蓄电池充放电的管理装置的设计(新品)

摘要
在蓄电池问世以来一百余年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便的存储与提供电能，且具有可逆性好、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、使用及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营活动中不可或缺的重要产品。在大力提倡环保节能、使用绿色能源的今天，蓄电池将具有更加广阔的发展应用前景。
为了满足对各类不同蓄电池充电的要求，获得更好的充放电效果，目前世界各国都在积极研究新型的智能化充电技术与设备，以满足工农业生产、社会应用和国防建设的实际需要。
本文首先综述了蓄电池及其充放电机的发展动态，蓄电池的性能、特点及其相关知识。然后以大功率铅酸蓄电池的充放电为模型，设计了一套蓄电池充放电管理系统。
系统以8051单片机作为主控机，通过采用按照PID控制理论设计的硬件调节电路实现对蓄电池充放电过程的恒流控制与调整。本论文完成了智能充电机的硬件电路的设计，包括对主回路、单片机的硬件设计：通过采用具有高共模抑制能力的差动放大器INA148实现对单个蓄电池端口电压的测量；通过采用新颖的线性光藕隔离电路实现对蓄电池充放电电流的隔离测量；通过采用ADC0809实现对蓄电池的充放电电流和电压的AD转换，采用TI公司生产的模数转换器TLV5636与电压基准REF3020构成模数转换单元，利用MCS-51汇编语言对单片机进行编程。从而使设计的系统具有测量精度高、工作效果好、体积小、功率大的显著特点。
关键词：蓄电池，充放电，管理装置

The Studying of The Controlling Equipment for Battery Charging and Discharging
Abstract
Storage battery has been invented and used for nearly one hundred years. Storage battery----an energy converter to store and supply power conveniently, is an essential part of social production activities and widely used with many characteristics and advantages such as good invertibility, stable voltage, long life, wide application, low cost, as well as abundant raw material&renewable raw material. Nowadays we are more concerned with environment protection and energy conservation, so battery will have a great development space and prospect.
In order to meet charging demands a variety of battery and achieve better effect of charging&discharging, researchers in many countries are devoting themselves to study on new-type intelligent charging technology and device due to great application demand in agriculture, industry, social life and national defense construction.
First, This article investigates the developments of the storge battery and storage battery intelligent charging and discharging system. Afterward, an intelligent high-power system for battery charging and discharging is designed, based on high-power battery as a model.
The 8051 SCM is used the master computer of the system. Hardware control circuit of PID principle is used for constant current control in the process charging/discharging. The article designed the hardware of the circuit and PC: high common-mode voltage difference amplifier INA148 is used for measurement of battery cell pole voltage,a novel linear photoelectric isolation circuit is used for current isolation measurement of charging and discharging; ADC0809 is used for the charging of the battery pole voltage and current, TLV5636 and REF3020 is used for the DA . The assemble language, calling MCS-51, is used for design of PC program . Therefore, the system is charactered by high accuracy, efficiency, compact size, large power.
Key Words: Storage Battery， Charging and Discharging， Controlling Equipment

本系统的面向对象动力和照明所用的铅酸蓄电池。蓄电池作为大型动力机器的主要的动力源和照明源，因此每天都要对数百个大功率蓄电池进行充电，以储存维持工作所需的电能，同时还要按照一定的时间周期对这些蓄电池进行维护性放电作业，以保证其维持良好的储能效果。因此充放电过程对于蓄电池来说是十分重要的，但在以往的蓄电池实际使用中，往往过分强调蓄电池的放电能力和使用寿命，常常忽略了蓄电池充放电过程对其产生的严重影响。事实上，经过多年研究表明，蓄电池的充电和放电过程是蓄电池使用效果和使用寿命最为重要的影响因素。所以充放电的好坏无论是对蓄电池的使用效果，还是对蓄电池的使用寿命都是非常重要的。
因此本课题以大功率的铅酸蓄电池充放电为模型，设计了一套蓄电池的智能化充放电管理装置。以实现对2.35V 100A容量蓄电池进行充放电测量和控制，即最终完成的充放电管理系统是以8051单片机为主控单元，配合电压电流的采样及测量单元，通过PI闭环调节控制蓄电池恒流充放电，从而实现蓄电池的充放电管理。

