电动自行车脉冲除硫充电器的设计.docx

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电动自行车脉冲除硫充电器的设计

郑州大学毕业设计（论文）

题目：

电动自行车脉冲除硫充电器的设计

指导教师：

王生德职称：

副教授

学生姓名：

宁帅杰学号：

20082410128

专业：

电子信息工程

院（系）：

信息工程学院

完成时间：

2012年5月25日

2012年5月25日

毕业设计（论文）任务书

题目来源：

科研

课题名称

电动自行车脉冲除硫充电器的设计

设计人姓名

宁帅杰

学号

20082410128

指导教师姓名、职称

王生德副教授

指导时间/地点

郑州大学南校区

专业班级

电子信息工程1班

一、设计（论文）内容

1：

铅酸蓄电池的相关知识。

2：

电路设计所需要的器件的详细介绍。

3：

电路原理设计及分析。

4：

实验结果及结果分析，设计的优势和可应用之处。

二、设计（论文）的主要技术指标

1：

蓄电池充电电压48V。

2：

蓄电池最大脉冲充电电流50A。

3：

蓄电池最大脉冲放电电流100A。

4：

蓄电池充电脉冲宽度：

300ms。

5：

蓄电池放电脉冲宽度：

1ms。

三、进度安排

第7学期期末两周：

确定论文题目，查阅资料。

第8学期：

1-4周学习参考文献，补充查询资料，完成开题报告。

5-8周分模块设计电路，并进行原理分析。

9-14周完善电路设计，调试并得出结果，写论文并准备答辩。

四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求

1．毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献）

2．不少于5000汉字的科技翻译资料一份

3、毕业论文简介（A4纸1~2页）（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、解决的问题、创新之处等）

4．毕业设计任务书

5．开题报告

6．毕业设计工作中期检查表

毕业设计（论文）开题报告

课题名称

电动自行车脉冲除硫充电器的设计

学生姓名

宁帅杰

学号

20082410128

专业班级

电子信息工程

2008级1班

一、选题的目的意义

电动自行车是当下人们出行和上班的主要交通工具，目前电动车电源主要采用免维护铅酸蓄电池（48V），在正常使用条件下，一套电瓶的使用寿命在一年到一年半左右。

超过期限，续驶里程大大缩短，必须更换新电瓶。

然而，电瓶的成本占整车的三分之一左右，给用户带来极大的经济负担，同时，电瓶的主要材料是铅和硫酸，报废的电瓶会对环境造成极大污染，处理不当，后果极其严重。

对蓄电池寿命有影响的主要是活性物质脱落和极板硫化。

经过大量的剖析报废的铅酸蓄电池发现，导致蓄电池使用寿命极端的原因是极板硫化。

常用的预防蓄电池极板硫化的方法为添加催化栓或者添加有机添加剂，而蓄电池硫化后再生的方法有反冲再生法、化学充电方法、电解液浸润法等。

上述方法对于脉冲除硫有一定的效果。

但是它们都有一些明显的缺陷，有的过程太过繁琐，不易操作；有的成本太高，不易推广。

故希望能在原有基础上进行改进，设计出一个比较简单并具有较高再生效率的除硫充电器。

二、国内外研究综述

对于硫酸盐化失效的蓄电池进行再生主要有反充再生、化学充电方法再生、电解液浸润法等，这些方法对电池进行再生有一定的效果，尤其是电解液浸润法，将有再生剂的电解液加入到失效的电池进行浸润7-9h后，在进行25-28h的间歇式正脉冲充电，基本能消除铅酸蓄电池的硫酸盐化，但是此方法较为复杂，且深层的硫酸铅晶体不太容易被激活。

