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基于模糊控制理论铅酸蓄电池充电方式的研究
论文题目：
基于模糊控制理论铅酸蓄电池充电方式的研究
摘要
模糊控制是一种智能控制方法，本系统采用该控制理论进行研究，提出了充电器的硬件电路与控制软件的方案,设计出一种基于模糊控制理论的充电方式，此种方式使得铅酸蓄电池使用周期更长,寿命更长从而降低污染节省资源。
本文阐述了几种基本的充电方式以及影响铅酸蓄电池寿命的几个因素，通过单片机实现对铅酸蓄电池充电电流、电压和温度的模糊控制达到研究目的。
关键词：
充电器，铅酸蓄电池，模糊控制，充放电，温度
TheResearchDesignofChargerforLeadAcidBattery
BasedonFuzzyControlTheory
Abstract
Thefuzzycontrolisoneintelligencecontrolmethod,thissystemusesthiscontroltheorytoconducttheresearch.Adesignmethodthatisimplementedwithhardwarecircuitsandsoftwarecontrollingisproposed.Thefuzzycontrollerofchargingsystemisdesigned.Thiswaycausesthelead-acidbatteryusecycletobelonger,thusthelifeislongerreducesthepollutiontosavetheresources.Thisarticleelaboratedseveralbasicchargewaysaswellasinfluencelead-acidbatterylifeseveralfactors,throughthemonolithicintegratedcircuitrealizationtothelead-acidbatterychargingcurrent,thevoltageandthetemperaturefuzzycontrolachievetheresearchgoal.
Keywords:
Charger，Leadacidbattery，Fuzzycontroltheory，Chargeanddischarge,Temperature
目录
1绪论1
1.1中国铅酸蓄电池技术发展历程1
1.2现状及发展趋势1
1.3铅酸蓄电池的特点2
1.4课题研究必要性2
2影响铅酸蓄电池的因素3
2.1铅酸蓄电池充电方法3
2.2温度对电池的影响5
2.2.1自放电现象5
2.2.2电池的寿命5
2.2.3电池的内阻6
2.3充电条件6
2.3.1充电参数6
2.3.2充电电压6
2.3.3充电电流7
2.4电池放电条件8
2.4.1放电参数8
2.4.2铅酸蓄电池的深放电8
3铅酸蓄电池特性分析9
3.1铅酸蓄电池的寿命9
3.2深放电与循环寿命的关系10
3.3不同放电速率下温度对容量的影响10
3.4容量与放电电流的关系11
4充电方式的模糊控制理论分析12
4.1充电曲线的优化12
4.2模糊输入项的选定14
4.3模糊控制方法14
5充电器系统的硬件结构框图16
6系统软件流程图17
7结束语17
致谢17
附录19
1绪论
1.1中国铅酸蓄电池技术发展历程
上世纪50年代中末期橡胶隔板取代木质隔板而引起的铅酸蓄电池隔板和负极添加剂的改革；
上世纪70年代初期塑料槽、内连接而引发的铅酸蓄电池结构的改革；
上世纪80年代中末期的“行业大引进”而引发的铅酸蓄电池制造装备、制造技术的改革（自动铸板机、自动和膏机、智能固化室、自动装配线及免维护电池技术、拉网技术等）；
上世纪90年代初期阀控密封式铅酸蓄电池的诞生而引发的蓄电池结构的改革（阀控密封式，胶体）；
上世纪90年代末由浙江长兴地区电动自行车蓄电池而引发的深循环动力型铅酸蓄电池制造技术的革新等五个重要时期的发展。
中国的铅酸蓄电池产业经过技术发展的五个重要历程以及持续的技术引进、消化、吸收和受欧美、日韩等先进工业国家在中国的投资建厂的影响。
当前我国大多数蓄电池生产厂家的蓄电池化成充电机采用人工操作，充放电时间、次序、电流大小都人工操作执行。
目前中国的铅酸蓄电池产品技术水平已普遍接近国际先进工业国家：
美国、日本、德国、意大利、英国、澳大利亚等国的产品水平；其中中国自主创新型产品—电动自行车蓄电池为代表的深循环动力电池制造技术在某些方面已超越欧美、日韩等先进工业国家技术，处于国际领先水平。
目前中国已成为世界铅酸蓄电池的生产基地。
1.2现状及发展趋势
铅酸蓄电池生产过程中，都要经过化成工艺，化成就是通过电化学的氧化-还原反应使蓄电池极板上形成活性物质。
蓄电池的化成过程，就是将蓄电池的正、负分别与直流电源的正负极相连，浸在稀硫酸的化成槽里，通以大电流，巾帼若干充、放电周期，电能变成化学能储存起来。
