阀控式铅酸蓄电池脉冲快速充电技术研究_图文

1、河北大学硕士学位论文阀控式铅酸蓄电池脉冲快速充电技术研究 姓名:王娜申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:陆原20100501摘 要摘 要21 世纪在所有能源里面,蓄电池被认为是最绿色能源之一。目前一系列用动力铅 酸蓄电池及与之配套的充电器的发展,还暂且不能满足其一些交通工具的要求,在一些 理论和技术研究方面上还有待提高。从目前发展的情况来看 , 常见的蓄电池的充电方式主要有恒压充电和恒流充电这两 种模式 , 这两种充电方式在实际应用中, 还存在着较大的缺陷。 就是因为这些充电电流不 能够有效的遵循马斯所提出的可接受的充电电流曲线, 所以最后导致这些充电方法充电 不完全,充电时间效率

2、相对比较低;甚至有的还存在着一些过充电和析气等现象,使得 充电过程时间长,效率低,非常容易受损害。最后如果想解决上述问题,改变以上两种 充电方法的缺点,既提高能量利用效率,加快充电速度,又不影响铅酸蓄电池的使用寿 命。我们提出了对阀控式铅酸蓄电池快速充电技术研究,具有了实际意义。本论文主要对阀控式铅酸蓄电池快速充电技术进行了研究。结合马斯定律,并且在 充分了解了阀控式铅酸蓄电池电化学机理的基础上, 对正负脉冲间歇的去极化快速充电 技术进行了一定的研究。 对充电过程中的脉冲充电电流, 脉冲充电电压, 脉冲充电时间, 正负脉冲的幅值等一系列参数进行设定,希望对这些数据进行比较分析,验证其脉冲快 速

3、充电技术方法的可行性。本研究采用单片机控制的充电器能有效控制充电电流 , 提高充电接受率 , 减少充电时 间 , 节约电能 , 而且由单片机判断充电状态并给予相应处理 , 具有实时性、 智能性 , 节省了好 多的人力 , 提高了安全性、可靠性。在这类充电器中 , 单片机处于强电电路中 , 工作环境恶 劣 , 因此对单片机的抗干扰能力提出了非常高的要求。关键词 阀控式铅酸蓄电池 脉冲快速充电 极化 马斯定律AbstractAbstractIn the 21st century, batteries for the energy has been considered as one of the

4、most green. But now a series of lead-acid battery with power charger and the accompanying development can not meet their transport requirements,there are still many to be improved in theory and research. Judging from the current development,battery charging method commonly main constant two models,

5、one is the voltage charge and the other is constant current.There are still large deficiencies in the two charging methods in practical applications.Because these charging current does not effectively made in full compliance with the acceptable Mas charge current curve. So these finally led to the c

6、harging method of charging is not completely, and c In harging time efficiency is relatively low.There are even still exist gassing off phenomena such as charging and making the process of charging a long time, low efficiency, vulnerable. Finally if you want to solve the above problem, we muse do bo

7、th improve the energy utilization efficiency, and speed up the charging rate without affecting the life of lead-acid batteries. We have made to the valve-regulated lead-acid battery rapid charging technology research, has a practical significance.This paper mainly research the Valve-regulated lead-a

8、cid battery rapid charging technology. With Maas Law and on the basis of fully understand the mechanism of valve-regulated lead-acid battery electrochemical, we has researched of intermittent pulses of positive and negative polarization of fast-charging technology. We set some parameters, such as th

9、e pulse charge current, the pulse charge voltage, the pulse charging time, and positive or negative pulse amplitude. Wewant to carry out a comparative analysis of these data to verify a pulse rapid charging technology feasibility of the method.In this study, MCU-controlled battery charger can effect

10、ively control not only the charge current, improve charge acceptance rate, reduce the charging time, save energy, but also by the microcontroller to determine state of charge and give appropriate treatment, with real-time, intelligence, saves manpower, improves security, reliability. In such charger

11、, the microcontroller in a strong electric circuits, poor working conditions, so the anti-jamming capability SCM has put forward higher requirements.Keywords VRLA Pulsed Fast Charge Polarization Maas Law 第1章引言第1章引言1.1 选题背景及其意义随着现代人类文明的快速发展和飞速进步,伴随而来的是人类社会庞大的社会和经济效益。人们同时在享受着丰富的精神生活和物质生活,更加深切感受到了在环境、能

12、源等各个方面,副作用的影响非常值得关注。目前社会面临着日益贫乏的自然能源,而且越来越恶劣的地球环境,“节能环保”已经逐渐开始成为未来社会发展的重要的主题之一。这一严峻的形势要求人们不得不节省能源,注重环保,最终实现可持续发展的目标,造福后代。尽管铅酸蓄电池它的质量比能量,体积比能量不能和其他蓄电池相比,但是它的性能价格比有很大优势,特别是作为备用电源,贮能电源和动力电源等应用领域。阀控铅酸蓄电池与汽车等用的普通铅酸蓄电池相比有密封和干态的优点,使用过程中,不断将化学能转换成电能,又将电能转换成化学能,反复循环,对外部环境是“零排放”,不会对环境造成污染。1.2 阀控式铅酸蓄电池1.2.1 铅酸