三、毕业设计（论文）所用的方法

本设计采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序，达到消除硫化效果。

任何绝缘层都能被高压击穿，击穿后变为导电状态，故对铅酸蓄电池进行脉冲充电，用极端的高压脉冲击穿硫酸铅晶体，使得晶体处于导电状态，重新进入充放电循环中。

四、主要参考文献与资料获得情况

陈红雨，熊正林，李中奇先进铅酸蓄电池制造工艺化学工业出版社2010

（澳）兰德（Rand，D.A.J.）等主编；郭永榔等译阀控式铅酸蓄电池机械工业出版社2006

刘广林编著铅酸蓄电池工艺学概论机械工业出版社2008

张义国，周正军.一种新型铅酸电池充电器的设计[M].机电工程技术2010

丁志亮，李建婷，李又几.一种智能铅酸蓄电池充电器的设计[M].通讯电源技术2006

五、指导教师审批意见

签字：

年月日

毕业设计工作中期检查Ⅰ

2012年03月26日

课题名称

电动自行车脉冲除硫充电器的设计

姓名

宁帅杰

专业和班级

电子信息工程

2008级1班

指导教师

王生德

一、毕业设计具体内容、目标和可能遇到的问题

设计一个电动自行车脉冲除硫充电器，希望此充电器能够为硫酸盐化的电动自行车铅酸蓄电池具有较好的再生作用。

目前所遇到的问题时现有的蓄电池除硫方法较多，但是都有一定的缺陷，同时铅酸蓄电池脉冲充电主要有恒压变周期和恒周期变压两种，目前设计采用的是恒压恒周期加反向脉冲的方法，对于实际效果有待验证。

二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

理论上，结晶的硫酸铅晶体可以被高压击穿，击穿后的晶体可以重新进入充放电循环。

为了保证击穿大的硫酸铅结晶体而不发生析气，必须使这个高电压足够短，占空比足够大，并进行限流。

这样就可以将已结晶的硫酸铅晶体击碎，使其重新恢复活性。

但硫酸铅晶体容易极化，强脉冲电流充电会使电池发热，温度上升导致极板加速腐蚀，不但没能延长蓄电池寿命，反而使蓄电池寿命更短。

为了防止此种情况的发生，可在脉冲间隙加入去极化负脉冲。

与充电脉冲相比，去极化负脉冲的持续时间极短，但幅度是充电脉冲的几倍，这样就实现了消除硫化又不使电池发热的目的。

三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语

签字：

年月日

毕业设计工作中期检查Ⅱ

2012年04月30日

课题名称

电动自行车脉冲除硫充电器的设计

姓名

宁帅杰

专业和班级

电子信息工程

2008级1班

指导教师

王生德

一、阶段性结果

蓄电池的相关材料已经准备比较充分。

如蓄电池损坏的原因，达不到预期的原因等。

电路方面已经设计完成。

预期下一个阶段进入仿真以及最终的实物制作部分。

二、存在的问题

具体的充电脉冲宽度，反向去极化脉冲宽度不清楚最有效的值，这需要试验结果验证来确定。

三、后一步工作设想

对于具体的波形主要设计完成。

但脉冲宽度需要进一步测试。

需进行实际的充电，查看相关的结果。

四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语

签字：

年月日

电动自行车除硫充电器的设计

摘要：

电动自行车铅酸蓄电池使用寿命普遍较短的主要原因是极板硫化。

从固体物理上来讲，任何绝缘层在足够高的电压下都可以被击穿，击穿后的绝缘层会由绝缘状态转变为导电状态。

因此，对于蓄电池负极板上的沉积的硫酸铅晶体，可以在充电时施加瞬间高电压来加以击穿。

本设计采用强脉冲充电，并在充电脉冲间隙加入负极化脉冲，将由于硫化产生的硫酸铅晶体击碎，去除硫化。

主电路采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序，达到消除硫化效果。

关键词：

铅酸蓄电池；脉冲除硫化；充电器

Abstact:

PlatecuringisthemaincauseofElectricbicyclelead-acidbattery'sshort-lived.Fromsolidstatephysics,anyinsulationlayercanbebreakdownatasufficientlyhighvoltage,afterthattheinsulationlayercanbeturnedintoaaconductivestate.Therefore,theleadsulfatecrystaldepositedonthebatterynegativepoleplate,canbebreakdownbytheappliedmomenthighvoltageattherechargedtime.UsingstrongpulsechargingandaddingthenegativepulseinthegappingofthestrongpulsechargingcaneffectivelybreakupLead-sulfatecrystalsandsolvetheproblemofplatecuring.ThemaincircuitusesGeneralNE555time-basecircuitandNE556dualtimebasecircuit,respectivelyrealizethemultivibratorandaSinglestatedelaycircuitfunction,sothattocompletethechargeanddischargetimeseriesandsolvetheproblemofsulfide.

