电力电子与电力传动硕士论文-铅酸蓄电池快速充电器的设计.doc
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1、铅酸蓄电池快速充电器的设计Design of Lead-Acid battery fast charger学科专业:电力电子与电力传动 研 究 生摘 要本文分析了铅酸蓄电池的特性以及国内外充电技术的发展现状,指出提高铅 酸蓄电池充电速度的关键是消除充电过程中电池的极化现象,在目前已有充电方 式的基础上采用了脉冲充电与变电压充电相结合的脉冲式变电压充电方式,使充 电曲线最大程度的模拟麦斯最佳充电曲线,尽可能的提高电池充电速度。本文设 计的快速充电系统在充电前期采用脉冲式变压快速充电方式,充电后期采用恒定 小电流补足充电,达到快速充电的目的。 考虑到铅酸蓄电池充电是一个复杂的电化学反应过程,充电控
2、制系统是一个 非线性的、时变的、有干扰的控制系统,所以本系统引入模糊控制,在控制方法 上采用 Fuzzy-PI 混合控制方式,将模糊控制和 PI 控制的优点结合起来,力求达 到最优控制效果。 铅酸蓄电池快速充电系统成功的实现了数字化控制,以 MC56F8013 作为控 制系统的核心处理单元,实现数据采集、模糊算法、脉冲驱动以及人机接口的功 能,采用高频开关电源实现充电电源,组建了充电系统的硬件平台。同时,为了 减小对电网的污染,提高系统效率,本充电装置具有功率因数校正功能。 在理论分析的基础上,应用 Simulink 仿真软件对充电控制系统进行了建模仿 真,仿真结果表明,基于 Fuzzy-PI
3、 混合控制的充电控制系统具有良好的动态性 能,控制效果理想。同时,对功率因数校正电路和开关电源电路进行了实验调试, 实验结果表明,系统的功率因数大大提高,并且可以得到相对稳定的直流电压输 出,具有良好的实际应用前景。关键词:铅酸蓄电池;快速充电;功率因数校正;Fuzzy-PI 混合控制; MC56F8013IABSTRACTIn this paper, we analyzed the characteristics of Lead-Acid batteries and the development status of charging methods domestic and oversea
4、s, pointing out that the key to improve charging speed of Lead-acid batteries is to eliminate the polarization of batteries during charging process. We suggested the pulse variation-voltage charging method on the basis of current charging method which combine the variation-voltage charging method wi
5、th the pulse charging method. The charging curve analog J.A.Masoptimal charging curve maximum, so the charging speed is raised as much as possible. The fast charging system we design in this paper were charged with pulse variation-voltage charging method in the first charging stage, and in the secon
6、d charging stage it was charged with constant small current to complement the remainder charge, achieving the purpose of fast charge. Considering that the charging process of Lead-acid batteries is a complex process of electrochemical reaction, the charging control system is a non-linear, time-varyi
7、ng, and interfered control system, so we introduce fuzzy-control method,we use fuzzy-PI hybrid control method, which combine the advantages of both fuzzy-control method and PI control method, trying to achieve the optimal control effect. Fast charging system of lead-acid batteries achieving digital
8、control successfully, MC56F8013 was used as core unit of control system, realizing data collection、 fuzzy algorithm 、 pulse-driven and man-machine interface functions. high-frequency switching power source was used as charging power source, we set up a hardware platform of charging system. Additiona
