電動自行車脈沖除硫充電器的設計解讀

1、鄭州大學畢業(yè)設計（論文）題 目：電動自行車脈沖除硫充電器的設計指導教師：王生德 職稱： 副教授學生姓名：寧帥杰 學號：20082410128專 業(yè)：電子信息工程院（系）：信息工程學院完成時間：2012年5月25日2012年5月25日41畢業(yè)設計（論文）任務書課題名稱電動自行車脈沖除硫充電器的設計題目來源：科研設計人姓名寧帥杰 學號 20082410128指導教師姓名、職稱 王生德 副教授指導時間/地點鄭州大學南校區(qū)專業(yè)班級電子信息工程1班一、設計（論文）內(nèi)容1:鉛酸蓄電池的相關知識。2:電路設計所需要的器件的詳細介紹。3:電路原理設計及分析。4：實驗結(jié)果及結(jié)果分析，設計的優(yōu)勢和可應用之處。、設

2、計（論文）的主要技術(shù)指標1:蓄電池充電電壓 48V。2:蓄電池最大脈沖充電電流50A。3:蓄電池最大脈沖放電電流100A。4:蓄電池充電脈沖寬度：300ms。5:蓄電池放電脈沖寬度：1ms。、進度安排第7學期期末兩周：確定論文題目，查閱資料。第8學期：1-4周 學習參考文獻，補充查詢資料，完成開題報告。5-8周 分模塊設計電路，并進行原理分析。9-14周 完善電路設計，調(diào)試并得出結(jié)果，寫論文并準備答辯。四、畢業(yè)設計（論文）提交的文檔及基本要求1 .畢業(yè)論文一份（包含封皮、目錄、中英文摘要、內(nèi)容及參考文獻）2 .不少于5000漢字的科技翻譯資料一份3、畢業(yè)論文簡介（A4紙12頁）（包含題目、專業(yè)

3、、年級、姓名、指導教師、畢業(yè)論文所做的工作、 解決的問題、創(chuàng)新之處等）4 .畢業(yè)設計任務書5 .開題報告6 .畢業(yè)設計工作中期檢查表畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱電動自行車脈沖除硫光電器的設計學生姓名電子信息工程寧帥杰學號20082410128專業(yè)班級2008級1班一、選題的目的意義電動自行車是當下人們出行和上班的主要交通工具，目前電動車電源主要采用免維護鉛酸蓄電池（48V）,在正常使用條件下，一套電瓶的使用壽命在一年到一年半左右。超過期限，續(xù)駛里程大大 縮短，必須更換新電瓶。然而，電瓶的成本占整車的三分之一左右，給用戶帶來極大的經(jīng)濟負擔， 同時，電瓶的主要材料是鉛和硫酸，報廢的電瓶會對環(huán)境

4、造成極大污染，處理不當，后果極其嚴重。 對蓄電池壽命有影響的主要是活性物質(zhì)脫落和極板硫化。經(jīng)過大量的剖析報廢的鉛酸蓄電池發(fā)現(xiàn)， 導致蓄電池使用壽命極端的原因是極板硫化。常用的預防蓄電池極板硫化的方法為添加催化栓或者 添加有機添加劑，而蓄電池硫化后再生的方法有反沖再生法、化學充電方法、電解液浸潤法等。上 述方法對于脈沖除硫有一定的效果。但是它們都有一些明顯的缺陷，有的過程太過繁瑣，不易操作； 有的成本太高，不易推廣。故希望能在原有基礎上進行改進，設計出一個比較簡單并具有較高再生 效率的除硫光電器。二、國內(nèi)外研究綜述對于硫酸鹽化失效的蓄電池進行再生主要有反充再生、化學充電方法再生、電解液浸潤法等，

5、這些方法對電池進行再生有一定的效果，尤箕是電解液浸潤法，將有再生劑的電解液加入到失效的電池進行浸潤7-9h后，在進行25-28h的間歇式正脈沖充電，基本能消除鉛酸蓄電池的硫酸鹽化，但是此方法較為復雜，且深層的硫酸鉛晶體不太容易被激活。三、畢業(yè)設計（論文）所用的方法本設計米用通用的 NE555時基電路和NE556雙時基電路，分別實現(xiàn)多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)延時電 路功能，從而完成先放電時序，達到消除硫化效果。任何絕緣層都能被高壓擊穿，擊穿后變?yōu)閷щ?狀態(tài)，故對鉛酸蓄電池進行脈沖充電，用極端的高壓脈沖擊穿硫酸鉛晶體，使得晶體處于導電狀態(tài)， 重新進入充放電循環(huán)中。四、主要參考文獻與資料獲得情況陳紅雨，熊正

6、林，李中奇先進鉛酸蓄電池制造工藝化學工業(yè)出版社 2010（澳）蘭德（Rand, D.A.J.）等主編；郭永榔等譯閥控式鉛酸蓄電池機械工業(yè)出版社 2006劉廣林編著鉛酸蓄電池工藝學概論機械工業(yè)出版社 2008張義國，周正軍.一種新型鉛酸電池充電器的設計M.機電工程技術(shù) 2010THC亮，李建婷，李又幾.一種智能鉛酸蓄電池充電器的設計M.通訊電源技術(shù) 2006五、指導教師審批意見簽字：年 月日畢業(yè)設計工作中期檢查I2012年03月26日課題名稱電動自行車脈沖除硫光電器的設計姓 名寧帥杰專業(yè)和班級電子信息工程2008級1班指導教師王生德一、畢業(yè)設計具體內(nèi)容、目標和可能遇到的問題設一個電動自行車脈沖除

