智能观光车自动充电装置的制作与控制技术研究

机械工程学院CDIO项目执行报告智能观光车自动充电装置的制作与控制技术研究1引言1.1项目背景电动车作为一种新型的绿色交通工具，在今年来得到了飞速的发展，同时并呈现出向高速化、大功率化、功能多样化发展的趋势。因此，电动车对于车载蓄电池的使用寿命、蓄电能力等性能也提出了更加严苛的要求。铅蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛用于国防、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由于密封性好、无泄漏、污染小等优点得到了广泛的应用。实验研究表明：影响蓄电池性能的因素多种多样，如电动车的装配性能、行驶电流、充电策略等。其中蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。然由于充电方法的不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。所以，必须通过设计合理的充电方式以有效地减少蓄电池的损伤、减少充电消耗、提高充电速度。1.2市场现状智能型铅酸蓄电池充电器是一种不同于使用常规充电方式的一类充电器，其主要特点是：利用微处理器实时监测电池外部参数和充电器自身输出，依据电池参数推测出电池当前状态和此时可接受的充电电流，并使充电器输出快速跟踪可接受电流、电压，从而提高充电效率。现在市场上号称“智能”的充电器很多，但主要可以分为以下三类[1]：1）在原有常规充电器上改进而来的智能充电器。其主要表现为充电器本身改进不大，只是在充电器上采用不同的常规充电方式。如在恒流充电过程中，加入电压限定，或者在恒压充电过程中，引入电流保护，或者是在充电器中是几种常规充电方式的组合，如恒流-恒压充电器等。2）在原有常规充电器上引入部分快速充电方式的智能充电器。其主要表现为在常规的恒流充电、恒压充电过程中，引入像脉冲充电、温度控制等快速充电过程，从而提高充电器充电效率。但是此种充电器只是简单的进行充电过程的叠加，并没有分析电池的当前状态，因此其提升的效率是有限，并且不具有一些保护功能。3）在常规充电器上加入更多的保护和警示功能。其主要表现为在传统的充电器基础上，进行硬件叠加，引入像电池接反、电池欠压等一些保护功能，并利用报警设备发出报警。此种充电器从本质上说，其实不算真正的智能充电器，只是使用户使用更加方便，并且可以在电池与充电器连接过程中出现异常时，对电池和充电器进行保护。以上可以看出，现有的大多数所谓“智能充电器”，也只是简单的多充电阶段组合的充电器。因此，在铅酸蓄电池迅速推广的今天，一种适合市场的新型智能充电器，不仅具有现实的巨大经济利益，而且也可以减小电池对环境的损害。1.3项目简述基于此，本组CDIO创新项目提出了一种用于电动观光车的铅蓄电池的智能充电设计方案。采用先进的三段式充电控制方法，能有效的提高充电效率，延长电池的使用寿命。本次设计方案中包括直流充电阶段、间歇式脉冲充电、涓流充电三个阶段。同时，主要的内容包括电压的检测，充电阶段的选择，同时还包括充电保护电路设计。本次充电电路设计针对的具体对象为一辆电动观光车上的铅蓄电池。电池电压为48V，由6个8V的铅蓄电池组合构成。因此，在充电过程中还需要考虑充电平衡的问题。通过对三个充电阶段的划分，充电阶段的智能控制，以及电路保护等模块，我们进行了本次设计的具体实施。完成了主要电路的电路板设计、焊接、调试。本次设计的充电电路还有一些细节上的问题。但是，对于以后的开发使用具有指导意义。2构思2.1项目简述本次设计针对一个由6个8V谦虚电池构成的蓄电池组充电问题。问题要求包括：实现铅蓄电池的快速充电、延长铅蓄电池的使用寿命、充电过程中对电池进行保护。所以，针对以上问题，我们也对电路设计模块进行了具体的功能划分，通过功能整合实现以上要求。功能模块包括：三个充电阶段的电路设计、充电阶段电压的检测和充电阶段的智能选择、充电过程中电路保护。2.2功能模块2.2.1各类充电方式1）恒压充电法恒压充电法是指在整个充电过程中，保持铅酸蓄电池的充电电压大小不变，充电电流随着充电过程的进行而不断减小的一种充电方法。根据欧姆定律I=(U−E)/R(1-1)上式中，I为充电电流，U为充电电压，E为铅酸蓄电池的电动势，R为铅酸蓄电池的内阻。