课程设计说明书汽车蓄电池电压监视器设计.doc
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1、 沈航北方科技学院 课程设计说明书 课程名称 汽车蓄电池电压监视器设计 教 学 部 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 2013年6月第 19 页 沈航北方科技学院 课程设计任务书教 学 部 信息工程系 专业 自动化 课程设计题目 汽车蓄电池电压监视器设计 班级 B141302 学号 B14130209 姓名 初文雅 课程设计时间: 2013 年 6 月 18 日至 2013 年 6月 28 日课程设计的内容及要求: (一)课程设计的内容及要求:设计一个汽车蓄电池电压监视器设计。1. 电路由NE555时基集成电路为主要元器件制作而成。2. 它在蓄电池不足时,能发出红光报警信号。(蓄电池
2、两端电压 为V时熄灭,低于10V时点亮即可)。4. 实验室中搭接电路并调试。5. 写出设计报告。 (二)基本要求 第十七周 查找资料设计电路,安装调试电路。 第十八周 撰写论文。目录摘 要3第一章:绪论31.1 课题研究背景344第二章:蓄电池52.1 蓄电池的应用5常用的蓄电池分类及特点5第三章 蓄电池的检测方法及管理思路8第四章 汽车蓄电池电压监视器设计84.1 NE555详细介绍和引脚图8 4.2 汽车蓄电池电压监视器电路工作原理12 结论14设计体会及建议14主要参考书15 摘 要 现在的汽车,无论是汽油车还是柴油车 ,其发动机都是通过蓄电池作电源用启动机来带 动发 动机转动,使之达到
3、可靠启动的最低转速 ,从而使得发动机点火、工作。所不同的是:对汽油机来说,使它可靠地启动要有 3个条件,第 l是汽缸中吸八可靠着火的 混合气体 第 2是在压缩冲程终了时,混合气体要具 有一定的温度与压力,使第 1次爆发燃烧后,发动机能继续工作;第 3是点火装置舷发出可靠的火花。而柴油机是靠压缩点火 对汽油机来说 ,如果转蘧过低 ,活塞及缸壁漏气多、热量损失过多、且进气流速过低,汽油雾化不 良,将会导致汽缸内混合气体不易着火 ,因此发 动机也就不易发动起来根据汽化条件,在周围介质温度为 O6C时 ,汽油 机的最小启动转速一般不低 于 5mir,。对柴油机来说,虽靠压缩点火 ,但也取决于压缩2中程
4、终了时的空气温度 。这也及周围介质温度、汽缸壁的温度与压缩时间的长短有关,而这些也 直接 及 曲轴转 速盼 大小 有关 。若转 速低 ,则压缩时间长,散热 、漏气就严重 ,就会使压缩行程终了时的空气温度与压力降低 ,使燃料不易着火 ,发动机便不能发 动,一般 柴油机的最小启动转建 比汽袖机要高,通常 为 100200rmin因此,蓄电池作为汽车启动机的电源 ,其电压与容量必须满足启动机将发 动机拖动到一定的启动转速的要求。又因启动机的启动电流很大 (通常 汽油机 为 200 600A荣 油机 为 l000A),当蓄电池亏电较多或 内部损坏时,就很难使启动机将发动机拖动到所需的启动转速,或根本不
5、可 能使启动机运行 。现在国内许多车上装置了手动的或电磁式的蓄电池电源总开关。汽车在停车时 ,断开此总开关 ,可避免蓄 电池 自放电。但是,汽车行驶时 驾驶员对蓄电 ,池的实际情况并不知道 ,只能在启动时 从 启动机的有力及无力 或是接通车灯 ,观察灯光的明亮情况 ,来判断蓄电池的好坏。因此 ,在车上有必要增设一种汽车在行驶过程中以及在停车后,都可以监视蓄电池是否完好的装置,这样就可以随时随地监视蓄电池及汽车。关键词:蓄电池; 高压;电流;自放电;监视; 第一章:绪论1.1 课题研究背景 目前,蓄电池不仅作为电源在铁路,电力,传统汽车等行业发挥着重要的作用。而且也已经开始作为动力电源或动力辅助
6、电源应用于电动汽车(EV)与混合动力汽车(HEV)领域。由于单只电池的额定电压较低,不能满足实际需要,因此实际应用过程中往往将多只电池串联使用。如果某一只蓄电池出现故障不能及时被发现,会造成整组蓄电池的性能下降,甚至很快损坏。因此对没一只电池的监测是非常必要的。本论文提出一种检测电路,可以同时测量蓄电池电压与温度,上位机可以根据测量结果判断蓄电池的性能的好坏,完成实时监测功能。而且利用多只检测模块可以方便地组成分布式测量系统。 新材料电池领域其实有许多技术路线,但本质上都与半导体技术中控制材料导电性的原理相通。目前,最普及的新材料电池方向是锂的过渡金属氧化物材料。在这一方向上,又存在诸如钴酸锂