7、硫充電器，希望此充電器能夠為硫酸鹽化的電動自行車鉛酸蓄電池具有較好的再生作用。目前所遇到的問題時現(xiàn)有的蓄電池除硫方法較多，但是都 有一定的缺陷，同時鉛酸蓄電池脈沖充電主要有恒壓變周期和恒周期變壓兩種，目前設計 采用的是恒壓恒周期加反向脈沖的方法，對于實際效果有待驗證。二、米取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析理論上，結(jié)晶的硫酸鉛晶體可以被高壓擊穿，擊穿后的晶體可以重新進入充放電循環(huán)。為了保證擊穿大的硫酸鉛結(jié)晶體而不發(fā)生析氣，必須使這個高電壓足夠短， 占空比足夠大，并進行限流。這樣就可以將已結(jié)晶的硫酸鉛晶體擊碎，使其重新恢復活性。但硫酸鉛晶體 容易極化，強脈沖電流光電會使電池發(fā)熱，溫度上

8、升導致極板加速腐蝕，不但沒能延長蓄 電池壽命，反而使蓄電池壽命更短。為了防止此種情況的發(fā)生，可在脈沖間隙加入去極化 負脈沖。與充電脈沖相比，去極化負脈沖的持續(xù)時間極短，但幅度是充電脈沖的幾倍，這 樣就實現(xiàn)了消除硫化又不使電池發(fā)熱的目的。三、指導教師對學生出勤、文獻閱讀等方面的評語簽字：年 月日畢業(yè)設計工作中期檢查n2012年04月30日課題名稱電動自行車脈沖除硫光電器的設計姓 名寧帥杰專業(yè)和班級電子信息工程2008級1班指導教師王生德一、階段性結(jié)果蓄電池的相關材料已經(jīng)準備比較充分。如蓄電池損壞的原因，達不到預期的原因等。電路 方面已經(jīng)設計完成。預期下一個階段進入仿真以及最終的實物制作部分。二、

9、存在的問題具體的充電脈沖寬度，反向去極化脈沖寬度小清楚最后效的值，這需要試驗結(jié)果驗證來確a£o三、后一步工作設想對于具體的波形主要設計完成。但脈沖寬度需要進一步測試。需進行實際的充電，查看相 關的結(jié)果。四、指導教師對學生出勤、論文進展方面的評語簽字：年 月日電動自行車除硫充電器的設計摘要：電動自行車鉛酸蓄電池使用壽命普遍較短的主要原因是極板硫化。從固體物理上來講，任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以被擊穿，擊穿后的絕緣層會由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ姞?態(tài)。因此，對于蓄電池負極板上的沉積的硫酸鉛晶體，可以在充電時施加瞬間高電壓來加以擊穿。本設計采用強脈沖充電，并在充電脈沖間隙加入負極化脈沖，將由

10、于硫化產(chǎn)生的硫酸鉛晶體擊碎，去除硫化。主電路采用通用的 NE555時基電路和NE556雙時基電路，分別實現(xiàn) 多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)延時電路功能，從而完成充放電時序，達到消除硫化效果。關鍵詞：鉛酸蓄電池；脈沖除硫化；充電器Abstact: Plate curing is the main cause of Electric bicycle lead-acid battery's short-lived.From solid state physics , any insulation layer can be breakdown at a sufficiently high voltage

11、, after that the insulation layer can be turned into a a conductive state. Therefore ,the lead sulfate crystal deposited on the battery negative pole plate , can be break down by the applied moment high voltage at the recharged time.Using strong pulse charging and adding the negative pulse in the ga

12、pping of the strong pulse charging can effectively break up Lead-sulfate crystals and solve the problem of plate curing.The main circuit uses General NE555time-base circuit and NE556dual time base circuit , respectively realize the multivibrator and a Single state delay circuit function ,so that to

13、complete the charge and discharge time series and solve the problem of sulfide.Key Words : lead-acid battery; pulse devulcanization; charger目錄前言 81鉛酸蓄電池的相關內(nèi)容 81.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展簡史 81.2 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)與分類 91.3 基本充電過程一一化學反應及副反應 101.4 現(xiàn)如今鉛酸蓄電池的充電方法 111.4.1 恒壓充電 111.4.2 恒流充電 121.4.3 變流充電 121.4.4 脈沖充電 131.5 電動自行車充電

14、器的充電方式 131.6 蓄電池損壞的原因 141.6.1 極板活性物質(zhì)脫落的原因 141.6.2 負極板硫酸化的原因 142所選擇的器件及介紹 152.1 NE555 152.1.1 NE555 基本介紹 152.1.2 NE555引腳及說明如下 162.1.3 NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下 172.1.4 555 時基集成電路的真值表 192.1.5 NE555 的特點 192.2 555 時基集成電路基本工作方式 192.2.1 單穩(wěn)態(tài)工作模式 192.2.2 雙穩(wěn)態(tài)工作模式 212.2.3 無穩(wěn)態(tài)工作模式 212.3 NE556 232.4 IRF9540、IRF540 242.4.1

15、IRF9540 基本參數(shù)和輸出特性曲線 242.4.2 IRF540 基本參數(shù)和輸出特性曲線 253原理分析及電路設計 263.1 原理分析 263.2 電路結(jié)構(gòu)設計 263.3 模塊電路分析 273.3.1 供電電路 273.3.2 矩形波產(chǎn)生電路 283.3.3 負脈沖產(chǎn)生電路 293.3.4 充放電回路 314總電路圖 335 實驗結(jié)果與分析 34致謝 35參考文獻 36、， 、. 刖百自1860年第一塊蓄電池出現(xiàn)以來，經(jīng)過兩個多世紀的發(fā)展，蓄電池已經(jīng)深 入到我們周圍的點點滴滴。大到航天飛機小到日常用的手電筒， 都有蓄電池在其 中工作。理論上蓄電池可以進行無限次的充放電，但是由于制作工藝