随着世界经济的复苏及人类对太阳能、风能、地热能、潮夕能等自然能的开发利用和电动汽车产业的发展，铅酸蓄电池作为一种安全性高，电压带宽、价格低廉及高资源再生率的最佳能源产品将迎来广阔地发展空间。
届时，所有城镇、乡村太阳路灯、家庭用电系统、电动汽车等都是由铅酸蓄电池组或铅酸蓄电池堆提供能量。
铅酸蓄电池是一类安全性高，电性能稳定，制造成本低，应用领域广泛，可低成本再生利用的“资源循环型”能源产品。
其生产属深加工、劳动密集型方式。
随着人类对太阳能、风能、地热能、潮汐能等自然能的开发利用和电动汽车产业的发展，铅酸蓄电池作为不消耗地球资源的“绿色”产业，将面临着广阔地发展空间。
当今世界，人类与地球和谐相处，产品与资源相依并存已是全球之共识，人类之追求。
在21世纪的世界经济和社会发展的进程中，铅酸蓄电池将充分体现出强大的生命力。
1.3铅酸蓄电池的特点
铅酸蓄电池一直是最重要的可充式电化学储能体系，它保持其主导地位不受挑战至今已经有一个多世纪了。
这一点似乎令人惊奇，因为铅酸蓄电池的反应物质很重，能储存的能量很一般。
但是还有其他许多因素使铅酸蓄电池保持其杰出的地位，例如：
反应物质是低溶解度的固体，反应是高度可逆的。
反应物质的定义明确，没有中间氧化态。
从而高于开路电压的任何电
压都能使电池充足电，当作为备用电源进行浮充电时，蓄电池不需要进行均衡充电。
电极的电子导电率足够大；不需要加入导电添加剂。
2V的单体电池电压很高，所以数量不多的单体电池组合就能够达到足
够高的整体电池电压。
尽管正电极的电位很高，铅因为其惰性可以用于制造导电部件。
以上一览因素还可以扩展，它表明了一个有效的电化学储能体系需要多少化学和物理性能。
1.4课题研究必要性
铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。
但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。
影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。
研究发现：
电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。
也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。
由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
近年来，我国电池业快速发展，已成为世界最大的电池生产国。
铅酸蓄电池作为电池中技术含量较高的产品，由于用途广泛，可重复使用，国际市场需求不断加大。
但铅酸蓄电池一直存在高水耗、高污染问题。
我们运用模糊控制理论对铅酸蓄电池充、放电曲线进行分析，结合其他各个因素寻求一种最优状态使得铅酸蓄电池使用周期更长，寿命更长从而降低污染节省资源。
产品－高比能量、高安全性、高可靠性、长寿命；
生产－节能、减排、降耗、自动化、规模化；
资源－高循环利用率，可持续发展。
2影响铅酸蓄电池的因素
铅酸蓄电池的放电反应如下：
正极板：
PbO2+3H++HSO4+2e-→PbSO4+2H2O（1-1）
负极板：
Pb+HSO-4→PbSO4+H++2e-（1-2）
电池的寿命一般在十年左右，或者说电池可循环使用次数为300～600次，这些都是在最佳环境温度（20℃～25℃）条件下的参数。
而铅酸蓄电池有其污染严重的弱势，延长电池的寿命和使用周期就成为了必然，下面对铅酸蓄电池进行分析。
2.1铅酸蓄电池充电方法
电池充电方法一般有恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电、脉冲充电和三段式充电等几种。
下面分别介绍一下几种充电方式。
（1）恒流充电（CC）
恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。
该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图1所示。
这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。
但由于某些电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响电池的寿命。
图1恒流充电法曲线
（2）恒压充电（CV）
图2恒压充电法曲线
在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。
充电曲线如图2所示。
从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对电池的寿命会造成很大影响。
（3）恒流恒压充电（CC/CV）
