铅酸蓄电池高频脉冲能量充放电电源的研究

论文摘要

铅酸蓄电池由于其突出的优点,在各个领域得到了广泛的应用。铅酸蓄电池在使用过程中,影响其使用寿命的因素有很多,其中铅酸蓄电池的充放电过程起有着很大的影响。目前,铅酸蓄电池的充放电技术得到了很大的发展,但在使用过程中也存在着很多缺点,如温升比较高、析气比较严重、充电时间比较长等。因此,发展新的充放电技术对提高铅酸蓄电池的使用寿命,促进铅酸蓄电池的发展有着重要的意义。本文通过对铅酸蓄电池电化学特性的分析以及充放电过程对铅酸蓄电池的影响,并深入研究了传统充放电技术特别是脉冲充放电技术,在此基础上提出了一种新的脉冲能量的铅酸蓄电池的充放电技术,并研制了一台脉冲能量的铅酸蓄电池充放电电源。本文对电源的主电路进行了分析,选择了反激式拓扑结构,并详细分析了反激式拓扑结构的工作原理。反激变换器输出断续三角波脉冲电流实现对铅酸蓄电池的脉冲能量充电。控制电路的设计从脉冲能量充放电技术的要求出发,以PWM理论为基础,实现对输出PWM信号的脉宽和频率调节,并设计输出电流检测环节,保证电源输出的脉冲电流断续。同时电源具有开关管过流保护和掉电保护,保证电源工作的安全。利用分立元件设计了驱动电路,提高系统抗干扰能力,增加可靠性,保证了开关管的可靠导通和关断。通过对研制的脉冲能量铅酸蓄电池充放电电源的测试和实验,以及对实验数据的分析证明了脉冲能量充放电技术的可行性和优越性,具有一定的实用价值。

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Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 铅酸蓄电池的工作原理和特性

1.2.1 铅酸蓄电池的发展历史和现状

1.2.2 铅酸蓄电池的工作原理

1.3 铅酸蓄电池极化现象

1.3.1 内阻极化

1.3.2 浓差极化

1.3.3 电化学极化

1.4 铅酸蓄电池传统充放电技术

1.4.1 恒压充电

1.4.2 恒流充电

1.4.3 恒压限流充电

1.4.4 变电流间歇充电

1.4.5 变电压间歇充电

1.4.6 脉冲充电

1.5 铅酸蓄电池充放电装置的发展

1.6 本文的主要研究内容

1.6.1 电源的技术指标

1.6.2 主要研究任务

第2章铅酸蓄电池充放电技术的研究

2.1 铅酸蓄电池的充放电特性

2.1.1 充电中的电压变化

2.1.2 放电中的电压变化

2.2 铅酸蓄电池的失效模式

2.3 影响铅酸蓄电池寿命的因素

2.4 充放电对铅酸蓄电池的影响

2.4.1 充电对铅酸蓄电池的影响

2.4.2 放电对铅酸蓄电池的影响

2.5 脉冲能量充放电方法

2.5.1 马斯三定律

2.5.2 脉冲充电模式对铅酸蓄电池的影响

2.5.3 脉冲放电模式对铅酸蓄电池的影响

2.5.4 脉冲能量充放电模式的提出

2.5.5 脉冲能量充放电模式的特点

2.6 本章小结

第3章主电路的设计与分析

3.1 主电路拓扑的确定

3.1.1 单端反激式拓扑结构

3.1.2 双端反激式拓扑结构

3.1.3 充放电电源拓扑结构的确定

3.2 双端反激变换器工作状态分析

3.2.1 开关模态1

3.2.2 开关模态2

3.2.3 开关模态3

3.2.4 开关模态4

3.3 元器件的选择

3.3.1 开关管的选择

3.3.2 二极管的选择

3.4 变压器的设计

3.4.1 磁芯材料的选择

3.4.2 双端反激变换器的漏感效应

3.4.3 变压器设计计算公式

3.4.4 充电变压器具体参数的计算

3.4.5 放电变压器具体参数的计算

3.4.6 导线线径的选择

3.5 主电路仿真

3.6 本章小结

第4章控制回路的硬件设计

4.1 PWM信号发生电路

4.1.1 PWM信号脉宽调节电路

4.1.2 PWM信号频率调节电路

4.2 输出脉冲检测电路

4.3 蓄电池电压检测电路

4.3.1 蓄电池充电的电压检测电路

4.3.2 蓄电池放电的电压检测电路

4.4 保护电路

4.4.1 开关管过流保护电路

4.4.2 掉电保护电路

4.5 启动电路的设计

4.6 驱动电路的设计

4.7 本章小结

第5章实验结果与分析

5.1 脉冲能量铅酸蓄电池充放电电源实物图

5.2 电源测试波形

5.2.1 控制电路的波形及分析

5.2.2 驱动电路的波形分析

5.3 充放电过程的波形及分析

5.3.1 充电过程中的电压电流波形

5.3.2 放电过程中电压电流波形

5.4 充放电数据分析

5.4.1 充电数据分析

5.4.2 放电数据分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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