13、蓄电池简介1早在1859年,到现在已经有将近150年的发展历程,普兰特发明了铅酸蓄电池。铅酸蓄电池电极极板的化学成分就是由铅及其氧化物制成,其中的电解液是硫酸溶液的一种蓄电池,就是我们现在指的铅酸蓄电池。我们可以从铅酸蓄电池的结构和用途等方面进行区别,大概的将电池分为四大类:动力用铅酸蓄电池;起动用铅酸蓄电池;固定型阀控密封式铅酸蓄电池;其它系列类,有小型阀控密封式铅酸蓄电池,矿灯用铅酸蓄电池等。我们常用的铅酸蓄电池大概包括干荷蓄电池、普通蓄电池、和免维护蓄电池等三大类。11干荷蓄电池全称也叫做干式荷电铅酸蓄电池。特点就是负极板有较高的储电能力,在完全干燥状态下,能在两年内保存所得到的电量,使

14、用时,只需加入电解液,等过一段时间就可使用。河北大学工学硕士学位论文2普通蓄电池极板是由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液。它的主要优缺点比较简单明了。优点则是电压稳定、价格便宜;缺点则是比能低、使用时间短和日常维护比较经常。3免维护蓄电池自身的结构上有优势,消耗量非常小,使用的有效期间内不需要补充水。使用寿命大概为普通的两倍多。在免维护蓄电池中包括一种就是在购买时一次性加电解液;还有一种就是电池本身早就已经加好电解液并封死,用户根本就不需要在补充任何东西。铅酸蓄电池在好多方面都取得了长足的进步,比如理论研究方面,产品种类及品种、产品电气性能等等。各个经济领域包括在交通、通信、电力、军事

15、航海、航空,铅酸蓄电池都起到了十分重要的作用。1.2.2 阀控式铅酸蓄电池的应用21860年,普兰特首次实现了实用的铅蓄电池,终结了已有140年的时期空白。他用腐蚀的铅箔形成活性物质。虽然在这期间,有不断的新体系涌现,诸如铁一镍蓄电池,镉一镍蓄电池,铅一银蓄电池,氢一镍蓄电池、锂离子二次蓄电池等;但至今,铅酸蓄电池在应用领域上和产量上仍然占据着主导的地位。是目前使用最广泛、技术最成熟的电池。目前随着科学的发展,人们已经到了阀控式密闭铅酸蓄电池(VRLA阶段。2 阀控铅酸蓄电池与人们常用的交通工具等用的普通铅酸蓄电池相比,主要有两个不同:一是密封;二就是干态。第一个特点密封指铅酸蓄电池整体基本上

16、无酸雾排出。一般条件下阀控铅酸蓄电池在充放电的过程中,几乎是是“0排放”。只有在蓄电池充电后期内部的气体压力超过安全阀的开放压力时,才会伴随着有少量的氢和氧化成后的气体排放,并且伴随有少量的酸雾。第二个特点就是干态,是指阀控铅酸蓄电池没有自由流动的电解液,我们可以任何方向放置,即使在颠簸、碰撞,甚至外壳破裂也不会有酸漏出。阀控式密封铅酸蓄电池,电池槽内放置若干个正负极板、隔板、然后相互接组成的极群,正、负极板与汇流排,最后再与正、负极柱和其中的接线端子套接,装置内置安全阀在电池盖上弄起防爆,固定住电池盖与电池槽密封。蓄电池是将电能转换为化学能储存起来,在使用的时候再将化学能再次转变为电能。如此

17、循环下去,电压特性就会平稳、使用寿命相对长、适用范围也会广。蓄电池就第1章引言会是一种供电方便、安全可靠的直流电源。蓄电池的应用相对比较广泛,在好多方面表现突出,例如:交通运输电力、港口、铁路、矿山、通讯、计算机、科研等国民经济等等各个领域,是人类生活中和社会运行中十分重要的产品。按照有关规定,固定型、起动型、牵引型蓄电池,应用于拖拉机、汽车、柴油机等起动,和照明、通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源、叉车、等动力电源的一系列产品都是蓄电池应用的分类和相关特点。1.3铅酸蓄电池充电技术现状由于我国的经济发展水平与欧美发达国家还是存在着差距,相关的工业结构也有较大差距。因此我们国

18、家对铅酸蓄电池的需求也会不同,需求量相对比较少。但从长远眼光来看,欧美国家对铅酸蓄电池的市场需求,也能看出铅酸蓄电池主要是是VRLA电池的发展趋势。所以总结看来,市场需求是推动铅酸蓄电池的发展的必要因素。根据国际市场上的研究发现,2006年全世界铅酸蓄电池销售额将近500亿美元,位美国瑞奥特集团、EXIDE集团、日本汤浅公司、西恩迪公司和日本松下公司都位居前列。中国蓄电池市场发掘的巨大潜力,发达国家又对蓄电池行业的限制,这样最后促使了全球好多蓄电池厂商都来纷纷来中国投资寻宝,这也同时提醒我们不得不重视铅酸蓄电池的发展,尤其是阀控式铅酸蓄电池的发展空间。目前世界上铅酸蓄电池是使用广泛的一种化学“

