的极板甚至需要上百个小时。每个充放电阶段有不同的化成时间和所需的电压、 电流值。对于不同类型的极板，这些参数是不同的。极板化成参数是经过理论计 算和反复试验而得到的。一般来讲，只有按照这些参数进行化成j + 能使极板达到 最佳的储能状态。这就要求化成设备必须严格按照参数表进行工作，充分保持每 阶段充放电电压、电流的稳定，以及累加时白j 的准确。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本文研究了一种网络化控制的整流逆变控制系统，对晶闸管等电力电子器件 构成的电力变换电路模块进行控制，根据化成工艺要求，实现蓄电池充电和放电过 程中整流和逆变状态的电压和电流自动调节。所设计的系统结构为：集中进行整流 和逆变，分布式控制蓄电池负载恒流充放电。整个系统的实质是进行能量变换， 其能量变换关系为a c d c d c 或d c d c a c 通过整流逆变技术和直流变换技术 实现电能的双向流动。系统采用模块式设计和网络控制技术，由1 个整流逆变单 元( 三相全控整流器及其控制器) 、n 路直流变换单元( 可控d c d c 变换电路及其控 制器) 和控制网络组成。各功能模块以微控制器为控制核心，分别对整流逆变电路 和双向d c d c 变换环节进行实时控制。系统还可与上位机和其它微控制器进行通 讯，实现对蓄电池充放电过程的远程监控。 本文的内容安排如下： 第一章简述了充电电源系统的构成及各部分的发展现状，并介绍了有关蓄电 池化成工艺的相关知识。 第二章根据化成充放电过程的原理，以及相关工艺的要求，提出了系统的总 体实现方案。 第三章研究了整流逆变模块的设计方案，完成了a c - d c 的转换过程。 第四章研究了双向直流变换模块的设计方案，完成了d c d c 的转换过程。 第五章设计了系统监控单元中的通信接口电路，并且对通讯设计中采取的一 些抗干扰措施作了介绍；最后对后台监控组态软件的设计进行了详细的分析。 第六章总结了这次论文工作的主要成果，并提出了一些不足之处。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计方案 2 1 系统的基本功能和性能要求 2 1 1 系统功能 该系统可对蓄电池进行恒流充放电、恒压充电及浮充，放电时电能回馈电网， 具体可实现以下基本功能： 1 工艺曲线设置和充放电控制：可根据蓄电池的使用维护情况，由用户灵 活设定、选择充电过程工艺曲线。系统根据充电工艺要求，在微控制器 的控制下自动调节充电电流、电压，控制充放电时间，并且可以根据相 关条件终止充放电过程。 2 实时监控：自动检测蓄电池组的充放电状态和充放电电压、电流等工艺 参数，并可通过键盘对充电状态和充电参数进行实时设置和修正。 3 保护报警：具有过压、过流及短路等多种保护措施，并带有报警指示灯 和蜂鸣器。 4 分布式控制：充放电过程的控制由各充放电单元的微控制器进行控制， 并通过通信接以及 总线与监控单元连接，可实时监测蓄电r s 4 8 5 1 ：3 c a n 池的充放电状态和各种参数。 2 1 2 系统的性能要求 在铅蓄电池生产过程中，化成是活性物质形成的最后一个步骤。化成工艺方法 是否恰当，条件控制得是否合理，将对铅蓄电池的生产及以后的使用带来很大影 响。不恰当的化成条件，不仅造成材料和电力的很大浪费，而且导致蓄电池性能 的下降。因此，以严格控制化成条件为要求是系统设计所必须的。 蓄电池的最佳充电曲线并没有一个明确的定义，一般都是人们在研究工作中总 结出来的一个概念“”“。具体的要求包括： 1 充电电流应小于或等于蓄电池可接受充电电流。充电过程中，如果充 电电流大于可接受充电电流，过剩的电流将在有害的负反应过程一电 解水反应消耗掉。在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能， 还不到总消耗量的1 0 。