BT系列电池测试系统主功率模块启动电路设计.doc
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1、 毕 业 设 计题目:BT-系列电池测试系统主功率模块启动电路设计学生姓名:学号:专业班级:指导教师:企业导师:二级学院: 年 4 月 BT-系列电池测试系统主功率模块启动电路设计摘 要BT-是Arbin仪器企业多功能电池测试系统,重要用于对多种电池、电池材料、电极测试,以及产品质量检测。由于其对测试精度规定很高,尤其对测试成果存储提出较高规定,因此,系统电源设计尤其重要。在实际生产中重要应用是对恒流、恒压充放电以及脉冲充放电等进行高精度性能检测。本课题设计完毕了一种电源系统启动电路设计。其中基于超级电容器断电保护系统,在设备中起延时保护作用。它以超级电容器为关键,由固态继电器、电压比较器和稳
2、压电流源构成。系统实现了启动电路时开机和关机延时保护作用,保证开机时主功率模块电压缓缓上升;关机时继续为负载提供功率,延时半晌以便保留数据。本论文重要论述了该电路原理设计及系统实现过程。关键词:BT-;超级电容器;延时保护;断电保护。BT - SERIES BATTERY TESTING SYSTEMTHE DESIGN OF THE MAIN POWER MODULE START-UP CIRCUITABSTRACTBT - is Arbin instruments multi-function battery testing system, is mainly used for all k
3、inds of batteries, battery materials, electrode test research as well as product quality inspection, because of its high accuracy requirement of the test, especially the store put forward higher requirements, the result of the test, therefore, the design of the power system is especially complex. Th
4、e main application in practical production is of constant current, constant voltage charging and discharging and performance test of pulse charging and discharging of high precision. This topic design completed the circuit of a power supply system design. The power-off protection system based on sup
5、er capacitor, delay in the equipment protection. It super capacitor as the core, by the solid state relay, voltage comparator and voltage current source. System has realized the start-up circuit of start-up and shutdown time delay protection, to ensure that the boot when the main power module edge h
6、igher voltage; Shutdown continues to provide power for the load, when the time delay for a moment in order to save the data. This thesis mainly expounds the principle of the circuit design and system implementation process.Key words: BT-;Super capacitor;delay protection;power-off protection目 录1 绪论11
7、.1 研究背景和意义11.2 电池测试系统保护电路研究分析22 方案论证及选择32.1 研究内容及设计指标32.2 方案设计与论证32.2.1 系统设计框图32.2.2 恒流源充电电路选择与论证43 硬件系统设计63.1 超级电容器组模块63.1.1 超级电容器63.1.2 应用分析73.2 恒流源充电电路模块83.2.1 LM117电压调整器83.2.2 恒流源电路93.3 信号比较电路模块103.3.1 电压比较器工作原理103.3.2 LF353电压放大器113.4 光电耦合器电路模块133.4.1 光电耦合器工作原理133.4.2 性能分析133.4.3 光电耦合器电路143.5 继电