19、电源”,它具有的优点多多,其中包括电压较平稳、安全且可靠、适用范围广、价格优惠、原材料多和回收利用率高,是世界上所有电池里面产量最大、用途也最广的一种实用电池,它所消耗的化学成分铅占全球总耗铅量的80%左右。我国铅酸蓄电池行业经过了将近60年的发展,差不多已经形成了好多大中小型企业相结合,具有一定规的制造体系。一段时间发展之后,铅酸蓄电池这个行业发展稳定,产品档次有了明显提高,产量呈上升趋势。进入"九五"计划,我们又进一步向深发展,能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展,对蓄电池的需求量加大。在汽车、通讯、摩托车电力等领域,铅酸蓄电池进入飞速发展时期,市场需求量不断加大。铅酸蓄

20、电池的需求大,在充电环节至关重要。就目前发展来看,蓄电池常规充电方式主要分为恒压和恒流两种充电模。这两种充电方式在实际应用中存在很大缺陷。缺点多多,恒压充电的缺点表现在蓄电池内阻很小,河北大学工学硕士学位论文在恒压充电初期电流太大,我们进行不断的降压处理。然而到了充电后期,又会因充电电压太低而导致充电不足,蓄电池长期补充不够,会使极板严重硫化;恒流充电的不合理之处是因为蓄电池充电电流可接受曲线呈指数规律减少,充电初期远小于蓄电池可接受最大电流,时间过于延长,充电后期电流又超过蓄电池可以接受电流的能力,电能不能有效地转化为电池的化学能,使蓄电池温升过高,变为热能,极板变了形,失水加快速度,电解液

21、浓度又升高,极板腐蚀加快,并且产生气泡,电解液扰动频繁,危及到了蓄电池的使用寿命。以往的实践表明,无论采用恒压充电或恒流充电,完成蓄电池首次充电需要60 h 左右,就是最后进行补足充电的时间也需要20 h 左右。由于充电的时间太长,给客户带来许多不便。这两种方法很明显,没有达到节省能源的目的,我们需要提出更新的方法。1.4 阀控式铅酸蓄电池充电技术研究方案本文着重介绍了高效去极化脉冲快速充电方法,并希望通过试验对脉冲充电进行验证。影响蓄电池寿命的主要因素多多,现有的充电器普遍采用纯硬件实现,并且最后由人工判断充电的状态是否完成。充电过程大多采用恒流充电或者是正负脉冲充电,还是不能有效控制充电电

22、流,使蓄电池的充电接受率很低并且浪费了大量的电能,极板早早的进行了老化、脱落,充放电的循环次数也相应减少。然而本研究采用单片机控制的充电器能有效控制充电电流,提高充电接受率,减少充电时间,节约电能,由单片机判断充电状态并给予相应处理,具有实时性、智能性,节省了大量的人力,提高了蓄电池充电过程中的安全性、可靠性。在这类充电器中,单片机处于强电电路中,工作环境恶劣,所以我们对单片机的抗干扰能力有了更高的要求。第2章阀控式铅酸蓄电池充电原理的研究第2章阀控式铅酸蓄电池充电原理的研究2.1 铅酸蓄电池常规的充电方法32.1.1 恒定电流充电方法6用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法,保持

23、充电电流强度不变的充电方法即为恒流充电。控制方法虽然简单,但是电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的,最后到了充电的后期,充电电流多用于电解水,产生气体,使出气过甚。2.1.2 恒定电压充电方法6充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值,随着蓄电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。但是与恒流充电法相比,其充电过程更接近于最佳充电曲线。由于充电初期蓄电池电动势较低,充电电流很大,随着充电时间的延续,电流将逐渐减少,因此,只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少,避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大,对蓄电池寿命造成很大影响,且容易使蓄电池极板弯曲,造成电池报废。鉴于这种缺点,恒

24、压充电很少使用,只有在充电电源电压低而电流大时采用。比如在汽车运行过程中,蓄电池就应该以恒压充电法进行充电。2.1.3 阶段式的充电方法8阶段充电的方法可以分为二阶段充电法和三阶段充电法。1二阶段法,采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先,以一定的电流充电至预定的电压值即电压值稳定到一定数值的时候,然后,改为稳定的电压完成剩余部分的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。2三阶段充电法,在充电开始和结束时均采用恒定的电流充电,中间则用恒定的电压充电。当电流衰减到设定的数值时,再由第二阶段转换成第三阶段。这种的做法可以将出气量减到最少,但作为一种快速充电方法使用,这种充电方法将

25、受到一定的限制。2.2 铅酸蓄电池化成技术研究4在铅酸蓄电池生产的过程中,极板的化成工艺处理是其中一个最关键环节。在这一处理的过程中,我们将完成非活性物质向荷电活性物质的转变。铅酸蓄电池的化成充放电过程是一个比较复杂的化学反应的过程,其中化成质量的好坏,最后会影响蓄电池的效率和使用寿命。非线性的控制对象蓄电池,它的特性就是在充放电过程中,是随着回路的电流和电压值变化。蓄电池的内阻是不稳定的,它的数值也是改变的,这样就需要在系统充放电过程中,对充电时间等一系列的参数进行不断的修改,这样才能使系统稳定的工作,满足控制的需要。根据蓄电池生产过程的不同,以及蓄电池的型号的不同,极板化成过程也可以分为几