16、以及使用方式的原因，事實上一套蓄電池的循環(huán)次數(shù)正常使用在 200次至300次。而影響蓄 電池循環(huán)壽命的主要原因是極板硫化，也就是放電過程中形成硫酸鉛晶體，活性 物質(zhì)失去活性。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池為防止負極板硫酸鹽化， 會采用輔助裝置催化栓設計，即 在電池上加上催化栓，或者添加有機添加劑。但是前一種方法比較復雜，而第二種會導致一定的途徑損失。負極板硫酸鹽化失效后再生有反沖再生法、化學充電 方法、電解液浸潤法等。但是但它們都存在一些明顯的缺陷，或過程太過繁瑣， 不易操作；或成本太高，不易推廣；或適用范圍有限，不適用密封電池或廢舊電 池等。本項目根據(jù)鉛酸蓄電池充放電的化學機理， 設計出一種電路簡單、效果

17、顯著、 成本低廉、使用方便的脈沖除硫化充電器。此充電器采用強脈沖充電，將由于硫化產(chǎn)生的硫酸鉛晶體擊碎，使其重新恢復活性，并參加到蓄電池的充放電反應中。 同時考慮到大電流脈沖易導致蓄電池發(fā)熱，反而加速極板腐蝕，可在充電脈沖問隙加入去極化負脈沖，達到去除硫化而不使蓄電池發(fā)熱的目的。 同時脈沖除硫化 充電器不僅可以節(jié)約能源，減少了對環(huán)境的污染，而且， 由于采用NE555時基電 路和NE556雙時基電路完成脈沖放電時序，易于推廣應用。1鉛酸蓄電池的相關內(nèi)容1.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展簡史公認鉛酸蓄電池是由法國人普蘭特 （G.Plant ）創(chuàng)制，他于1860年向法國科 學院送交樣品。其蓄電池的構(gòu)造是用兩塊鉛

18、皮，中間用橡膠條隔開，浸在10%勺稀硫酸中，經(jīng)過正向充電、停止、反向充電。如此反復進行，使得產(chǎn)品能以當時 任何一次電池更大的電路放電。 但當時發(fā)電機尚未問世，他只能用一次電池作為 充電電源，耗費自然很大，他的蓄電池僅成為實驗室的一種新事物，知道 13年 后，直流發(fā)電機問世，鉛酸蓄電池才走向?qū)嵱没?。雖然有了直流發(fā)電機，但是反復充電以形成極板的活性物質(zhì)仍嫌太麻煩， 1881年法國人富爾(Faure)發(fā)明了以鉛化合物涂在鉛片上，可以很快形成活性 物質(zhì)，差不多同時，英國人瑟隆(Sellon )發(fā)明了鉛確合金板柵，這種板柵與富 爾涂粉方法結(jié)合，出現(xiàn)了所謂的涂膏式極板。這種方法簡便易行，大大方便了生產(chǎn)。從

19、1910年起，鉛酸蓄電池受到了兩項打的推動力：一是汽車開始用他來做 啟動、照明、點火三項任務，所以就需要較輕、能發(fā)出打電流的產(chǎn)品，并由于汽 車數(shù)量的增加之快，促進了鉛酸電池的工業(yè)化生產(chǎn) ；二是電話業(yè)務采用鉛酸蓄電 池作為備用電源，要求安全可靠性并能使用多年的蓄電池。從此蓄電池用在汽車、 摩托車、鐵道、礦山、通信等工業(yè)，并站穩(wěn)腳跟。進入二十世紀之后，鉛酸蓄電池的重大改進有： 1: 20世紀20年代由美國 Exide公司推出的管式極板。2:50年代由美國Delco公司首先推出的無現(xiàn)合金為 板柵的免維護汽車蓄電池。3:70年代由美國Deviff氏創(chuàng)新的閥控式蓄電池。鉛酸蓄電池面世一個半世紀以來， 它

20、的應用領域如汽車、電信等，并不存在 被新型能源如氫鍥蓄電池、鋰離子蓄電池取代的可能性。而隨著這些已有的應用 領域的發(fā)展，鉛酸蓄電池必定自行跟進，例如汽車電系統(tǒng)有12V向36V的轉(zhuǎn)變,對汽車蓄電池將有很大一個量與質(zhì)的提高。除了已有的領域外，新的應用領域也在展開，例如電動自行車的配套蓄電池看， 其產(chǎn)值已經(jīng)超過了歷來局第二位的周 定型鉛酸蓄電池。而混合式汽車以及燃料電池需配用的化學能源，鉛酸蓄電池呼聲很高，凡此都說明鉛酸蓄電池雖然面世 150年，但仍充滿活力，他現(xiàn)在的總產(chǎn) 值為全部化學電源總產(chǎn)值的一半，這一份額在未來二、三十年間仍將保持下去， 鉛酸蓄電池尚大有可為。1.2 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)與分類

21、鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電槽及電解液組成，此外還有一些零 件如氣塞、連接條、極柱等等，分述如下：(1)正極板 包括涂膏式、形成式、鉛布式、鉛箔式等。(2)負極板 包括涂膏式、鉛布式、鉛箔式。(3)隔板包括微孔橡膠式、PVC微孔PVC AGM 10-G、棉漿式。(4)電解槽硬橡膠式及塑料槽。(5)電解液一律為稀硫酸，有一部分做成膠體。蓄電池的按極板型主要分類有：(1)形成式：正極板為純鉛板用電化方法生成過氧化鉛、 負極板曾經(jīng)用箔式， 后改成涂膏式。這種蓄電池全屬固定型，壽命特長。(2)涂膏式：這是用的最廣泛的，及以鉛合金板柵涂上鉛膏。(3)鉛網(wǎng)式：用玻璃纖維復以薄層純鉛，制成鉛線，以鉛