这样既延长了工作时间，严重的析气也会造 成正极板腐蚀，对蓄电池造成损坏。 9 湖北工业大学硕士学位论文 2 深放电后，充电参数的选择原则是防止过大的热冲击。蓄电池温度应 不超过4 5 摄氏度。 3 防止充电不足。长期充电不足将使蓄电池容量下降，造成蓄电池的早 期损坏。对存放中的电池和处于涓流充电过程中的电池，应定期进行 活化充电。 4 防止过充电。过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质会受到 气体的冲击，这种冲击会使活性物质脱落：此外，正极板栅合金也会遭 受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使蓄电池寿命缩短。 2 2 系统的充放电模式 2 2 1 铅酸蓄电池的充放电过程 充电过程： 铅酸蓄电池的电源在充电过程中会不断变化，以恒流对铅酸蓄电池充电，其端 电压随时间变化的规律即充电电压特性曲线，如下图所示啪1 ： u t 图2 - 1充电电压特性曲线 从图中可以看出，充电初期电池的端电压上升很快，如图中曲线o a 段。这是 因为充电开始时，电池两极的硫酸铅分别转变为二氧化铅和铅，同时生成硫酸， 极板表面和活性物质微孔内的硫酸浓度骤增，又来不及向极板外扩散，电池的电 动势迅速升高，所以端电压办急剧上升。充电中期，如曲线a b 段，由于电解液的 相互扩散，极板表面和活性物质微孑l 内硫酸浓度增加的速度和向外扩散的速度逐 渐趋于平衡，极板表面和微孔内的电解液浓度不再急剧上升，所以端电压比较缓 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 慢地上升。这样随着充电的进行，活性物质逐步转化为二氧化铅和铅，孔隙逐渐 扩大，增加至曲线的b 点时( 此时端电压约为2 3 v 左右) ，活性物质已经大部分转 化为二氧化铅和铅，极板上所剩余的硫酸不多，如果继续充电，则电流使水大量 分解，开始析出气体。由于一部分气体吸附在极板表面来不及释出，增加了内阻 并且造成正极电极电位升高，因此电池端电压又迅速上升，如曲线中b e 段。当充 电达到c d 段时，活性物质已经全部还原为充足电时的状态，水的分解也渐接近饱 和，电解液剧烈沸腾，而电压则稳定在2 7 v 左右，所以充电至d 点即应该结束。 以后无论怎样延长充电时间，端电压也不再升高，只是消耗电能进行水的电解。 如果在d 点停止充电，端电压迅速降低至2 3 v 。随后，由于活性物质微孔中的硫 酸逐步扩散，微孔内外的电解液浓度趋于相同，端电压亦缓慢地下降，最后稳定 在2 0 6 v 左右，如曲线中虚线部分d e 段。 试验表明，充电末期的终止电压和充电电流的大小有关。如果降低充电电流， 电池内电压降低，水的分解减少，吸附在极板周围的气体相应减少，充电末期的 终止电压也略低。相反如果充电末期电流过大，不仅要毫无意义的消耗大量的电 能，而且由于析出气体过多，会剧烈地冲刷活性物质使之脱落，而影响电池的性 能所以在充电末期采用较小的充电电流是有益的。同时由于充电末期电流大小会 使充电终止电压发生变化，所以不能通过硬性规定一个固定的终止电压值( 例如2 7 v 单体以上) 来判断蓄电池是否完全充电，而是要根据充电电压的上升率和终止 龟压值等情况综合判断，才能得出正确的结论。 。 放电过程： 充足电的铅酸蓄电池以恒流方式进行连续放电，其电压变化的特性曲线如下： u 图2 - 2放电电压特性曲线 湖北工业大学硕士学位论文 放电前两极活性物质微7 l 中的电解液浓度与极板外部的主体电解液浓度相 等，此时电池的端电压即开路电压等于电池的电动势。放电一开始，活性物质微 孔中的硫酸被很快消耗，同时又生成水，加之主体电解液的扩散速度缓慢，来不 及补偿微孔内所消耗的硫酸，所以微孔中电解液的浓度迅速下降，导致电池的端 电压也急速降低，如图中曲线a 段。