在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。
在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。
当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。
在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量。
在CV周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成。
恒流恒压充电曲线如图3所示。
图3恒流恒压充电曲线
（4）脉冲充电
脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。
脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。
当电池电压上升到充电终止电压
后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。
在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。
每次充电时间为
后，然后关闭充电回路。
充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上并升超过充电终止电压
；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。
电池电压恢复到
时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。
在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到
的时间达到某个预设的值
为止，可以认为电池已接近充满，如图4所示。
图4脉冲充电法曲线
（5）三段式充电
三段式充电主要包括恒流、恒压和浮充三个阶段，在充电开始时采用恒电流充电，然后用恒电压充电。
当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段的浮充充电。
见图5所示就是三段式充电方法。
这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法，其使用受到一定的限制。
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是目前普遍采用的充电方式。
图5三段式充电法特性曲线
2.2温度对电池的影响
众所周知，在化学反应中，温度起到了至关重要的作用。
温度较低时，化学反应变慢，一旦温度上升就会加快化学反应的速度。
无论是采用何种电芯工艺设计生产的蓄电池，在充放电过程中，都将或大或小地受到温度的影响，主要影响有以下几个方面。
2.2.1自放电现象
温度越高电池的自放电就会加速，所以最好将电池储存在低温状态下。
电池在充电过程中的饱和状态和自放电并不是呈线性变化的。
一般在20℃的环境温度下，每月的自放电大约是电池容量的15%～20%。
但对于一个已经充满电的电池，在20℃的环境温度下放置六个月，再使用时就必须重新充电；而在30℃的环境温度下只放置三个月后就必须重新充电。
2.2.2电池的寿命
电池的寿命一般在十年左右，或者说电池可循环使用次数为300～600次，这些都是在最佳环境温度（20℃～25℃）条件下的参数。
但是作为用户必须清楚：
使用温度比相对标准温度每升高10℃，电池的使用寿命就会缩减一半左右。
例如，电池在标准温度为20℃时，使用寿命为10年，那么温度上升到30℃时，其使用寿命就会减少到五年；若温度继续上升到40℃时，其使用寿命就会缩短到2年半。
当蓄电池寿命终了时，其内阻就会增加（这是由于活性材料损耗导致的），电池的容量就减少了。
若电池充满电后，其容量仍达不到新电池容量的70%时，就说明该电池可能已报废。
2.2.3电池的内阻
使用中，随着外界环境温度的降低，电池的内阻就会增加，内阻增加到一定程度，电池就会停止供电。
表面上是在较冷的环境中电池无法提供足够的能量，但实际上是因为电池内阻太大，电池的电能都消耗在内阻上，因此无法正常供电。
但是，一旦温度回到20℃～25℃，电池就又可以恢复正常工作了。
高阻抗会缩短电流的恒定状态，所以想要完全充电则需要更多的时间。
2.3充电条件
2.3.1充电参数
充电基本上是放电的逆向过程。
只要电压刚刚高过平衡电压，充电就会立即开始。
实际上要使蓄电池中串连连结的所有电池在要求的时间内达到完全充电，就必须使用较高的电压。
随着电池电压的增高，副反应水分解作为附加反应变得更为重要。
因此，充电方法总是必须在低速率高效率充电和高速率低效率之间折衷。
充电过程主要是由三个参数决定的：
充电电压、充电电流和蓄电池温度。