22、線織成布狀，稱為 鉛布，以鉛布代替板柵。具優(yōu)點是比合金板柵輕，但涂膏后整體剛度差，不應垂 直放置，只能水平放置，故構(gòu)成的蓄電池稱為水平電池，這種蓄電池內(nèi)阻小，比 能量高，但自放電也高，適應于牽引車用。(4)卷繞式：有兩種，具一用厚0.7mm的純鉛板柵涂膏，另一用0.5mm的鉛 箔涂膏。以上兩式均各隔以AGM鬲板卷成圓柱狀，電池槽亦為圓柱狀。此式特點 是可以用很高的內(nèi)壓為 300-400kPa,同時也可采用很大的極板組裝壓力，這是 由于圓電槽可以經(jīng)受很大壓力而不至于變形， 故這種蓄電池內(nèi)阻小，可以以極大 功率放電，用于手電鉆上就證明其勝過鎘鍥蓄電池，今后可能用于助力車。1.3 基本充電過程一一化

23、學反應及副反應蓄電池充放電是一可逆反應，反應的化學方程式為充電”PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2CHPbSO4.族電”鉛酸蓄電池充電時變成硫酸鉛的陰陽兩極的海綿狀鉛把固定在其中的硫酸成分 釋放到電解液中，分別變成海綿狀鉛和氧化鉛，電解液中的硫酸濃度不斷變大； 反之放電時陽極中的氧化鉛和陰極板上的海綿狀鉛與電解液中的硫酸發(fā)生反應 變成硫酸鉛，而電解液中的硫酸濃度不斷降低。鉛酸蓄電池在進行充放電時，正 極和負極必須同時以用當量、同狀態(tài)進行電化學反應才能實現(xiàn)充電或放電過程， 任何情況下都不能有正極或者負極單獨完成。當鉛酸蓄電池充電不足時，陰陽兩極板的硫酸鉛不能完全轉(zhuǎn)化變成海綿狀鉛和氧

24、化鉛，如果長期充電不足，則會造成硫酸鉛結(jié)晶，使極板硫化，電池品質(zhì)變 劣；反之如果電池過度充電，陽極產(chǎn)生的氧氣量大于陰極的吸附能力， 使得蓄電 池內(nèi)壓增大，導致氣體外溢，電解液減少，還可能導致活性物質(zhì)軟化或脫落，電 池壽命大大縮短。1.4 現(xiàn)如今鉛酸蓄電池的充電方法1.4.1 恒壓充電恒壓充電曲線如圖1.4.1所示，恒壓充電的優(yōu)點如下：1 過充電量受到控制，大多數(shù)電流用于充電。2 電流極限值可以變化（改變充電方式：快充電或者慢充電）。3 可以精確控制電壓恒定值。不足之處則是較長的充電“尾巴” ，A h輸入數(shù)不確定，電池之間可能出現(xiàn) 充電不足或充電不均勻，對浮充可能出現(xiàn)“熱失控”，需要溫度補償。圖

25、1.4.1 恒壓充電1.4.2恒流充電兩階段橫端充電充電時間fh圖1.4.2恒流充電恒流充電曲線如圖1.4.2所示。恒流充電的優(yōu)點如下。1可實現(xiàn)快速充電。2確定的Ah輸入，過充電可控。3對長列串聯(lián)電池組充電均勻性較好。4不必苛求溫度補償。5兩階段充電可以避免熱失控現(xiàn)象。不足之處在于單純恒流充電，可能嚴重過充，導致析氣嚴重，板柵腐蝕，電 解液干涸，縮短電池壽命，控制電壓充電時合適的。隨著電池使用期限增長，充 電終結(jié)的電路分段式無效的。1.4.3變流充電充電曲線如圖1.4.3所示。變流充電的優(yōu)點如下：1 充電輸入隨電池特性變化或者電池運行年齡而變化。2 可實現(xiàn)適度過充又能快速充電。不足之處在于不適

26、合浮充，有太高的過充電,A h輸入不確定1.4.4脈沖充電在任何情況下，電量隨輸入充點值最大值的達到而減小,脈沖有恒周期和包振幅兩類。圖1.4.4為恒周期脈沖充電，在整個充電過程中，周期不變，振幅逐 漸變小。圖1.4.5為恒振幅變周期脈沖充電，充電過程恒振幅，周期逐漸減小。至周期電出 JJIb-圖1.4.4恒周期脈沖充電圖 1.4.5恒振幅脈沖充電1.5 電動自行車充電器的充電方式由于電動車屬于民用產(chǎn)品，考慮成本和實用性，隨車配套和市售的充電器 均屬恒壓限流開關電源充電器，按蓄電池廠家要求，充電電流限制在1/10容量, 一般12A恒流充電，當電壓上升到57V左右，自動轉(zhuǎn)換成小電流浮沖。這種充

27、電方式對極板硫化沒有任何消除作用，而且會造成蓄電池壽命縮短。1.6 蓄電池損壞的原因理論上這一反應可以無限次循環(huán)，但事實上一套蓄電池的循環(huán)次數(shù)正常使用 在200次至300次。通常鉛酸蓄電池決定壽命的三大影響因素是：a.正極板腐蝕與正極板活性物質(zhì)脫落；b.負極板硫酸鹽化與過早出膨脹；c.電解液干涸(熱失 控)。往往根據(jù)正極板柵腐蝕速率確定壽命，就是常說的“浮充壽命10年或者20年”，那是基于正極板柵腐蝕速率預計及設計正極板柵后的來得出的。1.6.1 極板活性物質(zhì)脫落的原因(1)起始充電電流過大：因為極板活性物質(zhì)的還原是從導電最好的柵架處開 始的，大電流充電時，該處硫酸鉛迅速還原，所以距柵架較遠的