7、、镍酸锂与锰酸锂。上述三种中,钴酸锂的成本较高,资源贫乏,毒性大;镍酸锂的制备困难,热稳定性差;锰酸锂的容量较低,循环稳定性较差。由于钴酸锂的改性材料的产业化比较容易,目前已经用在手机、笔记本电脑等移动设备上,但如用到电动车甚至更大型的储能方面,其成本、安全性与环保性都差很远。因此,要想往电动车甚至更大型设备的储能蓄电池上前进,必须有新材料的技术突破。就是在这个时候,磷酸亚铁锂出现了。1997年就有美国、加拿大等国的科学家提出了磷酸亚铁锂电池的方向,但如何提高这种材料的导电率与能量密度一直是其产业化道路上的难题 2003年非典期间,北京有色金属研究院超导研究部的研究员段镇忠一个人在实验室里做着
8、实验,难得的清静让他的实验效率明显提高。有“超导”研究背景的他,利用量子力学第一性原理计算出磷酸亚铁锂的结构性质,并引入氧空位改变材料原子之间的宽度(类似芯片工业做的事情)。这些应用基本原理完成的实验,却意义重大。段镇忠制备的磷酸亚铁锂的导电率明显提高,实验室电容量达到每克160毫安时,文献上推算的理论值也不过是 170。而后来业界流行走加拿大人申请专利的碳包裹路线,虽然也可制备出导电率较高的磷酸亚铁锂,但由此带来一系列新问题会使制备工艺复杂化,而段镇忠引入氧空位的方法则便于简化工业化生产的流程,也就能保证产出的材料质量更稳定,同时规避了国外专利保护的风险。至此,中国在动力车电池乃至大型储能蓄
9、电池方面的研究与产业化,达到了世界领先地位,与加拿大Phostech、美国Valence与A123公司等电池巨头可以说基本处在并驾齐驱的位置。及光伏产业的多晶硅材料提纯一样,由于中国具备物理学以及基础材料科学方面的技术优势,并且有巨大的市场前景作为对企业家的激励,以磷酸亚铁锂材料电池为核心的新能源产业,势必会像光伏产业一样,在研发与市场的双重驱动力下迅速崛起! 迫于环境污染与石油资源短缺的压力,为实施可持续发展战略,混合动力汽车已成为21世纪汽车工业的发展方向。国内外专家的共识是:混合动力电动汽车不只是电动汽车的一个过渡阶段,而是汽车工业即将面临的一场新的革命。由于混合动力电动汽车的行驶工况十
10、分复杂,对蓄电池的寿命影响很大,而镍氢蓄电池的使用寿命有限。因此,对混合动力电动汽车的动力电池组进行能量管理,是十分必要的。但是电池能量管理系统成本昂贵,电路复杂,而且电池在充放电过程中的化学变化也很复杂,要精确计算与预测电池的荷电状态与剩余能量及寿命是很困难的,到目前为止,这一技术仍在研究发展中。本文在蓄电池试验的基础上,分析与研究Ni-MH蓄电池充放电特性及其影响因素,建立了电池内阻、电动势模型,提出了安时能量守恒开路电压算法(AhCOEOCU法)预测蓄电池的剩余能量与荷电状态计算方法,并进行温度、循环使用寿命、自放电等补偿,从而建立了蓄电池的充放电模型。根据国外各种形式混合动力汽车蓄电池
11、的应用分析,选择了蓄电池的比功率与容量;并进行发动机实验,利用样条插值方法构造了发动机的转矩模型,根据混合动力的控制策略,结合长安羚羊混合动力汽车进行仿真计算,以确定混合动力汽车蓄电池电压。在蓄电池充放电试验研究、理论分析与参数选择的基础上,进行放电模型的验证,得到了及实际相符的结果;同时,对蓄电池快速充电方法进行比较,应用脉冲分阶段恒流快速充电方法进行蓄电池快速充电控制仿真计算,得到了满意的结果。进行了混合动力汽车Ni-MH电池管理系统的研究与设计。该系统不仅能够准确监测电池组中各单块电池的工作性能如充放电电流、电压、温度等,具有早期故障诊断与报警功能,防止电池的过充电与过放电,而且能够提供