随着活性物质表面电解液浓度与主体电解液 浓度之间的差别不断扩大，促进了硫酸向活性物质表面的扩散。在放电中期，单 位时间内活性物质表面和微孔内放电而消耗掉的硫酸可以得到硫酸扩散的补充， 两者取得动态平衡，所以活性物质表面和微孔内的电解液浓度比较稳定，电池的 端电压也比较稳定。但是，由于放电过程中硫酸不断被消耗，整个电池内电解液 中的硫酸含量减少，浓度降低，活性物质表面和微孔内的电解液浓度也缓慢下降， 从而电池的端电压呈缓慢降低的趋势，如曲线a b 段。到放电末期，电池两极的活 性物质已经大部分转变为硫酸铅，随着放电反应的进行，硫酸铅不断地向活性物 质深处扩展，主体电解液的浓度逐步降低，增加了电解液的电阻。同时硫酸铅的 导电性能不好，也增大了极板的电阻。这些因素的综合影响，最后导致电池的电 压迅速下降，如图中曲线b c 段。放电币c 点时，电压己经降至1 8 v 左右放电便 结束。此时如果停止放电，则铅酸蓄电池的电源立即回升，随着活性物质微孔内 浓度很低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩散，最后端电压将稳定在 2 v 左右，如曲线的虚线部分c e 所示。此时如果继续放电，由于活性物质微孔至电 解液浓度已经很低，又得不到极板外主体电解液的补充，将使微孔内的电解液几 乎变成水，使电池的端电压急剧下降，如曲线的虚线部分c d 所示。放电完成后， 会在极板上形成粗大结晶得硫酸铅表面，使电池出现极板硫酸化或反极现象，部 分或全部丧失其容量，这就是所谓“过放电”现象。而且从图上还可以看出，电 池放电至c 点后再继续放电，实际上可以再给出的容量很少，意义不大。综合以 上两个方面的原因，铅酸蓄电池放电至端电压降低至1 8 v 左右时即应停止放电， 放电截止时的电压即为放电终止电压。 很明显，铅酸蓄电池放电至终止电压后，还存在部分残余容量。如果放电终止 电压规定得太高，会降低电池的使用效率，如果规定得太低又会造成电池过放电， 影响其使用寿命。因此必须两者兼顾，合理地确定一个恰当的值。放电率是影响 人们对放电终止电压考虑的一个重要因素：一般用大电流放电时，端电压下降很 快，即使放电到相当低的电压，生成的硫酸铅数量也很少，对极板不会有什么损 害，充电时容易恢复，所以规定的放电终止电压比较低。姊目反，如果用小电流长 时日j 放电，极板深处的活性物质已经反应比较充分，若放电至终止电压还继续放 电，会在极板深处形成大结晶的硫酸铅，充电时难以恢复。并且负极活性物质铅 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 转变为硫酸错时，放电后负极活性物质的体积膨胀很多，会造成极板弯曲或活性 物质脱落，所以用小电流放电时所规定的放电终止电压比较高一些。 2 2 2 常见的充电模式 如果充电电源的充电模式不能满足蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的 使用寿命。通常化成充放电电方式有恒流充电、恒压充电、浮充及放电等方式。 恒流充电法 定电流充电法可以在短时间内将电池充满。不过因为定电流充电不管电池的充 电状况如何，都会一直充电到电池，所以在电池充满后如果不马上关掉或切换到 恒压充电模式，电池很容易损坏。同时为了避免产生剧烈的化学反应而影响蓄电 池的寿命，恒流充电时采用的充电电流一般用0 1 倍率制。充电电流i 。、充电电 压u 。、蓄电池反电动势e 和充电回路总电阻( 主要是电池电阻) r 之间的关系 为：i c ：( u 。- e ) r 。由于回路电阻r 一般保持不变，电池反电动势e 变化缓慢，因此 在某一时刻，改变充电电压u c ，也就改变了充电电流i 。 