28、硫酸鉛來不及起 化學反應。由于硫酸鉛體積較大，故與內(nèi)部已還原的活性物質(zhì)間的附著力就差， 因此容易從極板上脫落下來。(2)充電后期電流過大：這樣會產(chǎn)生大量的氣泡，劇烈沖擊極板表面，使已 還原的比較松軟的二氧化鉛大量脫落。(3) 經(jīng)常性的過量充電：過充電的電流雖然不大，但由于此時極板上硫酸鉛 已全部還原為二氧化鉛和鉛，充電電流全部用到電解液上，這時產(chǎn)生的氣泡雖不 是太多，但同樣對極板表面產(chǎn)生沖擊作用使活性物質(zhì)脫落。(4) 放電電流過大：此時化學反應激烈，會引起極板翹曲，從而造成活性物 質(zhì)脫落。1.6.2 負極板硫酸化的原因負極板硫酸鹽化是鉛酸蓄電池特有的現(xiàn)象，負極不可逆硫酸鹽化出現(xiàn)的主要 原因有：

29、電池長期充電不足、高溫下長期深放電、長期放電擱置，高型極板中電 解液濃度分層和電池失水。導致在負極板上發(fā)生以下三個反應：PbS(4+2e+2Hf-Pb+HSO2H+2e-H21/2O2+2e+2Hf-HO上述三個反應中由于后兩個反應順利進行，導致PbSO還原過程緩慢，加之充電不足，負極上PbSO增多。對于鉛酸蓄電池不管是循環(huán)使用方式、浮充使用方式還是部分電荷狀態(tài)下使用，都會遇到電池過放電，若是經(jīng)常過放電，長期開路擱置自放電，特別是放電后未及時充電而停放，或多次過放電或者雜質(zhì)過多， 或H2析，或高型電池引起電池發(fā)生充電接受能力差，最終發(fā)生不可逆硫酸鹽化。通過對大量報廢的蓄電池解剖分析，活性物質(zhì)脫

30、落并不是蓄電池報廢的主要 原因，就電動車而言，平均每年活性物質(zhì)脫落不足8%而影響蓄電池循環(huán)壽命的主要原因是極板硫化，也就是放電過程中形成硫酸鉛晶體，活性物質(zhì)失去活性。 蓄電池在大電流放電時，尤其是過放電狀態(tài)下，會有一部分硫酸鉛結(jié)晶，形成致密的硫酸鉛晶體，在充電過程中，這部分活性物質(zhì)失去活性，不能再恢復成二氧 化鉛和海綿狀的鉛，從而蓄電池容量下降，日積月累，蓄電池容量不斷下降，一 般容量下降到額定容量的20%£右，就會明顯出現(xiàn)電機無力，續(xù)駛里程大大縮短， 此時只有更換新電瓶。2所選擇的器件及介紹本設計采用通用的NE555時基電路和NE556雙時基電路，分別實現(xiàn)了多諧振 蕩器和單穩(wěn)態(tài)延時

31、電路功能，從而完成充放電時序。使用VMOSt IRF9540和IRF540來控制蓄電池進行充放電。故在此對電路中用到的元器件進行一些介紹。2.1 NE5552.1.1 NE555基本介紹555時基集成電路是一種應用十分廣泛的模擬一一數(shù)字混合式（即雙極型） 集成電路，國外典型的產(chǎn)品型號有 NE555 LM555 XR555 CA555 RC555 uA555 SN2555 LC555,國內(nèi)的產(chǎn)品型號有 5G1555 SL55S FX555 FD555等。它們的 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)和管腳排列序號都相同，因此可以相互替代使用。555時基電路既有定時精度高、溫度漂移少、速度快、可直接與數(shù)字電路相連、結(jié)構(gòu)簡單

32、、功能 多、驅(qū)動電路較大等優(yōu)點。人們在應用中發(fā)現(xiàn)，它的用途十分廣泛，可以組成性 能穩(wěn)定的無穩(wěn)態(tài)振蕩器、單穩(wěn)態(tài)振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)RS觸發(fā)器和各種電子開關電路2.1.2 NE555弓I腳及說明如下1 -GMD2 - Trigger3 Output4 * Reset5 - Control voltage6 Threshold7 - Discharge8 - Vcc圖2.1.2 NE555弓I腳圖Pin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。Pin 2 （觸發(fā)點）-這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上 緣電壓須大于2/3 Vcc,下緣須低于1/3 Vcc 0Pin

33、 3 （輸出）-當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 （重置）-一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一 個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制）-這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營 在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下，這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 （重置鎖定）-Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3Vcc電壓以下移至2/3 Vcc以上時啟動這個動作。Pin 7 （放電）-這個接腳和主要的輸

34、出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為 ON時為LOW,對地為低阻抗，當輸出為 OFF時為HIGH ,對地為高阻抗。Pin 8 （V +）-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是 +4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）2.1.3 NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下4 c%圖2.3.1 NE555內(nèi)部電路圖從圖2.3.1中可以看出，555時基集成電路是由分壓器、比較器、RS觸發(fā)器、 輸出級和放電開關五大部分組成的。它的內(nèi)部一共集成了21個晶體管、4個二極管、和16個電阻器，組成了兩個電壓比較器、一共 RS觸發(fā)器、一個放電晶體 管和一個由3只全等電阻組成的分壓器。555時基集成電路的功

35、能框圖可以看到， G和C2為兩個高增益的電壓比較器，他們的輸出端分別接到觸發(fā)器的 R端（置“1” 端）和S端（置“0”端）；V是放電晶體管；R、R、R的阻值相等，均為5KQ, 組成分壓器，555的名字就由此而來。電路中得比較器的主要功能就是將輸出電壓和分壓器形成的基準電壓作比 較，具比較的結(jié)果通過邏輯電平“ 1”或“0”來表示。圖中的G稱為上比較器， C2稱為下比較器。由于 R、R、R阻值相等，因此集成塊的5腳5腳即控制端電 位固定在2V3上（Vdd為時基集成電路的工作電源電壓），6腳作為閥值輸入端。 同理，下比較器G的同相輸入端電位被固定在 Vdd/3上。反向輸入端即2腳作為 觸發(fā)輸入端。G