“充电接受能力”或“充电-电流效率”表达了蓄电池实际所能接受的电流份额，并且可以在随后的放电中放出来。
它是有充电反应动力学参数和同时发生的副反应动力学参数之间的制衡来决定的。
充电接受能力不是一个常数，其大小主要取决于蓄电池的荷电状态。
在电池的使用过程中，充放电是非常频繁的。
充电电压、充电电流、温度这三个参数会直接影响电池寿命。
电池的充电过程也直接影响着电池使用的稳定性。
一个稳定的充电过程（充电过程控制充电电压和电缆的低损耗，并对电池组的单节电池均匀充电）可以保证设备的运行安全，提高电池充电能力、延长电池寿命。
对电池充电可在0～40℃的较宽的温度范围内进行，但由于温度对电池的影响，我们提倡在环境温度为20℃左右进行充电。
为了防止充电时蓄电池的温度上升过快，减少电解液中水的损耗，应该遵守恒流、恒压的模式来对电池进行充电。
下面从充电电流和充电电压两个方面进行阐述。
2.3.2充电电压
铅酸蓄电池有三个充电电压参数：
（1）最大充电电压
最大充电电压就是电池在充电过程中能达到的最大电压值。
一般在25℃的温度下，规定每个单电池充满时的电压在2.3～2.4V之间，所以一块完整的电池（包括6单电池）电压在13.8～14.4V之间，误差±0.03V。
当温度上升时，最大充电电压就会降低。
电池充电过程中尽量不要断电，否则会影响电池寿命。
（2）浮充电压（小于最大充电电压）
为了使电池充电更饱和，当铅酸电池充电将要结束时，要改用浮充电压继续给电池充电。
浮充工作方式下的蓄电池充放电循环次数减少，自放电和深度放电的容量能及时得到补偿，活性物质的利用率较高，因此电池的使用寿命就会更长。
浮充时蓄电池的浮充电压必须保持恒定，同时，该电压的选择应使蓄电池因过充而造成的损失处于最低程度。
蓄电池在浮充过程中，由于浮充电压与温度有关系，所以浮充电压的选择要考虑到环境温度的变化，这对延长铅酸蓄电池的寿命十分重要。
根据铅酸电池制造商提供的数据：
单节电池在25℃下的浮充电压为2.25～2.28V，这个值随温度有±0.005V浮动。
虽然不同蓄电池的浮充电压、浮充电流及温度特性曲线有所不同，但有一点是可以肯定的，即浮充电流随着浮充电压的增大而增加，随温度升高而增加。
（3）额定电压
无论是什么样的电池都有一个额定电压，即在电池放电一段时间后的开路电压（无负载）。
由于铅酸蓄电池的放电曲线不呈线性变化，因此我们不能简单地认为额定电压就是电池容量在50%左右的开路电压。
假如电池充满电后放置24h以上，我们就认为额定电压为12V。
在每种电池的外包装上都标有其额定电压，见表1所列。
表1不同芯体类型的电池的额定电压值
电池种类
镍氢电池
镍镉
铅酸蓄电池
锂离子电池
额定电压
1.2
1.2
2.0（2.1）
3.6（3.7）
一块铅酸蓄电池一般是由几个单电池组成的电池组来。
从表1可以看出，一个单电池的电压为2.0V，六个单电池组合时的铅酸蓄电池就为12V。
2.3.3充电电流
对于正常充电（充电时间大约在14h左右），充电电流一般设定为电池容量的1/10。
如果一个电池的容电能力在50Ah，那么它的充电电流就设置在5A。
通常，电池的最小充电电流不得小于电池容量的1/20，最大的充电电流不能超过容量的1/5。
图6所示为典型的电池充电特性曲线，从图6可以看出：
（1）在蓄电池充入电量达到80%之前，保持恒流工作方式；充入电量达到80%后充电过程从恒流过程转为恒压过程，电池端电压被限定到14.3V；
（2）当电池端电压上升至稳定点14.3V附近时，充电过程已进入中后期，电极表面附近电解液浓度升高，使电池内电流迅速降低；
（3）当充电至后期，电池电流已明显减小，所以浓差极化作用随之减少，而电化学极化作用随之增加，电池电流继续衰减，只是电流衰减的速度变得较为缓慢；
（4）充电进入末期，充入的电流主要用于电池内氧循环，极少的电流用于电池活性物质的恢复，所以电池电流几乎保持不变。
图6电池充电特性曲线
2.4电池放电条件
绝不能让电池短路。
如果电源线不匹配，电池的内阻就会增加，放电过程中电池会发热，这将加快电压降的速度。
电池放电到一定程度就必须更换，一般单个的电池电压放电到1.6～1.9V之间就要停止使用，否则就有可能损坏电池，甚至可能使电池报废。
对于野外使用的12V标准电池来说，电压在10～11V之间就要停止使用。
由于电池使用初期端电压下降较为缓慢，随着放电深度的加大放电速度就会明显加快，到一定程度电压会陡降。
所以，必须事先设定更换电池的电压范围值。
2.4.1放电参数
一定的负载下，蓄电池能放出的容量取决于反应速率，是影响各个步骤反应速率的动力学参数决定了电池的容量。
因此，容量很大程度上取决于蓄电池的设计。
除了蓄电池的设计之外，主要影响容量的放电参数是：
（1）放电电流。
（2）电压限制，例如，必须要规定放电终止电压。
（3）温度。
影响释放能量的另一个参数是蓄电池的充电状态，并且在一定程度上与蓄