当U不变，E增大，I将逐渐较小。这种充电方法的特点是电路设计简单，可以比较精确控制充电电压大小。缺点是充电后期，充电电流变小，充电时间会延长。如果电池深度放电，充电初期，过大的电压，会导致电流很大，因为欧姆效应，产生热量，并且也会分解水，析出气体，由于失重而加速板栅腐蚀。恒压充电法的电压设置要适当。数据表明，当充电电压增高10%~15%时，蓄电池的寿命将缩短2/3。恒压充电电压和电流曲线，如图1-1所示。图1-1恒压充电特性曲线2）恒流充电法恒流充电法是指在充电过程中，充电电流保持恒定不变的充电方法。恒流充电法比较适合多个单体电池串联起来的蓄电池组。当串联的电池组有个别电池的电压出现偏差时，采用小电流恒流充电，能够将电池组中个别电压低的单体电池进行完全充满。恒流充电法的缺点是：电池的可接受电流，随着充电过程的进行，而逐渐下降。充电后期，如果充电电流仍然很大，可能会会使充电电流部分会电解水，而产生气体。恒流充电电压和电流曲线，如图1-2所示。图1-2恒流充电特性曲线3）脉冲充电法脉冲式充电法也称脉动式充电法，是指充电电流或充电电压以脉冲的形式对铅酸蓄电池进行充电。其原理是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的中途停充电，使参加反应的铅离子来的及通过PbSO4溶解，使得生成的H+离子和HSO4-离子及时从电极的附近移开。优点是降低铅酸蓄电池的浓差极化，可以提高充电电流，进而可以缩短充电时间。恒流充电电压和电流曲线，如图1-3所示。图1-3脉冲充电特性曲线2.3总体设计方案本充电器电路主要由开关电源、充电电路和变压器三部分组成，开关电源部分包括开关电路、开关变压器、振荡电路、反馈电路、取样电路、过流短路保护、过压欠压保护等。充电电路部分包括第一阶段恒流源、第二阶段脉冲源、第三阶段涓流源、间歇脉冲电路、散热电路、控制电路等。变压器部分包括线圈，初级绕组、次级绕组、反馈电源绕组和铁芯。3设计3.1三阶段充电电路设计3.1.1恒流充电电路设计该电路采用高精度运算放大器LM393为核心器件。其电路如图2-1所示。当该电路通电工作时，变压器次级整流输出一个电压加到电池正负极以对电池充电，电流流过电阻R34（电阻阻值为0.05欧姆）时，电阻两端的电压为Ui1，则Ui1随电压比较放大器放大，当放大到能开启三极管Q2时，三极管将工作在放大状态，从而拉低CE两极的电压，而使光电耦合器耦合加强，并使UC3842两脚电压上升，同时使调宽脉冲导通宽度变窄，从而使场效应管导通时间变短!，以稳定充电电流。充电电流的大小可由RP2决定。电路图如下图2-1所示：图2-1恒流电源电路3.1.2间歇脉冲充电电路设计间歇式脉冲电路如图2-2所示。当电路通电工作后，变压器次级将整流输出一个电压加到电池正负极以对电池充电。当电流流过电阻R34（电阻阻值为0.05欧姆），当电阻两端电压为V5时，且当U5B电压高于6脚电压时，7脚输出高电平，间歇电路开启，此时555定时器开始计时，3脚输出高电平，5秒后计时结束，3脚输出低电平。3脚电平通过D15钳位，并通过限流电阻R46拉低TL431的1脚电位，以使输出降底20%。同时开启U7，U7亦为555定时器，定时时间为1秒，U7的3脚输出高电平，控制其同时开始计时，Q3导通放电。当计时结束时，U7的3脚输出低电平，Q3截止放电，依次循环。当充电电流I下降到一定程度时，间歇电路停止工作。截止间歇脉冲电流的大小由R44和R45决定。图2-2间歇脉冲充电电路3.1.3涓流充电电路设计涓流充电用主要来弥补电池在充满电后由于自放电而造成的容量损失。一般采用脉冲充电来实现，其电路主要由LM393与TL431组成，具体电路如图2-3所示。当电路通电工作时，变压器次级整流输出一个电压加到电池正负极对电池充电，电流流过电阻R34，则U5+的电压和U5−的电压将与电阻两端电压相比较，当U5+U5−时，电路输出高电平，绿灯熄、红灯亮，代表正在充电；当电压下降到U5+U5−时，LM393的U5B关闭输出低电平，三极管Q2工作在放大状态，从而拉低CE两极电压，从而使光电耦合器耦合加强，可使UC3842的2脚电压上升，进而使调宽脉冲导通宽度变窄，并使场效应管导通时间变短，从而稳定充电电流。充电电流大小可由RP2决定。涓流充电电路如图2-3所示：图2-3涓流充电电路