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镍氢电池充电电源控制模式的研究

作　者: 郭霁方
导　师: 吴建强
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 镍氢电池单片机极化脉冲快速充电
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着电池技术的发展,充电技术也在不断更新,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的质量,延长了蓄电池的使用寿命。自镍氢电池问世以来,由于各种技术条件的限制,所采用的传统充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律,使整个充电过程存在着严重的析气和过充现象,对电池使用寿命造成不利的影响。本文在对镍氢电池充电所应采取的控制模式深入分析的基础上,提出一种基于PWM技术的镍氢电池充电系统,其中包括硬件电路及软件的设计方案。首先,文中详细分析了镍氢电池充电过程中的理化机理,分析了镍氢电池充电过程中的物理化学变化并指出了镍氢电池在充电过程中所特有的双峰效应。基于电化学理论对镍氢电池充电过程中的极化现象进行了讨论,并分析了其产生的原因以及提出了相应的应对策略。其次,本文对充电电源的主电路、检测电路、控制回路等电路进行了设计,对主要原件进行了选择以及对变压器等器件进行了参数计算。建立了主电路的开环模型并对主电路进行了仿真并分析,以便于对控制策略进行优化设计。控制回路采用单片机进行控制,镍氢电池的电压、电流、温度通过采样电路送给单片机,通过数字PID算法,实现对输出PWM波占空比的控制。本文对镍氢电池的总体控制策略以及快速充电策略进行了深入的研究,在分析各种控制模式的基础上,根据本系统的要求选择了以电压负增量为主要判断方法的快速充电终止控制模式。分析了软件设计的一般要求,在分析的基础上进行了系统软件的设计,给出了软件设计的总体流程和各阶段子程序的流程。最后,对镍氢电池充电系统进行了实验分析,在实验的基础上确定了脉冲充放电的分段电流、幅值、放电脉宽、前后停歇时间等参数。按照前面确定的参数对该充电电源进行了实验研究,实验结果说明,该系统能够去除电池充电过程中的极化效应,提高了镍氢电池的充电效率,充电过程安全可靠,缩短了充电时间。表明上述设计方式和方法的实用性和可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 镍氢电池的发展  11-12
    1.2.1 镍氢电池的构成  11-12
    1.2.2 镍氢电池的优越性  12
  1.3 蓄电池充电技术研究现状与发展趋势  12-14
  1.4 充电电源发展状况  14-15
  1.5 课题来源及本文研究的主要内容  15-16
第2章镍氢电池充电理化机理研究  16-28
  2.1 镍氢电池的工作原理  16-19
    2.1.1 电池充放电过程中的电化学变化  16
    2.1.2 镍氢电池过冲时的电化学变化  16-17
    2.1.3 镍氢电池主要技术参数  17-18
    2.1.4 镍氢电池热特性研究  18
    2.1.5 镍氢电池的双峰效应  18-19
  2.2 镍氢电池的充电特性  19-20
  2.3 镍氢电池充电终止控制方法  20-22
  2.4 镍氢电池极化现象电化学分析  22-24
    2.4.1 镍氢电池充电过程中的极化现象  22-23
    2.4.2 极化现象产生的原因和应对策略  23-24
  2.5 快速充电理论基础  24-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章镍氢电池充电系统硬件实现  28-44
  3.1 镍氢电池充电系统总体结构  28-29
  3.2 系统主电路设计  29-33
    3.2.1 输入EMI滤波和整流电路设计  29
    3.2.2 主电路DC/DC模型的确定  29-31
    3.2.3 高频变压器的设计  31-33
    3.2.4 主电路开关器件的选择  33
  3.3 检测电路和数据的采集  33-36
    3.3.1 电压检测电路  33-34
    3.3.2 电流检测电路  34-35
    3.3.3 温度检测电路  35-36
  3.4 主电路建模及仿真分析  36-41
    3.4.1 主电路状态空间平均模型的建立  36-39
    3.4.2 主电路仿真分析  39-41
  3.5 控制电路设计  41-43
    3.5.1 单片机选择  41-42
    3.5.2 单片机及其外围电路  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章镍氢电池充电控制策略研究  44-59
  4.1 系统总体控制策略  44-46
    4.1.1 系统控制要求  44
    4.1.2 电池充电过程  44-45
    4.1.3 快速充电方法的选择  45-46
  4.2 脉冲快速充电方法和控制技术的选择  46-48
    4.2.1 脉冲快速充电的技术原则  46-47
    4.2.2 脉冲快速充电方法的确定  47-48
    4.2.3 充电控制技术的选择  48
  4.3 系统充电过程分析  48-50
  4.4 电流控制的PID调节器的设计  50-53
    4.4.1 数字PID调节器原理  50-51
    4.4.2 PID控制方式的选择  51-52
    4.4.3 PID调节器参数整定  52-53
  4.5 系统软件设计  53-58
    4.5.1 系统软件总体结构实现  53-54
    4.5.2 初始化、采样、量化子程序设计  54-56
    4.5.3 PWM输出子程序设计  56-57
    4.5.4 数字PID控制子程序设计  57-58
  4.6 本章小结  58-59
第5章实验分析  59-65
  5.1 实验研究与分析  59-64
    5.1.1 脉冲电流实验研究  59-60
    5.1.2 放电脉冲宽度实验研究  60
    5.1.3 前后停歇时间实验研究  60-61
    5.1.4 试验结果分析  61-64
  5.2 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-72
致谢  72

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