KeyWords:

lead-acidbattery;pulsedevulcanization;charger

前言

自1860年第一块蓄电池出现以来，经过两个多世纪的发展，蓄电池已经深入到我们周围的点点滴滴。

大到航天飞机小到日常用的手电筒，都有蓄电池在其中工作。

理论上蓄电池可以进行无限次的充放电，但是由于制作工艺以及使用方式的原因，事实上一套蓄电池的循环次数正常使用在200次至300次。

而影响蓄电池循环寿命的主要原因是极板硫化，也就是放电过程中形成硫酸铅晶体，活性物质失去活性。

传统的铅酸蓄电池为防止负极板硫酸盐化，会采用辅助装置催化栓设计，即在电池上加上催化栓，或者添加有机添加剂。

但是前一种方法比较复杂，而第二种会导致一定的途径损失。

负极板硫酸盐化失效后再生有反冲再生法、化学充电方法、电解液浸润法等。

但是但它们都存在一些明显的缺陷，或过程太过繁琐，不易操作；或成本太高，不易推广；或适用范围有限，不适用密封电池或废旧电池等。

本项目根据铅酸蓄电池充放电的化学机理，设计出一种电路简单、效果显著、成本低廉、使用方便的脉冲除硫化充电器。

此充电器采用强脉冲充电，将由于硫化产生的硫酸铅晶体击碎，使其重新恢复活性，并参加到蓄电池的充放电反应中。

同时考虑到大电流脉冲易导致蓄电池发热，反而加速极板腐蚀，可在充电脉冲间隙加入去极化负脉冲，达到去除硫化而不使蓄电池发热的目的。

同时脉冲除硫化充电器不仅可以节约能源，减少了对环境的污染，而且，由于采用NE555时基电路和NE556双时基电路完成脉冲放电时序，易于推广应用。

1铅酸蓄电池的相关内容

1.1铅酸蓄电池的发展简史

公认铅酸蓄电池是由法国人普兰特（G.Plant）创制，他于1860年向法国科学院送交样品。

其蓄电池的构造是用两块铅皮，中间用橡胶条隔开，浸在10%的稀硫酸中，经过正向充电、停止、反向充电。

如此反复进行，使得产品能以当时任何一次电池更大的电路放电。

但当时发电机尚未问世，他只能用一次电池作为充电电源，耗费自然很大，他的蓄电池仅成为实验室的一种新事物，知道13年后，直流发电机问世，铅酸蓄电池才走向实用化。

虽然有了直流发电机，但是反复充电以形成极板的活性物质仍嫌太麻烦，1881年法国人富尔（Faure）发明了以铅化合物涂在铅片上，可以很快形成活性物质，差不多同时，英国人瑟隆（Sellon）发明了铅碲合金板栅，这种板栅与富尔涂粉方法结合，出现了所谓的涂膏式极板。

这种方法简便易行，大大方便了生产。

从1910年起，铅酸蓄电池受到了两项打的推动力：

一是汽车开始用他来做启动、照明、点火三项任务，所以就需要较轻、能发出打电流的产品，并由于汽车数量的增加之快，促进了铅酸电池的工业化生产;二是电话业务采用铅酸蓄电池作为备用电源，要求安全可靠性并能使用多年的蓄电池。

从此蓄电池用在汽车、摩托车、铁道、矿山、通信等工业，并站稳脚跟。

进入二十世纪之后，铅酸蓄电池的重大改进有：

1：

20世纪20年代由美国Exide公司推出的管式极板。

2:

50年代由美国Delco公司首先推出的无珶合金为板栅的免维护汽车蓄电池。

3:

70年代由美国Deviff氏创新的阀控式蓄电池。

铅酸蓄电池面世一个半世纪以来，它的应用领域如汽车、电信等，并不存在被新型能源如氢镍蓄电池、锂离子蓄电池取代的可能性。

而随着这些已有的应用领域的发展，铅酸蓄电池必定自行跟进，例如汽车电系统有12V向36V的转变，对汽车蓄电池将有很大一个量与质的提高。

除了已有的领域外，新的应用领域也在展开，例如电动自行车的配套蓄电池看，其产值已经超过了历来局第二位的固定型铅酸蓄电池。

而混合式汽车以及燃料电池需配用的化学能源，铅酸蓄电池呼声很高，凡此都说明铅酸蓄电池虽然面世150年，但仍充满活力，他现在的总产值为全部化学电源总产值的一半，这一份额在未来二、三十年间仍将保持下去，铅酸蓄电池尚大有可为。

1.2铅酸蓄电池的基本结构与分类

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成，此外还有一些零件如气塞、连接条、极柱等等，分述如下：