36、與G的輸出端分別送到RS觸發(fā)器（即雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）的復位端 （置“0”）和置位端（置“1”），以控制輸出端（“3”腳）的電平狀態(tài)和放電管 VT的導通與截止。RS觸發(fā)器是由兩個與非門交叉連接構(gòu)成的，觸發(fā)器有一個被稱為總復位端的MR端，只要在此端接低電平“ 0”，那么，不管觸發(fā)器原來出于 什么狀態(tài)，不管輸入端加的什么信號，觸發(fā)器立即置“0”，也就是UO=0.觸發(fā)器的輸出端Q是經(jīng)過非門反向后送到輸出端U0的這樣會使555時基集成電路有更好 的性能。由于非門的放大作用使得555電路在負載能力上有所提高。由于555時 基集成電路在應用上有很多地方時電容的充放電相關的，比如在一個555電視應用電路中，定時的

37、長度是由 RC電路的充電時間常數(shù)決定的，為了多次反復使用 定時器，在完成一次的定時控制后，可以將電容放電，以便下次定時使用。因此， 在555時基集成電路的5大組成部分中有一個放電開關，從圖中看就是三極管 VT。當它卒&出端U0=0時，三極管就處于導通的狀態(tài)；反之，當 U0=1時，三極管 就處于截止狀態(tài)。從圖中還可以看出，當U0=1時，三極管處于截止狀態(tài)，此時相當于DIS端開路，三極管這是相當于起到一個開關的作用。若 U=0時，開關 合上，此時電容就是一個接地的放電通路；若 U0=1,開關斷開，DIS端開路，電 容由于沒有一個放電的通路而不能放電。為了適應某種特殊需要，電路還設置了強制復

38、位端即4腳。當4腳為低電平 時，不管2腳、6腳電位如何，集成塊的輸出端3腳重視輸出低電平，此時7腳、 1腳被內(nèi)部放電晶體管Vt短接。放電端7腳有時也可被認為是第二輸出端，它的 電平高低變化規(guī)律和輸出端3腳是同步的。時基電路的5腳為控制端，可以通過外接分壓電阻或穩(wěn)壓管來改變C、C2的兩個電壓比較器的基準電壓，以擴大應用范圍。如果在5腳與1腳之間外接一 只9V穩(wěn)壓管，則在上比較器C的基準電壓就是9V,而下比較強C2的基準電壓就 是4.5V。如果在5腳接一個交變電壓（例如正旋波），則上、下比較強的基準電 壓將隨時間而變化，從而使外部電路充放電時間也隨之變化，可以起到調(diào)制作用。 但通常使用時，5腳一般

39、做懸空處理或者通過 0.001uF的電容器接地，以消除干 擾。2.1.4 555時基集成電路的真值表引腳2腳（低觸發(fā)端）6腳（高觸發(fā)端）4腳（復位 端）3腳（輸出 端）7腳（放電 端）電平< VDD/3任意高高（置位）懸空電平>VDD/3> 2VDD/3高低（復位）低電平>VDD/3< 2VDD/3高原電平不變同3腳電平任意任意低低低2.1.5 NE555 的特點（1）只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。具延時范 圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。（2）它的操作電源范圍極大，可與 TTL, CMO等邏輯閘配合，也就是它的輸 出準位及輸入觸發(fā)準位，均

40、能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。（3）其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。（4）它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。2.2 555時基集成電路基本工作方式555 時基集成電路應用十分廣泛，它可以組成各種性能穩(wěn)定的高、低頻振蕩 器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài) RS觸發(fā)器以及各種電子開關電路等。但是其基本工 作模式不外乎單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、無穩(wěn)態(tài) 3種基本工作模式。具體情況如下：2.2.1 單穩(wěn)態(tài)工作模式單穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)時，555時基電路處 于復位態(tài)。即輸出端3腳輸出低電平。當電路受到低電平觸發(fā)時，555電路翻轉(zhuǎn) 置位進入暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)時間內(nèi)，3腳

41、輸出高電平，經(jīng)過一段延遲(或稱定時) 后，電路能自動返回穩(wěn)定態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)時間通常稱為暫態(tài)時間。單穩(wěn)態(tài)工作模式電路如下圖所示圖2.2.1單穩(wěn)態(tài)電路圖2.2.1中定時電阻Rt,定時電容Ct決定電路的暫態(tài)時間。平時電路處于 穩(wěn)定態(tài)，555時基電路復位，輸出端3腳輸出低電平，此時7腳也為低電平，所 以定時電容Ct無法通過定時電阻 Rt充電。如果在輸入端輸入一負脈沖信號 Vi,使555觸發(fā)器2腳獲得一個小于Vdc/3 的低電平觸發(fā)信號，由555時基電路真值表可知，555時基電路置位，輸出端3 腳跳變?yōu)楦唠娖?，電路極翻轉(zhuǎn)進入暫穩(wěn)態(tài)；同時 555內(nèi)部放電晶體管截止，7腳 被懸空，解除對定式電容 Ct的封鎖，正

42、電源VDDg通過定式電阻Rt對電容Ct 充電，使Ct兩端電壓即閥值端6腳電平不斷升高，當升到2VDD/3時，555時基 電路復位，3腳與7腳恢復低電平，暫態(tài)結(jié)束，電路翻回穩(wěn)態(tài)。此時 Ct儲存的 電荷經(jīng)7腳通過555內(nèi)部的放電晶體管對地放電，為電路下次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)做準備。電路暫態(tài)時間t,即3腳輸出高電平的脈寬是由Ct上電壓從零充至2VDD/3 所需的時間，即滿足下式：/ =三 VDD = TO£)(1 -由此可解得暫態(tài)時間t為t=1.1R tCt可見，單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時間，即電路的延遲時間（定時）時間，亦 555時 基集成電路3腳輸出高電平的時間只與電路的定時電阻 Rt、定時電容Ct的數(shù)值

