1、碩士研究生學位論文開題報告題目：車用蓄電池智能充電系統研究與開發學 院：汽車工程學院專 業：車輛工程學 號：M060113131姓 名：賈鵬導 師：羅素云日 期：2014年11月26日研 究 生 處 制9摘 要傳統的蓄電池充電器結構簡單、充電方法單一，無法根據蓄電池的荷電狀態調整充電方法，達到蓄電池容量的完全恢復，沒有對蓄電池充電過程的監測、保護及修復等功能。近年來，隨著數字信號處理技術的日益完善，微控制器的性價比不斷提高，數字控制的蓄電池充電系統可以實現各種復雜的充電控制方法，而且能夠對蓄電池的充電過程進行監控和顯示，提高了系統的靈活性，在高效充電的同時延長了蓄電池的使用壽命。本選題設計了一

2、種車用蓄電池智能充電系統。主要研究內容有：（1）直流電源模塊電路設計；（2）蓄電池檢測電路設計；（3）充電器保護電路設計；（4）控制電路、操作及顯示界面設計；（5）蓄電池充電控制策略設計；（6）蓄電池充電過程的C語言編程實現。關鍵詞：蓄電池；控制策略；充電控制正 文1. 選題的來源、背景和意義1.1選題來源選題來源于企業1.2選題背景和意義蓄電池在實際應用中遇到的最大問題是其使用壽命遠遠達不到設計壽命。設計壽命在10-15年的蓄電池，在實際使用時大都在3-5年便損壞，有些甚至不到一年便失效了，這不但影響了電力系統的可靠性，而且還造成了重大的經濟損失。蓄電池的使用壽命由多方面的因素決定，包括蓄電

3、池本身的物理性能、使用環境、監控管理方式和充放電控制等。通過對過早失效的蓄電池進行統計及分析發現，大部分都是由于充放電控制不合理而造成的。因此，要提高蓄電池的壽命，最重要的是使用合理的充放電方法對蓄電池進行充放電。如何高效、快速、安全地對蓄電池進行充放電控制，一直是人們關心的問題。雖然蓄電池問世至今已有100多年的歷史，但是由于技術條件的限制，目前很多的充電器仍然采用傳統的充電方式，在使用這些傳統充電方法的充電過程中，鉛酸蓄電池大多存在著的過量充電和析氣等現象。在一定程度上縮短了蓄電池的使用壽命，給使用者造成了一定的經濟損失。對于蓄電池使用者來說，蓄電池的管理維護固然重要，但高效、無傷害的充電

4、裝置更是對提高蓄電池的使用效率、延長其使用壽命起著非常關鍵的作用。因此，既能提高能量利用效率，加快充電速度，又不影響鉛酸蓄電池使用壽命的新型高效、快速、無損的充電技術成為現代電力電子技術備受關注的研究方向。隨著蓄電池在新能源開發中的廣泛應用，對蓄電池的充電方法和充電裝置都提出了新的要求，研究并設計一種快速、高效、安全的蓄電池充電系統成為一項很重要的任務。對蓄電池充電的改進可以從兩個方面考慮，一是蓄電池的充電方法，二是蓄電池的充電裝置。隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術以及自動控制技術的發展，蓄電池的充電控制方法和充電裝置的研究也越來越廣泛，這兩個方面的研究設計對光伏發電、電動汽車等新興綠

5、色環保產業的發展具有非常重要的意義。近年來，隨著微控制技術的不斷發展，由單片機控制的蓄電池充放電系統，能夠滿足各方面的要求。比如，可以實現各種復雜的充放電方法，有檢測和保護模塊對充電過程進行實時監測。減小了裝置體積，在提高充電速率的同時還能延長蓄電池的實際使用壽命。2. 文獻綜述2.1國內外蓄電池充電方法的研究現狀從蓄電池充放電的研究歷程來看，其技術的發展經過了一個漫長的過程。早在1887年，Peukert就已從兩種速率的放電狀態中預測到各種速率放電時的放電容量，但他對充電領域的研究分析較少。1935年，Woodbrode發現了充電對溫度的敏感性，并注意到電池充電時所要求的指數特性。1967年

6、美國科學家馬斯研究了充電過程中析氣的問題，找出了析氣的原因和規律。他以最低析氣率為前提，提出了以最低析氣率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線，如圖1所示。圖1 蓄電池最佳充電電流曲線在充電過程中任何時間t的蓄電池可接受電流值可表示為：式中，為 t = 0時最大初始電流值，為任意時刻蓄電池可接受電流值，為衰減常數表示蓄電池充電電流接受比。 如果充電電流按該條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對蓄電池的容量和壽命也沒有影響。大于該指數函數曲線規定的任何充電電流，均不能提高充電效率，而只會增加析氣量；反之，小于該指數函數曲線規定的任何充電電流只會增加充電時間。馬斯提出的最佳充電電流曲線是各種充電方