恒电流充电终止可以用两种方式，第一种是用放电的a h 值，乘以1 0 5 到1 1 0 倍，再除以充电电流，就可以得到充电时间，不过这种方法必须知道完整的上次 放电资料，而且电路和运算都比较复杂；另一种是观察电池的电压，在百分百完 成充电时，电池电压会达到一个峰值然后下降，电压下降点会因为充电电流值的 不同而有所区别，然后再补回l0 9 6 的电就可以充满了。在确定充满到1 0 5 n1 1 0 a 的电量以后，就可以把电流减少到c 5 0 0 的电流。 恒压充电法 恒压充电是对铅酸电池最有效的充电方法之一。对最高电压设限，以1 4 7 v 到 1 2 v 定电压充电，大概可以在1 6 个小时内将一个放完电的铅酸蓄电池充完电。如 果放电量少于百分百，则定电压充电的时间可以相应的减少，不过建议将最小电 流的上限处于1 c ( 以容量2 4 a h 的电池为例，1 c 的电流即l 2 4 a h = 2 4 a ) 到2 c 一 遍在1 6 小时内将电池充满。 对于一组j 下在充电的蓄电池，虽然蓄电池组的所有电他都处在同样条件下运 行，但由于某种原因，有可能造成全组电池不均衡。在这种情况下，可采用恒压 充电来消除电池之问的差别，以达到全组电池的均衡。恒压值一般取v ：2 4 01 1 ( n 为蓄电池的节数) 。 在恒压充电模式下，不必太担心电池会损坏，因为电池会根据所剩容量而自我 调整电流。不过在电池充满后必须把电压撤去，或则以浮充模式电压1 3 6 2 v 左右 补充电量以免影响电池质量。 湖北工业大学硕士学位论文 混合恒压恒流充电法 既然恒压恒流充电法各有其优缺点，于是就有了该方法的提出。一开始充电采 用恒流模式，因为电池在电量很少时对电的接受比较高，这样可以将大部分放掉 的电快速的补回来。而恒流充电模式一直进行到电池电压进入峰值，大多数的充 电器都是可以观察到电压是否不再上升的，这就可以当成充电器进入恒压模式信 号的状况了。 在恒压充电状态下要遵守a h 原则，多充10 9 6 的上次放电电量，而定电压一般 以1 4 7 v 到1 5 0 v 的定电压，这时电流会逐渐减小，通常减小到0 0 0 1 c 到0 0 0 2 c 时，大概可以认定充电结束。 浮充充电法 此阶段为低电压小电流充电阶段，以补充电池的自然放电。浮充时，须将充 电电压稳定在蓄电池的额定电压附近( 比恒流充电最高限压要低) ，因而充电电流 比恒流充电时电流要小。浮充电压的一般取v 2 = 2 2 51 3 ( n 为蓄电池节数) 。 放电过程 放电时采用恒流方式工作，放电电流通常采用0 1 倍率制，不能过放。一般 满容量蓄电池放电8 小时为合格。当充放电系统工作在放电方式时，检侧蓄电池 的端电压，当端电压小于设定值时，自动停止放电。 其它的充电方式还有分级电流充电、变电压间歇充电、变电流间歇充电等方 法。无论是哪种充电方式，对充电机而言，归根到底无非是调节输出电压和输出 电流。对于相控充电电源而言，就是调节可控硅导通角：对于开关充电电源而言， 就是调节功率管的占空比。 2 2 3 本系统的控制模式 单独采用某一种充放电模式，不能动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流 的大小，对蓄电池的充放电效果不是很理想。鉴于铅酸蓄电池的充放电特性，本 系统采用微机控制的智能充放电方法对蓄电池进行分阶段充放电，其中控制模式 包括：恒压限流充电、恒流充电、恒流限压放电、限压限流放电以及静置。 ( 1 ) 恒压限流充电 充电过程中，同时限制充电电流和电压，使其不超过设定值。在充电初期，充 电电流到达限定值，充电电压还未达到设定值时，系统以设定的限流值进行恒流 控制：当充电电压升高达到设定值时，减小充电电流，维持系统处于恒压充电状态， 实现恒压控制。 ( 2 ) 恒流充电 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 以所设定的电流值为控制目标，对蓄电池进行恒流控制。 ( 3 ) 恒流限压放电 以设定值进行恒流控制，但当电池电压低于设定值时终止放电。 ( 4 ) 限压限流放电 系统根据设定的功率值计算放电电流并进行恒流控制，限制放电电流不超过设 定值。 ( 5 ) 静置 系统停止充放电，并根据设定的时间值保持该状态。 所有由充放电模式组成的工艺文件被预先设定在监控单元中，由系统根据工艺 要求自动对各充放电阶段进行转换。 2 3 系统总体设计方案 2 3 1 工业实际应用中的几种设计方案 方案一：充放电主电路由相控式电源构成，通过改变晶闸管的导通角，使主电 路输出相应大小的直流电压、电流值。微机控制系统( 微控制器和接口电路) 根据 当前的蓄电池化成工艺参数要求，发出相应的控制指令，并通过继电器作用于电 器控制线路。经过电器控制线路的各种逻辑关系判断，使主电路的输出方式满足 化成参数要求。采用这种设计方案，功率因数低、谐波较高、对电网的影响较大， 系统的可靠性不高，并且微控制器的功能高度集中，系统控制能力较差。 方案二：充放电主电路由三相p w m 整流器构成，通过控制功率器件的开关时间， 使主电路输出相应大小的直流电压、电流值。微机控制系统承担采集数据、分析 处理各种参数及发送控制指令等任务。采用这种设计方案，输出纹波小、效率高， 但是整个系统的价格比较高，功率器件的发热量也较高。 此外，如果现场需控制的对象较多，实时性要求较强，一个独立的微控制器系 统不能单独完成管理和控制的功能，因此，还需考虑实现对整个充放电过程的分 布式控制。 2 3 2 多路分布式控制充电电源 本文以铅酸蓄电池为充电对象，以相控式电源作为充电电源构建了一个典型 的充电电源系统，并对其构成进行详细的介绍。系统总体结构图如下： 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 + + l 蓄| 1 电； 池| l j 图2 3 系统总体结构 图中主要由整流逆变模块，双向直流变换模块以及监控系统组成。整个系统 可组成一个分布式有源逆变网络。这样一方面可提高功率因数，抑制谐波，减少 充放电装置对电网的影响，另一方面可节约成本，实现对现有相控式电源的改造。 蓄电池的充放电模式以微控制器为控制核心，结合整流逆变电路及d c d c 变换 环节，对整个充电过程实行智能化管理，并可通过控制网络与上位机和其它微控 制器进行通讯，实现对蓄电池充放电过程的远程监控。 该系统充放电功能的实现：集中进行整流和逆变，分布式控制蓄电池负载恒流 充放电，通过整流逆变技术和直流变换技术实现电能的双向流动。将三相交流电 ( 市电) 经全控桥式整流电路a c d c 变换成所需的一次直流电源，再由d c d c 变换 电路对蓄电池负载进行可控电流的恒流充电：当蓄电池负载需要恒流放电时， d c d c 电路工作在第二象限，全控桥式电路工作在有源逆变状态。整流与逆变过程 的切换时间及电压、电流值均由整流和逆变单元的控制器进行预先设置：r l 路d c d c 电路的充放电恒流值可由各路控制器进行现场设置。 该系统监控功能的实现：是对整个充电电源系统的运行工况进行监视和高级控 制，通过总线网络( r s 4 8 5 及c a n 总线) 对各控制器进行分布式控制，接收各功能模 块的工作参数，并通过分析计算，决定各功能模块的工作状态，并将控制信息发 送给各控制器。它以组态软件的形式提供良好的人机界面和强大方便的组态功能， 便于操作人员对充电电源系统的运行情况进行分析和监视。另外它还提供与远程 监控网络的接口，方便实现“四遥”功能。 以下各章节将分别介绍系统各模块的组成结构及具体设计。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章整流逆变模块的设计与实现 整流逆变模块完成了整个系统中的电力变换的功能，它将3 8 0 v 的三相交流电 变换成直流电，为蓄电池的充放电过程提供了一次直流电源。 3 1 整流逆变模块的总体结构设计 采用微控制器控制的