12、直观的电池组剩余能量值与荷电状态。第二章:蓄电池2.1 蓄电池的应用 随着中国经济的发展,燃油汽车拥有量剧增,汽车尾气排放成为城市大气污染的主要来源之一,为此中国政府将环境保护作为实施可持续发展战略的重要内容,国家于1996年启动汽车重大科技产业化工程项目,包括概念车的研制,电动车关键部件攻关(电池、电池管理等)。作为电动车动力电池的研究种类很多,有铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、钠-氯化镍电池、锂离子电池、燃料电池等。根据中国电动车发展计划,期望将公交车、出租车作为电动车使用的首要地位,因此需要发展价格低廉的电动车电池,1991年国家将电动车铅酸电池的研究开发列为重点项目,目前存在的最大问题是
13、电池均匀一致性差。常用的蓄电池分类及特点蓄电池的种类 目前,我们常用的蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池与免维护蓄电池三种。 1)普通蓄电池;普通蓄电池的极板是由铅与铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜;缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短与日常维护频繁。 2)干荷蓄电池:它的全称是干式荷电铅酸蓄电池,它的主要特点是负极板有较高的储电能力,在完全干燥状态下,能在两年内保存所得到的电量,使用时,只需加入电解液,等过2030分钟就可使用。 3)免维护蓄电池:免维护蓄电池由于自身结构上的优势,电解液的消耗量非常小,在使用寿命内基本不需要
14、补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种:第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护(添加补充液);另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死,用户根本就不能加补充液。蓄电池的结构 一般的蓄电池铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液与接线桩头等组成,其放电的化学反应是依靠正极板活性物质(二氧化铅与铅)与负极板活性物质(海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行,其中极板的栅架,传统蓄电池用铅锑合金制造,免维护蓄电池是用铅钙合金制造,前者用锑,后者用钙,这是两者的根本区别点。不同的材料就会产生不同的现象
15、:传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象,这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅,减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势,造成水的过度分解,大量氧气与氢气分别从正负极板上逸出,使电解液减少。用钙代替锑,就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势,减少过充电流,液体气化速度减低,从而减低了电解液的损失。由于免维护蓄电池采用铅钙合金栅架,充电时产生的水分解量少,水份蒸发量低,加上外壳采用密封结构,释放出来的硫酸气体也很少,所以它及传统蓄电池相比,具有不需添加任何液体,对接线桩头、电线腐蚀少,抗过充电能力强,起动电流大,电量储存时间长等优点。 免维护蓄电池因其在正常充电电压下,电解液仅产生少量的气体,极
16、板有很强的抗过充电能力,而且具有内阻小、低温起动性能好、比常规蓄电池使用寿命长等特点,因而在整个使用期间不需添加蒸馏水,在充电系正常情况下,不需从拆下进行补充充电。但在保养时应对其电解液的比重进行检查。大多数免维护蓄电池在盖上设有一个孔形液体(温度补偿型)比重计,它会根据电解液比重的变化而改变颜色。可以指示蓄电池的存放电状态与电解液液位的高度。当比重计的指示眼呈绿色时,表明充电已足,蓄电池正常;当指示眼绿点很少或为黑色,表明蓄电池需要充电;当指示眼显示淡黄色,表明蓄电池内部有故障,需要修理或进行更换。免维护蓄电池也可以进行补充充电,充电方式及普通蓄电池的充电方法基本一样。充电时每单格电压应限制
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