（1）正极板包括涂膏式、形成式、铅布式、铅箔式等。

（2）负极板包括涂膏式、铅布式、铅箔式。

（3）隔板包括微孔橡胶式、PVC、微孔PVC、AGM、10-G、棉浆式。

（4）电解槽硬橡胶式及塑料槽。

（5）电解液一律为稀硫酸，有一部分做成胶体。

蓄电池的按极板型主要分类有：

（1）形成式：

正极板为纯铅板用电化方法生成过氧化铅、负极板曾经用箔式，后改成涂膏式。

这种蓄电池全属固定型，寿命特长。

（2）涂膏式：

这是用的最广泛的，及以铅合金板栅涂上铅膏。

（3）铅网式：

用玻璃纤维复以薄层纯铅，制成铅线，以铅线织成布状，称为铅布，以铅布代替板栅。

其优点是比合金板栅轻，但涂膏后整体刚度差，不应垂直放置，只能水平放置，故构成的蓄电池称为水平电池，这种蓄电池内阻小，比能量高，但自放电也高，适应于牵引车用。

（4）卷绕式：

有两种，其一用厚0.7mm的纯铅板栅涂膏，另一用0.5mm的铅箔涂膏。

以上两式均各隔以AGM隔板卷成圆柱状，电池槽亦为圆柱状。

此式特点是可以用很高的内压为300-400kPa，同时也可采用很大的极板组装压力，这是由于圆电槽可以经受很大压力而不至于变形，故这种蓄电池内阻小，可以以极大功率放电，用于手电钻上就证明其胜过镉镍蓄电池，今后可能用于助力车。

1.3基本充电过程——化学反应及副反应

蓄电池充放电是一可逆反应，反应的化学方程式为

铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。

铅酸蓄电池在进行充放电时，正极和负极必须同时以用当量、同状态进行电化学反应才能实现充电或放电过程，任何情况下都不能有正极或者负极单独完成。

当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。

1.4现如今铅酸蓄电池的充电方法

1.4.1恒压充电

恒压充电曲线如图1.4.1所示，恒压充电的优点如下：

1过充电量受到控制，大多数电流用于充电。

2电流极限值可以变化（改变充电方式：

快充电或者慢充电）。

3可以精确控制电压恒定值。

不足之处则是较长的充电“尾巴”，A·h输入数不确定，电池之间可能出现充电不足或充电不均匀，对浮充可能出现“热失控”，需要温度补偿。

图1.4.1恒压充电

1.4.2恒流充电

图1.4.2恒流充电

恒流充电曲线如图1.4.2所示。

恒流充电的优点如下。

1可实现快速充电。

2确定的A·h输入，过充电可控。

3对长列串联电池组充电均匀性较好。

4不必苛求温度补偿。

5两阶段充电可以避免热失控现象。

不足之处在于单纯恒流充电，可能严重过充，导致析气严重，板栅腐蚀，电解液干涸，缩短电池寿命，控制电压充电时合适的。

随着电池使用期限增长，充电终结的电路分段式无效的。

1.4.3变流充电

充电曲线如图1.4.3所示。

变流充电的优点如下：

1充电输入随电池特性变化或者电池运行年龄而变化。

2可实现适度过充又能快速充电。

不足之处在于不适合浮充，有太高的过充电，A·h输入不确定。

图1.4.3变流充电

1.4.4脉冲充电

在任何情况下，电量随输入充点值最大值的达到而减小，脉冲有恒周期和恒振幅两类。

图1.4.4为恒周期脉冲充电，在整个充电过程中，周期不变，振幅逐渐变小。

图1.4.5为恒振幅变周期脉冲充电，充电过程恒振幅，周期逐渐减小。

图1.4.4恒周期脉冲充电图1.4.5恒振幅脉冲充电

1.5电动自行车充电器的充电方式

由于电动车属于民用产品，考虑成本和实用性，随车配套和市售的充电器均属恒压限流开关电源充电器，按蓄电池厂家要求，充电电流限制在1/10容量，一般1~2A恒流充电，当电压上升到57V左右，自动转换成小电流浮冲。