43、 有關，與電壓VDd的絕對值無關，所以用此電路構(gòu)成的定時器，其定時精度不會 因電源電壓的波動而受任何影響。2.2.2 雙穩(wěn)態(tài)工作模式雙穩(wěn)態(tài)工作模式是指電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即置位端（3腳輸出高電平）和 復位態(tài)（3腳輸出低電平），其基本電路如下圖2.2.2所示，它無需任何外圍元 器件。A2/3 VDD 1 0 VD0 *4C1圖2.2.2 雙穩(wěn)態(tài)電路電路實質(zhì)是一個RS觸發(fā)器，S為置位端，當輸入脈沖電壓低于Vdc/3時，555 置位，3腳輸出高電平；R為復位端，當輸入電平高于2VD/3時，555復位，3腳 輸出低電平。如R端與S端發(fā)生沖突時，S端優(yōu)先于R端。2.2.3 無穩(wěn)態(tài)工作模式無穩(wěn)態(tài)工作模式是

44、指電路沒有固定的穩(wěn)定狀態(tài)，555時基電路處于置位與復位反復交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高低電平，輸出波形近似矩形波。由于矩形波的高次諧波十分豐富，所以無穩(wěn)態(tài)工作模式又稱為自激多諧振蕩器。無穩(wěn)態(tài)工作模式的基本電路如下圖 2.2.3所示。電路初次充電時，因電容C1兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，從表1-1可知，555時基電路置位， 即3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時正電源Vdd通過電阻 R、R向電容G充電，使得電容兩端電壓不斷升高，約經(jīng)過時間 t1 , G兩端電壓 即閥值端(6腳)電平升至2VDJ3,從表1-1可知，555時基電路翻轉(zhuǎn)復位，3腳 輸出低電平，同時內(nèi)部

45、放電晶體管導通，7腳也為低電平，此時電容G儲存電荷 將通過R2向7腳放電，使C兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng) 過時間t2,電壓降至VDd/3時，555時基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳有輸出高電平，7 腳再次被懸空，正電源又通過 R、R2向G充電，如此周而復始，電容C2不斷處于 充電與放電狀態(tài)，電路引起震蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平R2QTHNE5*圖2.2.3無穩(wěn)態(tài)電路C2 在充放電過程中，其電壓在 VDd的1/3至2/3之間變化，所以時基電路3 腳輸出高電平實際t1可用下式表示：t1 = -(R1 + R2) C1ln(VDD-2/3VDD)/(VDD-1/3VDD)=(R1+R

46、2)C1ln2=0.693 (R1+R2 C13 腳輸出低電平的時間t2 (即放電周期)為t2=0.693R2C1當R2> >R1時，3腳輸出的波形為理想對稱方波。2.3 NE556雙時基NE556是在同一芯片中含有2個完全相同而獨立的單時基 555電路, 它為DIP-14封裝，如圖2所示。Discharge I Thres hold 之 Reset 4 Output 5 Trigger 6 GND 7匚E匚E匚EcZIZlZlZl12VccDischargeThresholdConinjl VoltageResetOutputTrigger圖2.3 NE556外引線排列及引腳功能

47、其引腳功能為：1、13腳是放電端；2 、12腳是閾置電壓端；3 、11腳是控制電壓端；4 、10腳是主復位端；5 、9腳是輸出端；6 、8腳是觸發(fā)輸入端；7 腳是芯片地端；14 腳是芯片正電源端.其中，在單時基555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)中有3個5 K電阻組成分壓網(wǎng)絡，提供 1/3和2/3電源電壓作為比較器1和比較器2的比較基準.2個比較器輸出電 平控制RS觸發(fā)器的復位或置位，而當主控制優(yōu)先復位端為低電平時，則可直接 將其輸出復位.RS觸發(fā)器一路作為輸出，另一路作為控制放電管的通或斷.電路在正常工作時，定時或振蕩精度僅與外接元件的特性有關，溫漂很小.輸出電平的范圍與電源電壓電壓范圍為 4.516V,最大

48、輸出電流可達200 mA,帶載能力 強.2.4 IRF9540、IRF540在對蓄電池進行充電時充電時，充電電壓為 58V,最大脈沖充電電流為50A, 最大脈沖放電電流為100A故在控制蓄電池充放電時選用較高耐壓、大電流和 低導通電阻的VMOSs而IRF9540和IRF540在此處恰好能夠完成功能所需，故 選用其來控制蓄電池充放電。以下是這兩個VMO臂的基本參數(shù)和輸出特性曲線。2.4.1 IRF9540基本參數(shù)和輸出特性曲線晶體管極性：P溝道。漏極電流Id最大值:-23A。電壓 Vds最大:100V 。開態(tài)電阻 Rds(on):0.117ohm 。電壓Vgs最高:25V功耗:3.1W。上升時間

49、：67ns。下降時間：51ns晶體管類型：MOSFET1壓。Vds:100V電壓。電流Id連續(xù):23A電流。Idm脈沖:76A 。最小正向跨導Gfs:5.3mA/V 。表面安裝器件：通孔安裝100-VDc , Drain-to-Source Voltage (V)(S1U巴 JnoBUJnso一，U_EO_c.圖2.4.1 IRF9540輸出特性曲線2.4.2 IRF540基本參數(shù)和輸出特性曲線晶體管極性：N溝道。漏極電流Id最大伯：:33A。電壓 Vds最大:100V 。開態(tài)電阻 Rds(on):0.052ohm 。電壓 Rds測量:10V。功耗:107WA工作溫度范圍：-55oC to +