26、种方式:41静置方式当插板充电反相结束后,电解液与极板发生了好多的化学反应,而使槽温上升,此时我们将需放置一小段时间,待温度下降到一定值时,再可进行充电。这就是静置方式。2反充电方式反充电即极板的放电,当开始的极板放入硫酸溶液以后,由于好多种原因最后可能造成全组极板的初始状态不平衡。这个时候可用一个较小的电流进行反向充电,达到平衡负载目的。3恒流充电方式始终保持一个稳定的电流,对蓄电池进行充电。但当充电过程快要完成时,有可能造成极板的活性物质脱落,所以我们要对充电时间进行限制。4恒压充电方式化成槽两端要自始至终用恒定不变的电压进行不断的充电。由于极板端压是不断上升的,因此充电电流刚开始大后来要

27、小,当电压与端压相平衡时,电流将停止。5恒流放电方式为了储能性能,在一些充电阶段完成之后,我们则需要进行放电。通常放电阶段均采用恒定电流的方式。6恒压限流充电方式首先要对电流进行限制,进行恒流充电,当电压上升到预定的数值时,我们便转入恒定电压充电。蓄电池极板化成过程非常长,大多数都需要几个小时、十几个小时,对于要求较高的内部极板甚至需要上百个小时。时间耗费相当长,但是每个充放电阶段,我们所需要的化成时间,所需的电压、电流值都各个不相同。2.3 极化现象2.3.1 极化现象产生的原因和种类3所谓的蓄电池外部电路的开路,就是当没有电流通过时,电极板处于平衡状态,蓄电池的两端的电压即为蓄电池的电动势

28、,这样则称为平衡电动势。当铅酸蓄电池放电或者充电的时候,因为在电池中有大量的电流通过,导致电池的电动势将稍微偏离预定好的平衡值,这种相对于平衡电动势的偏离称为电极板的极化(Polarization,有时也被称为过电压或过电势。在电极单位面积上通过的电流越大,偏离平衡电极电位的现象越严重。上电前和上电后电极电位的差叫作过电位。氧化反应则是失去电子,还原反应就是得到电子。阳极极化就是阳极电流产生的电极极化;同样阴极极化就是阴极电流产生的电极极化。每当蓄电池充电的时候,因为充电电压高出了极板电动势很多,消耗了好多的电能;而又同时在放电过程中,放电电压又总是低于了蓄电池平衡电动势许多,电能消耗变成了大

29、部分的热能,是很不实用的。因此极化现象,可以说对蓄电池充电、放电电能的利用是很不利的。减少蓄电池反应过程中的极化,对改进蓄电池性能有着十分关键的作用,这一步骤也是在阀控式蓄电池充电过程中必不可少的。我们要引起相当大的注视。在极化过程中产生的极化电压将由即电化学、欧姆和浓差极化三部分组成。3(1 电化学极化电化学极化现象是电极极化的一种,也就是在外电场作用下,电化学作用相对于电子运动的迟缓性改变了原有的电偶层,最终导致了引起的电极电位的变化,将这种现象称为电化学极化。其特点是就是在电流流出端的电极表面积累过量的电子,即电极电位趋负值,电流的流入端正好相反。由电化学极化作用引起的电动势也叫做活化超

30、电压。(2 欧姆极化在蓄电池的充电过程中,正负电离子分别向极板的两极运动。在离子运动过程中不可避免地将受到蓄电池内部各个导电极板,隔板、电解液和外部连接部分如极柱、连接条等一系列部分所产生的阻力,将这一现象称之为欧姆内阻。为了克服这个内阻,外部所施加的电压就必须额外补给一定的电压,来克服阻力推动电离子的迁移。欧姆极化在随着充电电流急剧加大,将造成蓄电池在充电过程中的温度的升高。欧姆极化遵循了物理上所说的欧姆定律。当充电电流停止后,欧姆极化现象可立即消失。(3 浓差极化5在膜的分离过程中的这种现象就叫做浓差极化,这种极化现象会降低透水率,而且这种过程是一个可逆的。浓差极化是指在超滤过程中,由于水

31、透过膜而使膜表面的溶质浓度增加,在浓度梯度作用下,溶质与水以相反方向向本体溶液扩散,在达到平衡状态时,在膜的表面形成一溶质浓度分布边界层,它对水的透过起到了阻碍的作用。电流通过电池或电解池时,如整个电极过程为电解质的扩散和对流等过程所控制,则在两极附近的电解质浓度与溶液本体的浓度就有差异,使阳极和阴极的电极电位与平衡电极电位发生了相对的偏离,我们将这种现象称之为“浓差极化”。浓差极化是指,当水透过膜并截留盐时,在膜的表面会形成一个流速非常低的边界层,边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高,这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。非常明显的可以看