这种充电方式对极板硫化没有任何消除作用，而且会造成蓄电池寿命缩短。

1.6蓄电池损坏的原因

理论上这一反应可以无限次循环，但事实上一套蓄电池的循环次数正常使用在200次至300次。

通常铅酸蓄电池决定寿命的三大影响因素是：

a.正极板腐蚀与正极板活性物质脱落；b.负极板硫酸盐化与过早出膨胀；c.电解液干涸（热失控）。

往往根据正极板栅腐蚀速率确定寿命，就是常说的“浮充寿命10年或者20年”，那是基于正极板栅腐蚀速率预计及设计正极板栅后的来得出的。

1.6.1极板活性物质脱落的原因

（1）起始充电电流过大：

因为极板活性物质的还原是从导电最好的栅架处开始的，大电流充电时，该处硫酸铅迅速还原，所以距栅架较远的硫酸铅来不及起化学反应。

由于硫酸铅体积较大，故与内部已还原的活性物质间的附着力就差，因此容易从极板上脱落下来。

（2）充电后期电流过大：

这样会产生大量的气泡，剧烈冲击极板表面，使已还原的比较松软的二氧化铅大量脱落。

（3）经常性的过量充电：

过充电的电流虽然不大，但由于此时极板上硫酸铅已全部还原为二氧化铅和铅，充电电流全部用到电解液上，这时产生的气泡虽不是太多，但同样对极板表面产生冲击作用使活性物质脱落。

（4）放电电流过大：

此时化学反应激烈，会引起极板翘曲，从而造成活性物质脱落。

1.6.2负极板硫酸化的原因

负极板硫酸盐化是铅酸蓄电池特有的现象，负极不可逆硫酸盐化出现的主要原因有：

电池长期充电不足、高温下长期深放电、长期放电搁置，高型极板中电解液浓度分层和电池失水。

导致在负极板上发生以下三个反应：

PbSO4+2e-+2H+→Pb+H2SO4

2H++2e-→H2

1/2O2+2e-+2H+→H2O

上述三个反应中由于后两个反应顺利进行，导致PbSO4还原过程缓慢，加之充电不足，负极上PbSO4增多。

对于铅酸蓄电池不管是循环使用方式、浮充使用方式还是部分电荷状态下使用，都会遇到电池过放电，若是经常过放电，长期开路搁置自放电，特别是放电后未及时充电而停放，或多次过放电或者杂质过多，或H2析，或高型电池引起电池发生充电接受能力差，最终发生不可逆硫酸盐化。

通过对大量报废的蓄电池解剖分析，活性物质脱落并不是蓄电池报废的主要原因，就电动车而言，平均每年活性物质脱落不足8%。

而影响蓄电池循环寿命的主要原因是极板硫化，也就是放电过程中形成硫酸铅晶体，活性物质失去活性。

蓄电池在大电流放电时，尤其是过放电状态下，会有一部分硫酸铅结晶，形成致密的硫酸铅晶体，在充电过程中，这部分活性物质失去活性，不能再恢复成二氧化铅和海绵状的铅，从而蓄电池容量下降，日积月累，蓄电池容量不断下降，一般容量下降到额定容量的20%左右，就会明显出现电机无力，续驶里程大大缩短，此时只有更换新电瓶。

2所选择的器件及介绍

本设计采用通用的NE555时基电路和NE556双时基电路，分别实现了多谐振荡器和单稳态延时电路功能，从而完成充放电时序。

使用VMOS管IRF9540和IRF540来控制蓄电池进行充放电。

故在此对电路中用到的元器件进行一些介绍。

2.1NE555

2.1.1NE555基本介绍

555时基集成电路是一种应用十分广泛的模拟——数字混合式（即双极型）集成电路，国外典型的产品型号有NE555、LM555、XR555、CA555、RC555、uA555、SN2555、LC555，国内的产品型号有5G1555、SL555、FX555、FD555等。

它们的内部功能结构和管脚排列序号都相同，因此可以相互替代使用。

555时基电路既有定时精度高、温度漂移少、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电路较大等优点。

人们在应用中发现，它的用途十分广泛，可以组成性能稳定的无稳态振荡器、单稳态振荡器、双稳态RS触发器和各种电子开关电路等。

2.1.2NE555引脚及说明如下

图2.1.2NE555引脚图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

2.1.3NE555的内部结构图如下

图2.3.1NE555内部电路图

从图2.3.1中可以看出，555时基集成电路是由分压器、比较器、RS触发器、输出级和放电开关五大部分组成的。

它的内部一共集成了21个晶体管、4个二极管、和16个电阻器，组成了两个电压比较器、一共RS触发器、一个放电晶体管和一个由3只全等电阻组成的分压器。

555时基集成电路的功能框图可以看到，C1和C2为两个高增益的电压比较器，他们的输出端分别接到触发器的R端（置“1”端）和S端（置“0”端）；V1是放电晶体管；R