针对蓄电池充/放电的过程中电压信号与电流信号的测量与控制问题，在研究设计过程中，通过对其充放电方法及测量与控制技术的研究，以大功率蓄电池充放电为模型，完成了对蓄电池进行充放电测量与控制能力的智能型大功率蓄电池充放电管理装置的设计，其中主要完成了以下几方面的工作：
(1)通过对蓄电池充放电方法的研究，提出了大功率蓄电池的智能型充放电测量与控制设备的设计方案；
(2)通过合理设计电路，以普通光藕实现了对电流信号的隔离测量，较好的解决了采用单一AD测量两种变化范围相差较大的信号的测量问题；
(3)通过采用模块单元设计的方式，提高了系统设计的通用性和可行性，有力的保证了该设备的实际应用。
通过课题的设计，较好的解决了蓄电池充放电测量与控制的实际问题，系统的测量精度与控制精度均较为理想，取得了较好的应用效果，该课题的完成将极大的改善各大舰船中大功率蓄电池的充放电条件，提高蓄电池生产企业生产工艺与产品质量水平，将有力的推动蓄电池的进一步应用。

目 录 24000字
摘要 III
Abstract IV
第一章 绪论 1
1.1蓄电池及其应用和发展 1
1.1.1蓄电池及其发展状况 1
1.1.2蓄电池在各个领域的应用 1
1.2常用蓄电池的使用维护 2
1.2.1蓄电池(组)的充电方式 2
1.2.2充放电技术的发展及现状 4
1.2.3 蓄电池的主要故障及其形成机理 5
1.2.4课题简介 6
第二章 铅酸蓄电池的基本概念及工作原理 7
2.1电池的种类和特性 7
2.2密封铅酸蓄电池的工作原理 8
2.2.1 铅酸电池的内部结构 8
2.2.2 铅酸电池内部CeI I的连接方式 9
2.2.3 铅酸电池的化学原理 9
2.3铅酸蓄电池的基本概念 10
2.3.1电池单元，单个电池 10
2.3.2放电速率(Discharge Rate) 10
2.3.3电池的终止电压和过放电、电池的过充电 11
2.3.4电池容量 11
2.3.5充电状态( State of Charge：SOC ) 12
2.3.6放电深度(Depth of Discharge：DOD) 12
2.3.7充电深度(Depth of Charge：DOC ) 12
2.3.8电池的内阻和极化现象、电池的老化 13
2.3.9循环寿命(Cycle Life) 13
2.3.10自放电现象(Self-Discharge) 14
2.3.11电池的记忆效应 14
2.3.12 相对比较是判断单体蓄电池的简单有效方法 14
2.3.13 蓄电池的预防和维护措施 15
第三章 主电路的设计 16
3.1功率单元方案比较与选择 16
3.1.1三端集成可调稳压器件构成的功率单元 16
3.1.2大功率开关电源构成的功率单元 16
3.1.3晶闸管移相调压模块构成的功率单元 17
3.2功率单元选择与设计 17
第四章 充放电电流、电压信号的采样及测量 19
4.1充放电电流的采样 19
4.2蓄电池端口电压采样 19
4.2.1并联分压电阻网络 19
4.2.3差动放大器实现电压采样 19
4.3光藕隔离电路 21
4.4 充放电电流、电压的测量 22
第五章 蓄电池的充放电控制 24
5.1蓄电池恒流充放电控制实现的基本思想 24
5.2 PID控制方法的基本原理 24
5.3控制器P、I、D项的选择 26
5.4蓄电池恒流充放电控制过程与实现 27
5.4.1实现原理 27
5.4.2蓄电池恒流充放电硬件PI调控电路与参数整定 27
5.5 DA转换电路的设计与选择 28
第六章 单片机接口部分电路及系统程序设计 31
6.1 单片机与接口部分电路 31
6.2 系统程序设计 32
结论 36
参考文献 37
致谢 38