32、出,每当蓄电池不接负载的时候,电化学体系处于平衡状态。电解质溶液的浓度分布是各处均匀的。电流接通后情况则发生了好多变化,随着电极化学反应的进行,电极表面的反应物一直在消耗,而产物又在不断的产生,为了维持正常的反应,最理想的情况当然是在电极表面的反应物能及时得到补充,而生成物也必须立即离去。然而,实际的情况是生成物以及反应物扩散的速度远远比不上化学反应的速度,以至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,电解质浓度分布是不均匀的。这种现象称为浓差极化。由于浓差极化的存在,充电时必须施加一定的电压去克服它,造成了蓄电池分解电压,也就是即使蓄电池电解质开始进行电解反应必须施

33、加的最小电压,将偏离蓄电池的平衡值,电极就会产生过电势。根据经验表明,电极化学反应的速度与电极附近反应物浓度、生成物的浓度等一系列因素有关,同时在相当程度上还决定于了电极所处的电位。所以过电位的产生加速了浓差极化。随着充电电流逐渐增加,浓差极化现象就表现的更加显著。每当蓄电池停止充电后,在由于扩散作用使各处电离子浓度趋于均匀,浓差极化现象也会随之消失;但由于扩散过程进行的缓慢,但并不是像欧姆极化那样立即消失。2.3.2 极化现象导致的后果阀控式铅酸蓄电池在常规充电过程中,也就是我们常说的恒定电流充电和恒定电压充电。在充电的过程中充电效率的太低,所消耗的时间又过长,出现了非常严重的极化现象。如果

34、发生了极化现象,也就伴随着过电压,会阻碍充电电流的增加,减缓电池的化学反应速度。最终使化学反应过程中的水解加剧,产生了好多有害气体。产生的气体不但会延缓电池的充电过程,而且对极板有严重的腐蚀作用。电池内部极板水电解将产生非常多的热量,电解液的温度骤然升高。当电池温度升高到一定的程度时,就会引起极板受热变形,以致到最后的损坏。水解所消耗的热量损失又不能得到再次利用,从而也就浪费了能量,降低了充电过程的电能效率。可见在阀控式铅酸蓄电池的充电过程中,按照常规的充电方法就会产生极化现象,这样将导致了出现析气,电压过高,耗时间长等现象,对蓄电池非常的不利。所以在充电过程中,尽量避免极化现象,尽量不要用常

35、规的充电方法(恒压充电和恒流充电。我们将提出脉冲快速充电技术,采用这种新型的充电方法,以实现快速,高效的充电方法。2.3.3 去极化现象应遵循的准则3铅酸蓄电池去极化措施必须遵循一下准则:在整段的充电时间内,我们要始终不断地采取去极化措施。在刚开始充电的同时,蓄电池可接受电流随时间呈指数规律下降,充电电流最终会超过蓄电池可以接受的最大电流;如果我们一直采用非常大的电流充电,大概几秒钟,最多几分钟就会因可以接受电流下降而产生气体,所以充电前期也应有去极化措施,始终都要让极化现象不要太严重。在充电初期、中期和后期,去极化措施应能能自动地适应整个充电时间内的不同要求,蓄电池的极化情况是不同的。如果只

36、选择适合某一阶段的去极化措施,那么必然不能适合其他阶段的去极化作用。在充电过程中,蓄电池电压升高到一定程度时,也就是极化现象达到了一定程度时,就应当必须停止充电。去极化电压最大应选在低于出气时候的电压,即去极化措施应能抑制过电势。使其达不到气体析出的电势。我们在进行去极化措施的时候是有规定的。当电压的电动势降至一定值的时候,就应该适时停止去极化,转为再次进行再次充电。2.4 阀控式铅酸蓄电池的工作原理2.4.1 阀控式铅酸蓄电池电动势的产生6铅酸蓄电池充电后,正极板的化学成分二氧化铅(PbO 2,在电解液硫酸溶液中,水分子的作用下,微量的二氧化铅与水发生了化学反应,可以分离的氢氧化铅(Pb(O

37、H4是十分不稳定的。氢氧根离子在电解液中,铅离子(Pb 4留在了正极板上,故正极板上则缺少了电子。铅酸蓄电池放电后,负极板上的化学成分铅(Pb ,与电解液硫酸(H 2SO 4,发生了化学反应,变成铅离子(Pb 2,铅离子后来转到了电解液中,负极板上则留下了多余的两个电子(2e 。 所以,在电池没有接通的时侯,发生了好多的化学作用,正极板上就缺少了电子,负极板上就产生了多余的电子。两极板间产生了一定的电位差,这就是我们所说的阀控式铅酸蓄电池的电动势。2.4.2 阀控式铅酸蓄电池充放电过程中的化学反应4阀控式铅酸蓄电池在充电的过程中,就在外接了一个直流电源也就是整流器或者是充电电极,使正、负极板在