7、法的理論基礎。按照該理論，充電過程中，若充電電流按馬斯曲線的規律變化，既可以縮短充電時間又能保證蓄電池較低的析氣率。然而事實上蓄電池充電過程中的充電電流不可能完全按照最佳充電電流曲線的規律變化，因此當前的各種充電方法都是讓蓄電池的充電電流盡可能地模擬或者接近最佳充電電流曲線。隨著人們對蓄電池充電問題的日益重視，蓄電池充電方法的研究得到了較大的發展，目前已經出現了許多種蓄電池的充電方法：（1）恒流充電方法恒流充電就是以恒定不變的電流對蓄電池進行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進行電流調整，使充電電流恒定不變。這種方法特別適合于由多個蓄電池串聯的蓄電池組進行充電。當蓄電池組中有個別電池電壓

8、低時，能使落后蓄電池的容量便于得到恢復，特別適用于小電流長時間的充電模式。恒流充電時充電電流和蓄電池端電壓的變化曲線如圖2所示。圖2 恒流充電曲線這種充電方式的不足之處是：蓄電池的充電電流恒定，在蓄電池充電初期充電電流可能偏小，充電后期充電電流又偏大，蓄電池端電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，蓄電池析氣較多。（2）恒壓充電方法恒壓充電就是以恒定不變的電壓對蓄電池進行充電。在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流較大，但隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流逐漸減少。在充電末期只有很小的充電電流，這樣充電過程中就不必調整電流。相對恒流充電來說，恒壓充電方法的充電電流自動減小，所以充電過程

9、中蓄電池析氣量小，充電時間短，能耗低，蓄電池恒壓充電時充電電流和端電壓的變化曲線如圖3所示。圖3 恒壓充電曲線這種充電方法不足之處在于：充電初始電流過大，對處于過放電的蓄電池進行充電時，會引起初期充電電流過大，易造成被充蓄電池過流甚至充電設備的損壞等情況。充電過程中，由于不能調整充電電流的大小，因此不適用于蓄電池的初始充電；恒壓充電的關鍵之處在于選擇合適充電電壓。若充電電壓過高，會引起充電初期充電電流過大，嚴重時會引起極板彎曲、活性物質大量脫落以及蓄電池溫升過高等危害；充電電壓過低則會使蓄電池充電不足，導致容量降低、壽命縮短。（3）浮充充電方法在浮充方式中,電池以很小的電流（C/30C/20）

10、進行充電,以使電池保持在滿充狀態。浮充方式廣泛應用與電池作為備用電源或應急電源的電氣設備中。（4）階段式充電法階段式充電是指恒流和恒壓分階段進行，一般分為二階段充電法和三階段充電法。二階段、三階段充電都是為克服恒流和恒壓充電的缺點而結合的一種充電策略。二階段、三階段充電曲線如圖 4所示。圖4 二階段和三階段充電曲線二階段充電法采用恒流和恒壓相結合的充電方法。首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達一定容量后，然后采用恒壓方式進行充電。這樣蓄電池在初期充電不會出現很大的電流，在后期也不會出現高電壓，使蓄電池產生析氣。三階段充電法比二階段充電方法多了第三階段的恒壓浮充階段。當電流衰減到預定

11、值時，由第二階段轉換到第三階段。第三階段以一較低的恒定電壓對蓄電池充電。這種充電方法結合了恒壓充電和恒流充電的優點，既避免了恒壓充電在起始階段給蓄電池造成的瞬間大電流沖擊，又避免了大電流恒流充電可能帶來的過充電現象，而且第三級小電流充電可以保證在不損壞蓄電池的基礎上能夠最大程度地使蓄電池充滿電。這種方法比較有效地模擬了鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，起到了良好的充電效果。（5）快速充電法前面介紹的幾種蓄電池充電方法都是比較常規的充電方法，這些充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時間較長，給實際使用帶來許多的不便。為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學反應速度，縮短蓄電池達到充滿狀態的時間，同時，保

12、證蓄電池正負極板的極化現象盡量地少，提高蓄電池的充電效率，國內外一直都在不斷地研究和開發快速充電方法和技術，快速充電技術近年來得到了迅速發展。主要有以下兩種：1）脈沖式充電法脈沖充電方式首先用脈沖電流對蓄電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環，對蓄電池進行充電。脈沖充電的電流曲線如圖5所示。充電脈沖對蓄電池進行充電，而間歇停充期間使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池能夠吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有充分的反應時間，減少了蓄電池的析氣量，提高了蓄電池的充電

13、電流接受率。圖5 脈沖充電曲線2）Reflex快速充電法這種技術是美國的一項專利技術，它主要的充電對象是鎳鎘電池。鉛酸蓄電池的充電方法以及充電狀態的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒，互作參考。Reflex快速充電法實際是對脈沖式充電法的改進。它在脈沖式充電法的基礎上加入了反向放電，大大減弱了蓄電池充電時的極化現象，增大了蓄電池可接受充電電流。因此能夠減少蓄電池的快速充電的時間。圖6所示為Reflex快速充電的電流曲線，在脈沖充電的之后加入了一定時間的反向放電過程，然后再停充一段時間，這種方法可以增大蓄電池的充電電流，縮短蓄電池的充電時間。圖6 Reflex快速充電曲線3.