9、lly, we added power factor correction circuit to reduce pollution to power system and to improve system efficiency. On the basis of theoretical analysis, we set up models about charging control system and carried on simulation using Simulink software. The simulation result shows that the charging co
10、ntrol system based on Fuzzy-PI hybrid control put up good dynamic performance and the control results are satisfactory. At the same time, we take on experiments on the power factor correction circuit and the switching power source circuit, the experiment results show that the power factor was highly
11、 raised and we get relative stable DC voltage output, which with preferable prospects for practical application.IIKEY WORDS:Lead-acid battery, fast charge, power factor correction ,Fuzzy-PI hybrid control, MC56F8013III目 录第一章 绪论.1 1.1 选题目的、背景和意义.1 1.2 铅酸蓄电池充电技术及模糊控制的国内外发展状况.2 1.2.1 充电技术的发展状况.2 1.2.2
12、模糊控制的发展状况.2 1.3 铅酸蓄电池的微观充电特性.4 1.3.1 蓄电池充电过程中的化学反应.4 1.3.2 铅酸蓄电池的基本概念.5 1.3.3 阀控密封铅酸蓄电池的充电技术要求.6 1.3.4 蓄电池充电过程中的极化现象.7 1.4 本课题主要研究任务.8 1.5 本章小结.8 第二章 铅酸蓄电池的快速充电理论.9 2.1 铅酸蓄电池传统的充电方法.9 2.2 铅酸蓄电池快速充电原理.11 2.3 几种蓄电池的快速充电方法.12 2.4 充电控制技术.14 2.5 本充电装置的设计方案.15 2.5.1 系统的技术指标及基本功能.15 2.5.2 充电方法及控制技术的选择.15 2
13、.5.3 充电系统整体结构.16 2.5.4 充电方法的控制与实现.17 2.6 本章小结.17 第三章 充电装置的硬件电路设计.18 3.1 功率因数校正电路.19 3.2 高频开关电源的设计.21 3.2.1 反激式变换器工作原理.22 3.2.2 开关电源工作原理.24 3.2.3 变压器的设计.25IV3.3 数字控制系统的设计.27 3.3.1 控制器的选择及总体结构.27 3.3.2 电压采样电路设计.30 3.3.3 电流采样电路设计.31 3.3.4 温度采样电路.31 3.3.5 斩波电路.32 3.3.6 脉冲驱动电路.33 3.4 本章小结.35 第四章 基于Fuzzy-
14、PI算法的模糊控制器设计.36 4.1 模糊控制理论.36 4.1.1 模糊控制原理.36 4.1.2 模糊控制器的设计步骤.37 4.2 Fuzzy-PI混合控制算法.39 4.2.1 PI控制器的设计 .40 4.2.2 模糊控制器的设计.41 4.3 本章小结.44 第五章 充电装置的软件设计.45 5.1 主程序工作流程.45 5.2 实时时钟中断程序设计.47 5.3 PWM控制策略的实现 .48 5.4 本章小结.49 第六章 系统仿真与实验.50 6.1 MATLAB简介 .50 6.2 充电控制系统仿真模型.50 6.3 功率因数校正及开关电源实验结果.54 6.3.1 功率因
15、数校正电路实验分析.54 6.3.2 开关电源实验结果.56 6.4 本章小结.56 结束语.57 参考文献.59 发表论文和参加科研情况说明.62 致 谢.63V第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题目的、背景和意义随着蓄电池的发展,充电技术也在不断提高,蓄电池充电技术的发展经过了 一个漫长的过程,从传统的恒流充电、恒压充电、恒压限流充电,发展到现在的 智能充电,充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求,更重要的是提高 了充电质量,延长了蓄电池的使用寿命。 铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点,因此广泛应用于国 防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池
16、有密 封好、无泄漏、无污染等优点,能够保证人体和各种用电设备的安全,而且在整 个寿命期间,无需任何维护,从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。但免维 护电池对充电技术的要求也更为严格,国内外实践证明,免维护电池浮充电压偏 差 5%,电池的寿命将减少一半,工业生产中因为充放电控制不合理而损坏的电 池占相当大的比例,造成了极大的浪费。传统的充电技术不仅充电时间长,不能 适应现代生产和生活的需要,而且大多不能精确控制充电程度,使电池不能发挥 最大效能,缩短了使用寿命1。 目前大多数充电器均采用传统控制方法,传统控制方法是建立在精确的被控 对象数学模型的基础之上,其调节效果取决于控制器参数的整定,但是
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