38、放电后生成的物质恢复成原来的活性物质,并把外界的电能转变为化学能储存起来。 在铅酸蓄电池的正极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为两部分分别为铅离子(Pb 2,硫酸根负离子(SO4-2,后来由于外接电源不断从正极板吸取电子,则正极板附近游离的铅离子(Pb 2不断放出两个电子来补充,变成铅离子(Pb 4,并与水反应,最终在正极极板上生成了二氧化铅(PbO 2。 在负极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb 2和硫酸根负离子(SO4-2,由于负极不断从外电源获得电子,则负极板附近游离的二价铅离子(Pb 2被中和为铅(Pb ,并以绒状铅附着在负极板上。 电解液中,正极不断产生游

39、离的氢离子(H 和硫酸根离子(SO4,负极不断产生硫酸根离子(SO4-2,在电场的作用下,氢离子向负极流动,硫酸根离子则不断的向正极移动,形成电极板中的电流。 在铅酸蓄电池的充电后期,也是在外电流的作用下,电解液中还会发生水的电解反应。 -2第 2章 阀控式铅酸蓄电池充电原理的研究然后铅酸蓄电池在放电的时侯, 在蓄电池的电位差作用下, 负极板上的电子经负载 进入了正极板形成充电电流 I 。 同时在电池内部进行了一系列的化学反应。 负极板上每 个铅原子放出了两个游离的电子之后,生成的铅离子(Pb 2与电解液中的硫酸根离子(SO4-2反应,在极板上生成难以溶解的硫酸铅(PbSO 4 。 而在正极板

40、的铅离子(Pb 4得到来自负极的两个电子(2e 之后,变成了铅离子(Pb 2,与电解液中的硫 酸根离子(SO4-2反应,在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO 4 。正极板水解出的氧离子(O -2与电解液中的氢离子(H 反应,生成稳定水溶液。 电解液中存在的硫 酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向了电池的正负极,在电池内部形成电流, 形成了整个回路, 蓄电池就会向外持续的放电。 放电的时侯 H 2SO 4浓度不断下降,正负极上的硫酸铅(PbSO 4增加,电池内阻增大,硫酸铅也不导电了,电解液的浓度下降,电池电动势也随之降低。最后提出了铅酸蓄电池充、放电之后,正负极的最终产物问题。好多人提出过不

41、同 的想法。 例如有的人提出过铅酸蓄电池充电后正极的产物是 PbO 2, 负极的产物是 Pb ; 放 电后正极的 PbO 2转化为 PbO ,负极的 Pb 也转化为 PbO 等 “ 氧化一还原 ” 理论。可是后来 J.H.Gladstone 和 A.Tribe 否定了上述关于铅酸蓄电池的氧化一还原理论,提出了解释关于 铅酸蓄电池成流反应的 “ 双极硫酸盐化理论 ” ,这一理论在现在这个时代已经得到公认, 并且也被更多的人广范应用着。按照上述的理论,铅酸电池的电极反应和电池总反应如下:4负极反应:Pb + H2SO 4 = PbSO4 + 2H+ +2e (2-1正极反应:PbO 2 + H2S

42、O 4 +2H+ +2e = PbSO4 + 2 H2O (2-2电池总反应:PbO 2 + 2Pb + H2SO 4 = PbSO4 + 2 H2O (2-3最后的电池总反应从左向右表示放电过程,从右向左表示充电过程。放电反应和充 电反应是可以相互逆转的。河北大学工学硕士学位论文铅酸蓄电池放电时,电解液中的硫酸不断减少,水逐渐增多,溶液比重下降。 铅 酸蓄电池充电时,电解液中的硫酸不断增多,水逐渐减少,溶液比重上升。 在实际应 用的过程和工作中,我们可以根据电解液的比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。2.5 阀控式铅酸蓄电池快速充电原理2.5.1 马斯定律 6-7阀控式铅酸蓄电池的充、 放

43、电是一个复杂的过程。 所以我们必须仔细研究这一过程。 影响可接受充电电流的因素有很多 , 比如电解液的浓度、 板栅材料、 活性物质、 环境温度 等。同时可接受充电电流也本质上有很大的区别 , 即使是同一类型、相同容量的蓄电池 , 放置时间的长短,历史状态的不同。美国人 J.A.MAS(马斯 ,早在 1967 年前,前提是以最低析气率为准,指出了蓄电 池可以接受的充电电流曲线和能够接受的最大充电电流。 38马斯提出的方程是:i =I 0e (2-4at -其中方程式中的 i 任意时刻 t 时蓄电池可接受的充电电流;I 最大初始可接受充电电流;0a 充电接受比; 图 2-1 蓄电池可接受充电电流曲

44、线第 2章 阀控式铅酸蓄电池充电原理的研究由图 2-1 可以清晰明了的看出:在刚开始的初始充电电流的时候电流很大,但是衰 减也很快。分析其中的主要原因就是因为充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池 的充电过程中,内部产生了大量的氧气和氢气。如果当氧气不能被及时的吸收时,便堆 积在正极板上,正极板产生氧气,如果电池内部压力加大,电池温度又随之上升。由于 在反应过程中, 缩小了正极板的面积, 表现的现象为内阻上升, 这就是所谓的极化现象。 马斯又提出 , 蓄电池在放电后 , 其充电接受比与放电容量的平方根成反比即:= K(2-5(其中 , k 为常数 , c 为放电容量 。可见 , 随放电深度而