电池以前的履历有关。
2.4.2铅酸蓄电池的深放电
深放电：
是指蓄电池放电超过了生产者规定的放电终止电压，因此蓄电池
放出了过量的容量。
深放电对蓄电池是有害的，因为活性物质过度工作，特别在重复进行深放电时尤其有害，其结果是早期衰减和容量损失。
甚至用正常的放电终止电压，可能进行的循环次数随着放电深度（DOD）的增加而明显减小。
在铅酸蓄电池中，两个电极对于深放电都是敏感的：
（1）在溶解再沉积机理中，当铅和二氧化铅分别溶解在电解液中并作为新
的化合物硫酸铅沉淀下来时，活性物质产生了彻底的转变并且失去原有的结构。
当转变进行的过深中，活性物质失去了大部分原有的结构。
正电极对此特别敏感，因为二氧化铅粒子间的导电桥会退化，可能会失去部分粒子间的接触以及粒子与板栅之间的接触，这意味着它们不能再参加电化学反应。
当粒子间的连接被破坏时，活性物质脱落的可能性增加，活性物质的机械强度也会减弱。
（2）因为有反极的危险，负电极对深放电是敏感的。
活性物质中的膨胀剂
可能会因氧化而失去作用。
（3）铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加。
深放电期间，
大部分的酸被消耗，余下的电解液变为稀酸，在这样的溶液中，铅的溶解度明显增加，这有可能在隔板周围形成细纤维（枝晶），蓄电池在随后充电时，造成枝晶短路。
通常的解决办法是在溶液中加入硫酸钠，以降低放电时硫酸盐的溶解度。
而终止电压过低并不能充分表示深放电的特征深放电是活性物质转变的程度的问题。
用大负载放电，可以达到很低的放电终止电压，这主要是因为这消耗了活性物质孔内的酸液，只是有限量的活性物质发生了转变。
电极材料的结构只是浅地发生了改变。
另一方面，小电流放电可能会使活性物质过度转变，甚至用一般的放电终止电压也是这样。
这样可以归纳为：
（1）用大电流、低终止电压放电不会损坏铅酸蓄电池，除非放热量过大
和导电零部件过热。
（2）用小电流进行完全放电会过度使用活性物质，这对蓄电池是有害的。
重复进行深放电是另一个关键因素，每次深放电都会使情况恶化，其结果是大量的不太危险的“深放电”会造成与少量几次严重的深放电同样的损坏。
3铅酸蓄电池特性分析
3.1铅酸蓄电池的寿命
铅酸蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命，而影响铅酸蓄电池寿命的因素有充电速率、放电速率和浮充电压。
电池的电压与温度有关，温度每升高1℃，单格电池电压下降4mV，也就是说电池的浮充电压有负的温度系数-4mV·℃。
普通充电器如在25℃处于最佳工作状态，而在环境温度为0℃时就会有充电不足，在温度为45℃时，可能会因严重过充电缩短电池的使用寿命。
因此，需要对蓄电池的工作状态有一定的了解和分析，从而实现对蓄电池进行保护的目的。
蓄电池有4种工作状态：
通常状态、过电流状态、过充电状态和过放电状态，但由于不同的过放电电流对蓄电池的容量和寿命所产生的影响不尽相同，所以对蓄电池的过放电电流检测也需要分别对待。
当电池处于过充电状态的时间较长，则会严重降低电池的容量，减少电池的寿命；当电池处于过放电状态的时间超过规定时间，则电池由于电池电压过低可能无法再充电使用，从而使得寿命降低。
根据以上所述，充电方式对铅酸蓄电池的寿命有很大的影响。
为了使电池始终处于良好的工作状态，蓄电池保护电路必须能够对电池的非正常工作状态进行检测，并做出动作以使电池能够从不正常的工作状态回到正常工作状态，从而实现对电池的保护，保证蓄电池的使用寿命。
3.2深放电与循环寿命的关系
蓄电池中发生的基本过程与活性物质的改变和物质的传输有关。
其结果是，老化是蓄电池固有的性质，这是与电子模块的基本差异，电子模块只能置换电荷，而物理结构保持不变。
因此，蓄电池的使用寿命必定是有限的，而蓄电池的概率寿命成为重要的问题。
但是概率寿命不仅取决于蓄电池的设计，而且主要取决于“活性物质的利用程度”；或者换句话说，概率寿命主要取决于使用条件。
而使用条件对使用寿命的巨大影响。
一组小型蓄电池，设计有5年时间的浮充电寿命。
蓄电池进行放电时，特别是进行深放电时，其使用寿命不同程度的缩短了很多。
蓄电池的使用范围不同，其使用寿命的判断参数也不同。
蓄电池的使用通常是长时间充电和不同程度的深放电的组合。
对于大多数固定型和动力电源，可接受的定义是：
使用寿命的终止是以蓄电池的实际容量下降到其额定容量的80%为标志。
这个定义包括了蓄电池要有过大容量的必要性，当要求蓄电池在整个使用期间保持其全部容量，其初始容量要到达计算容量的125%。
3.3不同放电速率下温度对容量的影响
下面是温度影响容量的例子。
图7温度对阀控铅酸蓄电池容量各种放电速率下的影响
图中给出了4条曲线，用20℃时额定值的百分比表示容量。
实际上随着电流增加，这
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