50、175oC 。針腳數(shù)：3 。功率，Pd:107W。晶體管類型：MOSFET。電壓 Vgs Rds on 測量:10V 。電壓,Vds典型值:100V。電流,Id連續(xù):28A。電流,Idm脈沖:110A 。通態(tài)電阻Rds on最大:0.052ohm 。1000閾值電壓Vgs th典型值:4V 。VGSTOP 15V10V s.ov7 0V &.0V5 W5.W BOTTOM 45"8nos©20ps PULSE WIDTH Tj=25eC10100Vds. Drain-to-Source Voltage (V)圖2.42 IRF540輸出特性曲線3原理分析及電路設計3

51、.1 原理分析從固體物理上來講，任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以被擊穿， 擊穿后的 絕緣層會由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)。 因此，對于蓄電池負極板上的沉積的硫酸 鉛晶體，可以再充電時施加瞬間高電壓來加以擊穿。 為保證擊穿打的硫酸鉛晶體 時不發(fā)生析氣，這個高電壓必須足夠短，占空比足夠大，并進行限流。這樣就可 以將也結(jié)晶的硫酸鉛晶體擊碎，并使其恢復活性。但硫酸鉛晶體容易極化，強脈沖電流充電會使電池發(fā)熱，溫度上升導致極板加速腐蝕，不但不能延長電池壽命， 反而使蓄電池壽命更短。為防止此種情況的發(fā)生，可在脈沖間隙加入去極化負脈 沖。與充電脈沖相比，去極化脈沖的持續(xù)時間極短，但幅度比充電脈沖大，這樣 就可以實

52、現(xiàn)去硫化同時又不使電池發(fā)熱。 同時適時的對蓄電池進行反向充電， 可 以提高蓄電池的接受能力，通過反向大電流放電，提高充電速度，縮短充電時間。預期電池充電波形圖：電度脈沖時間設計3.2 電路結(jié)構(gòu)設計本設計采用通用的NE555M基電路和NE556雙時基電路，分別實現(xiàn)了多諧振 蕩器和單穩(wěn)態(tài)延時電路功能，從而完成充放電時序，達到消除硫化的效果。脈沖除硫充電器不僅電路簡單，成本低廉，而且恢復效果顯著，易于推廣應用。其主 要的技術(shù)指標為：1 充電器額定功率：300W2 充電器脈沖功率：2.2KW3 最大充電電流：80A4 充電脈沖寬度：300ms5 放電脈沖寬度：1ms3.3模塊電路分析3.3.1 供電電

53、路將300W60V勺開關電源調(diào)到準確的58V的位置，用它來給控制電路充電，同時58V也是蓄電池充電的電壓。J$制電路需要的電壓為12V,考慮到成本以及電路的復雜程度，在此處采用簡易的電阻降壓穩(wěn)壓管穩(wěn)壓方式，如下圖所示：圖3.3.1供電電路穩(wěn)壓二極管VD1為控制電路輸出12V控制電壓.為了使電源穩(wěn)定，同時濾除 高低頻諧波，在穩(wěn)壓管旁邊并聯(lián) 470uF和104電容，即圖中的C1和C2。控制電 路經(jīng)過R1的電流經(jīng)實測為30mA故降壓電阻R1的選擇為：58V -12VR1 = =1.5333KQ30mV止匕處取R=1.5KQ。電阻功率：P=I2R=0.032X 1.5 X 1033=1.35W考慮到一

54、定的安全余量，選擇 1.5KQ/2W的標準電阻。3.3.2 矩形波廣生電路R4D2RV1rtxTR3D1圖3.3.2矩形波產(chǎn)生電路如圖3.3.2所示，經(jīng)過供電電路輸出的12V電壓，為NE555®供所需要的電 壓。圖中NE55劃成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，實現(xiàn)T1與T2控制振蕩器的充電時間和 停止時間。NE555俞出高電平的時間由圖可以看出，在對 G進行充電時，由于二 極管的存在，使得電流只能通過D進行充電，因此充電時間由Q、R、RV進行控制，通過調(diào)節(jié)RV可以達到調(diào)節(jié)充電脈沖寬度 T1的目的。同理，在NE555輸出 低電平時，C1通過R、RV放電，此時可以通過調(diào)節(jié) RV來調(diào)整脈沖的低電平的 時

55、間T2。由前文可知NE555B勺脈沖寬度可以以下公式得出：充電時間 T1=0.693 (R2+R3+RV2 C1放電時間 t2=0.693(R4+RV1)C1由于充電脈沖寬度為 300ms故選擇 G=104uF,R=2k, R=1K,RV的范圍為 0-2k,故：T1 min=0.693 (2000+1000+0 104X 10-6=216msT1ma尸0.693 (2000+1000+2000 104X 10-6=360ms我們選取放電脈沖與充電脈沖寬度基本相同，也選擇R4=3K,RV范圍為0-2k。故：T2 min=0.693 (3000+0) 104X 10-6=216msT2 max=0.693 (3000+2000) 104X 10-6=360ms3.3.3 負脈沖產(chǎn)生電路.> STK Eng >no Q 5 LNIA CHEE * :37 V R RC4一圖3.3.3負脈沖產(chǎn)生電路如圖3.3.3所示，將NE555I勺3腳輸出經(jīng)過Q連接到NE556下部的觸發(fā)腳6 腳上作為觸發(fā)脈沖，同時將NE556的下部接成單穩(wěn)態(tài)工作模式。這樣當NE555t 出的高電平轉(zhuǎn)化為低電平時，就會觸發(fā)時電路進入暫態(tài)，這時輸出腳5腳就會輸