45、变 , 放出电量越多 , 值越大 , 充电接受电流也越大。马斯还指出 ,对于任何放电深度的蓄电池 , 其充电接受比 与放电电流 I 的对数成正比 , 即D= K lg NI (2-6D(其中 K 、 N 均为常数明显可以看出 随放电率的不同而变化。按照马斯定律可知 : 在大电流的充电过程中 , 如果我们暂时地停止充电 , 或者在停止 充电过程中加入适当的放电脉冲 , 在一定程度上可以提高 , 使上述的可接受充电电流曲 线右移。这样我们就应该能提高充电速度 , 相应的缩短充电时间 , 达到快速充电的目的, 也是本次脉冲快速充电技术研究的理论依据。2.5.2 阀控式铅酸蓄电池脉冲快速充电策略 8铅

46、酸蓄电池充电速度慢的问题己经引起了人们的极大关注。 采用传统的标准恒电流 定电压充电方法,将处于完全放电状态的电池充满大约需要近 20个小时。根据铅酸蓄电 池自身的一些化学和物理特性 , 智能脉冲充电器将蓄电池的充电过程分为预充电、 快速充 电、补足充电和浮充 4 个阶段。应避免对新电池或者在充电初期处于深度放电状态的电池一开始充电就用大电流 充电。在充电过程中 , 电池内部会出现一种极化现象 , 极化的产生阻碍着充电的正常进行 , 并破坏电池内的活性物质 , 影响蓄电池的使用寿命。极化现象与充电电流的大小有关 , 充 电电流越大 , 极化现象产生的越快 , 且越严重 , 电池可接受的充电电流

47、逐渐减小。 因此 , 开始河北大学工学硕士学位论文时先用小电流充电 , 使蓄电池电压升高 , 待电池电压升高到能接受大电流充电的电压值时 再转用快速充电。为了达到快速充电的目的 , 就应在整个充电过程中始终采取去极化措施 , 同时去极化 措施应能自动适应各个充电时期的不同要求 , 自动确定脉冲去极化的时机。 脉冲去极化快 速充电电流的波形如图 2-2 所示 , 将充电电流分成三个等级 , 开始充电电流值较大 , 随着 蓄电池容量的增加 , 端电压升高 , 当蓄电池中单格电压达到一定值即停止第一级充电。进 入二、三级别的充电过程中 , 在保持充电电流脉冲周期不变的前提下 , 使充电电流的脉冲 幅

48、度随蓄电池端电压的升高而分级减小 , 采用这种方法可以有效地消除充电后期造成的 振荡现象及过充问题 。 图 2-2脉冲快速充电法电流波形图补足充电采用恒压控制 , 充电电流逐渐减小 , 当充电电流减小到某一限定值时转入浮 充阶段。所谓浮充就是为了补充蓄电池自放电所消耗的能量。第 3章 脉冲快速充电的电路设计第 3章 脉冲快速充电的电路设计3.1 脉冲快速充电的总体结构概述3.1.1 系统控制回路本设计中单片机选用美国 ATMEL 公司的 AT89C52,引脚与 MCS-51系列单片机相兼 容, 32个双向 I/O口, 3个 16位可编程定时 /计数器;可编程全双工串行通道,总共 8个中 断源;

49、低功耗空闲和掉电模式 LED , 8K 可反复擦写 (>1000次 Flash ROM,可编程串行 通道等特点。阀控式铅酸蓄电池充电系统控制回路包括电压反馈模块, 电流反馈模块, 光耦合器, A/D转换模块, D/A转换模块, IGBT 驱动模块, PID 调整,液晶显示,键盘控制等一系 列部分。其中的光耦合器是为了实现光-电和电-光之间的转换,模拟信号和数字信号 之间的隔离,起到了抑制交叉干扰的作用。而系统的监测部分包括电流和电压俩部分监 测,充电电路反馈的蓄电池的电压和充电电流做相应的处理后送入单片机的 A/D转换器 CS5460。在由单片机输出的充电电流控制值经过 D/A转换器 T

50、LV5625转换为模拟信号, 这样在与反馈电流做相应的比较,最后将输出的结果送到 IGBT 的驱动保护电路中。每 个部分负责不同的功能,这样能使得该阀控式铅酸蓄电池充电系统完整,达到预期的目 的。其系统控制回路原理框图如图 3-1所示。 3.1.2 系统的主回路系统的主回路包括4个功率IGBT, 一个阀控式铅酸蓄电池,以及IGBT的驱动器件IR2110,PID调节,分流器件等等。在电路的回路中,当电源的电流正方向通过蓄电池的时候,也就是T1和T4两个IGBT导通T2和T3截止的时候,即给阀控式铅酸蓄电池进行充电。当电源的电流反方向通过阀控式铅酸蓄电池的时候,也就是T2和T3导通T1和T4截止的