14、 研究內容和創新點3.1研究內容本選題在總結國內外蓄電池充電方法的基礎上，運用電力電子技術、微電子技術、計算機技術以及自動控制技術設計一套蓄電池充電系統。主要研究內容有：（1）直流電源模塊電路設計（2）蓄電池檢測電路設計（3）充電器保護電路設計（4）控制電路、操作及顯示界面設計（5）蓄電池充電控制策略設計（6）蓄電池充電過程的C語言編程實現3.2創新點（1）采用多階段充電控制策略，與傳統蓄電池充電器結構簡單，充電方法單一的情況相比，能夠有效減小充電過程對蓄電池的損壞。（2）根據蓄電池的荷電狀態調整充電方式，實現高效充電的同時延長蓄電池的使用壽命。（3）對蓄電池的充電過程進行監測、顯示及保護，提

15、高充電過程的可靠性和安全性。4. 研究方法和設計方案4.1研究方法運用電力電子技術、微電子技術、計算機技術及自動控制技術等學科知識，理論聯系實踐完成蓄電池智能充電系統的輸入電路、檢測電路、保護電路、控制電路及顯示電路的設計。4.2設計方案根據充電系統的功能和技術要求，對蓄電池充電系統的總體方案進行設計，系統總體結構如圖 7所示。在系統的總體設計中，將系統分為若干個部分，主要由檢測電路、直流電源模塊、充電控制電路、保護電路、顯示電路和單片機等部分組成。對各個部分分別進行硬件設計與實現，單獨調試后再進行系統的整體組裝調試。圖7 蓄電池充電系統總體結構框圖5. 研究重點、難點及解決方案5.1研究重點

16、、難點（1）直流電源模塊電路設計直流穩壓電源是電子設備中最基本、最常用的儀器之一。它作為能源，可保證電子設備的正常運行，蓄電池放電之后，只能接直流電對其進行充電才能恢復其工作能力。（2）系統檢測電路設計系統檢測電路主要由電壓檢測電路、電流檢測電路組成。可靠的檢測電壓和檢測電流是控制電路有效工作的基礎和依據。（3）蓄電池充電控制策略設計及充電過程的編程實現本文采用多階段充電控制策略，這些控制策略依賴于C語言軟件編程實現，是整個充電控制系統的核心部分。5.2解決方案（1）系統了解直流穩壓電源結構，在理解整流橋式電路工作原理、濾波電路工作原理和穩壓電路工作原理等必要知識的基礎上根據蓄電池充電系統的實

17、際需求設計直流電源模塊電路。（2）分析充電電壓、充電電流以及溫度等參數的特點和檢測精度，通過選擇合適的傳感器和設計可靠的檢測電路完成對系統必要參數的檢測。（3）根據多階段充電控制策略的具體要求選擇合適的算法，通過C語言軟件編程實現。6. 完成學位論文的計劃安排（1）2014.11-2014.12撰寫開題報告，進行開題答辯。（2）2015.1-2015.4根據充電系統的功能要求和技術指標，對蓄電池充電系統的總體方案進行了設計。（3）2015.4-2015.9根據蓄電池的基本工作原理和特性，確定蓄電池充電系統所采用的充電控制策略，完成了蓄電池充電系統的硬件設計與實現。（4）2015.5-2015.

18、10完成了蓄電池充電系統的軟件設計與實現，進行蓄電池充電系統的整體組裝和調試。（5）2015.9-2015.12 畢業論文撰寫。7. 經費落實情況經費來自企業8. 預期學術成果及應用價值（1）完成碩士研究生學位論文。（2）完成蓄電池智能充電系統，為蓄電池充電的相關研究提供一個可靠的開發流程和設計方案。9. 參考文獻1楊幫文.實用電池充電器與保護器電路集錦.北京:電子工業出版社,2001.2侯聰玲,吳捷,李金鵬.蓄電池充電方法的研究.電源技術,2004,12(4):64-66.3桂長清,郭麗.實用蓄電池手冊.北京:機械工業出版社,2010.4歐玉珍,王天培.鉛酸蓄電池充電器電路設計研究.產業與科

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