51、时候,给蓄电池进行了放电的过程。系统的主回路原理框图如图3-2。 3.1.3 系统的PID调节系统的PID调节主要包括电流给定,电压给定,以及电流反馈和电压反馈。在电流给定的一端,输入一定的电压值,经过一个反相比例运算电路,也就是在集成运放电路的输入端输入之后,电压变为负电压,将与输入的正向电压进行叠加到一点几乎为0,在进行电流反馈。然后在经过一个积分运算电路。刚开始的时候电压很小,但是随着时 间的延长,电压值越来越大,当大到一定数值时,调整到固定电压,使得二极管导通。二极管钳位保护电路是指由两个二极管反向并联组成,一次只有一个二极管导通,而另 一个处于截止态,正反向压降被钳制住,二极管导通正

52、向导通电压降在0.5-0.7以下,从而起到保护电路的作用。而在电压给定处也同样给定一个固定电压,经过一个电压跟随器,在经过PID调节,进行电压反馈。系统图如图3-3所示。 3.2 脉冲快速充电的各部分硬件电路详解3.2.1 微控制器AT89C529 根据系统设计的需要,我们最后选中了ATMEL 公司的AT89C52 作为控制系统的 核心。下面对这一单片机进行一下详细描述,AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器,它使用了Atmel 公司高密度非易失 性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在

53、系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52 单片机也适用于许多较复杂系统的控制应用场合。在本系统中微控制器AT89C52处于核心的控制地位,阀控式铅酸蓄电池脉冲快速充电设计中的所有控制功能,都是通过对其编程实现的,它去控制其他辅助器件的工作完成,所以它就是整个系统的灵魂所在。 下面我们对它的主要性能就行描述: 8k 字节可重复擦写Flash 闪速存储器 32 个可编程I/O 口线 8 个中断源 3 个16 位定时/计数器 256×8 字节内部RAM

54、1000 次擦写周期与MCS-51 产品指令和引脚完全兼容全静态操作:0Hz24MHz可编程串行UART 通信低功耗空闲和掉电模式三级加密程序存储器3.2.2 点阵图形液晶显示模块接口电路单元1.点阵图形液晶显示模块的电路特性T6963C10液晶作为一种显示器件,以其特有的优势正在广泛应用于好多产品中。例如仪器、仪表、电子设备等低功耗的一些产品中。液晶能清晰明了的让人们看的清楚,便于分析。以往的测控仪器的显示部分大都采用LED式液晶显示屏进行参数设定和结果显示,其显示信息量少、形式单一、人机交互性差、操作人员要求较高。而液晶显示器(LCD具有好多优点,功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程驱动等

55、其他显示方式无法比拟的优点,不仅可以显示数字、字符,还可以显示各种图形、曲线、及汉字,并且可实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能;人机界面更加友好,使用操作也更加灵活、方便,使其日益成为智能仪器仪表和测试设备的首选显示器件。本系统中采用的是内置T6963C 图形液晶显示控制器的YLF-240128 点阵式液晶显示模块,它不但可以显示数字、字符,而且可以显示汉字及图形曲线,实现了在智能仪表操作过程中的人机对话。T6963一般介绍:1、与80 系列8 位微处理器直接接口。2、内部具有128 个字符的ROM 字符发生器。3、6963C 物字体由硬件设置,其字体有四种:5×8

56、、6×8、7×8、8×8。4、可对8K Byte 的显示RAM 内存操作5、字符与图形可同时显示, 可以选择“OR”,“AND”,“EXOR”方式6、6963C 的占空比可从1/16 到1/128。内置T6963C 控制器型液晶显示模块的驱动控制系统主要包括以下几部分:行驱动器组、列驱动器组、液晶驱动偏压电路、液晶显示控制器T6963C 及周边电路。T6963C 的最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能,一些显示驱动参数如驱动传输字节数、占空比系数、行及字符的字体选择等均可由硬件设置。T6963C 支持可用图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示,并支持屏拷

57、贝功能共4种字体显示方式。图形点阵式液晶T6963显示模块结构如图:11 2.单片机AT89C52与T6963C液晶显示模块的接口电路12我们常用的单片机AT89C52与T6963C液晶显示模块的接口通信通常共有两种接口方式。第一为直接访问方式直接访问方式就是将液晶显示模块的接口作为存储器或I/O 设备直接挂在计算机总线上,计算机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。这种接线方式的优点在于通过复用为数据总线的P0口来访问液晶显示器,不需 占用CPU的其它引脚,节约了资源。但是P0口带负载能力有限,实际应用中可能需要加上缓冲电路。第二为间接控制方式简接控制方式就是计算机通过自身的或系统中的并行接口与液晶显示模块连接,如8031的P1和P3口,8255或Z80-PIO等并行接口芯片以及像74LS373类的锁存器等。计算机通过对这些接口的操作,以达到对液晶显示模块的控制。这种方式的特点是电路简单,控制时序由软件实现,可以实现高速计算机与液晶显示模块的接口。本设计的屏幕操作显示电路部分中,采用的是直接访问方式,这样清晰明了。接口电路如图3-5所示: 图3-5 液晶屏接口电路在图中使用了地址线DB0-DB7作为模块的寄存器选择线,是8位双向数据线,和单片机的数据口P0口直接相连。单片机的C/D接口用于选择对液晶屏幕是进行数据操作还是指令操作,其中当C/D=1为指令通道,C