8、器电路模块143.5.1 G5LE功率继电器143.5.2 继电器工作原理分析154 系统安装及物料清单164.1 电路板实物图164.2 物料清单175 系统调试与成果分析185.1 调试目185.2 调试环节185.2.1 电路检测185.2.2 超电容充电电路185.2.3 固态继电器延时导通195.2.4 IV板24V供电电压195.2.5 风机供电电压195.2.6 Power Off信号确认205.3 调试成果分析206 总结21参照文献22道谢23附录24附录A24附录B241 绪论1.1 研究背景和意义伴随时代发展,我国正采用一系列积极举措,加紧电子信息与新材料产业发展。一是强
9、化产业发展组织协调力度;二是完善扶持政策,加大产业支持力度。将电子信息与新材料产业列入“双千工程”项目库,对符合条件新材料产品实行增值税退还政策;三是扩大对外开放,加大招商引资力度1。Arbin 仪器有限企业是一家对储能装置进行测试设备、测试技术进行研究、开发、生产综合性企业,重要产品包括一般电池、动力电池、手机电池、燃料电池、超电容等储能装置测试设备。Arbin 检测设备可应用于多种领域,包括混合动力电动汽车、通讯、军工、新能源、空间装备和消费类产品研发等。BT-电池测试系统是Arbin企业一款多功能电池测试系统,重要用于多种电池、电极材料、电极测试研究以及产品产量检测。BT-电池测试系统具
10、有多通道独立、辅助电压测试、辅助温度测试、AC阻抗测量等特点,结合Arbin独立开发可编程测试软件,可对电池进行可编程测试以及测试数据保留记录,可测试内容包括恒流充放电、恒压充放电、恒流转恒压充电、恒功率放电、脉冲充放电、充放电循环、阶梯、斜坡、电压扫描等。为了防止突发状况下忽然断电,系统来不及把记录数据保留下来,系统设计了断电保护功能,在主功率模块中CPS超级电容器模板就起到了延时保护作用,为系统忽然掉电提供了短暂供电时间以便将数据记录下来。1.2 电池测试系统保护电路研究分析BT-电池测试系统,重要用于检测电池电流、电压、容量、内阻、温度、电池循环寿命,通过测试软件给出曲线图。BT-电池测
11、试系统可以测不一样型号、不一样类型电池(镍氢,镍镉,锂电等),有多种通道可供选择,可以单点启动,单点控制。系统可做综合性能测试,可以测试锂离子电池、镍氢电池、聚合物电池、一般干电池、铅酸蓄电池等多类电池。具有测试功能齐全、测试速度快、精度高、全自动测试、详细数值精确显示等特点,广泛合用于各类电池试验研究和生产检测,在实际生产工业上重要用于电池、电池材料、电极测试研究以及产品质量检测。在系统正常测试时,如因突发状况发生断电后,系统可自动存储最终测试通道数据及命令,待接电后设备自动恢复为原有状态。这个功能称之为断电保护功能。供电系统发生漏电或短路故障时,采用故障信号迅速取样与鉴别、断电指令脉冲形成
12、和迅速断电执行机构等措施。通过断电执行机构迅速切断供电网路电源或切断故障点能源供应一种综合保护措施。它不一样于一般继电保护,也不一样于只保护单台电机、电器一般电气防爆技术(如隔爆外壳等),虽与本质安全电路安全性能相称,但它可用于强电电路。与其他电气安全及防爆技术措施配合使用,可使包括电缆在内矿井供电系统具有整体防火、防爆安全等。当BT-电池测试系统在进行较长时间充放电测试时,考虑到忽然断开电源会给测试数据保留和机器磨损带来某些不可防止后果,在这一系统中加入一种断电保护电路,此电路能大幅度减小断电瞬间所产生冲击脉冲直接对电器导致影响;重要实在供电环境不好状况下,断电保护电路能给系统提供足够时间来
13、保留、记录数据信息。2 方案论证及选择2.1 研究内容及设计指标研究内容:本课题应完毕在BT-多功能电池测试系统开机时,对电池充电主功率模块输出电压应缓缓上升;在关机时,主功率模块先停止工作,测试设备必须通过一段延迟时间,以保证测试数据可以安全保留之后才可完全切断电源,根据之一规定合集满足这些功能启动电路。设计指标: (1)模块工作电压: 24VDC (2)输入电源电压: 220VAC /50Hz (3)开机延时功能:超电容充电使电压缓缓上升,固态继电器延时导通使得合上电源后2s左右电压才到达24V; (4)停电持续供电功能:断开电源后,电压慢慢下降,将至23V时,变为0V。2.2 方案设计与
14、论证2.2.1 系统设计框图超级电容板总体设计电路框图如图2.1所示,重要包括恒流源充电电路、信号比较电路和逻辑判断电路。接上220V交流电源后,电路先为串联超级电容器组供电,固态继电器工作,为电压比较器“”端提供低电平,当“”输入端电压高于“”输入端时,电压比较器输出高电平,光电耦合器LED灯不亮,光电耦合器不工作;当电压比较器“”端上接电容充斥电时,“”输入端电压低于“”输入端时,电压比较器输出低电平,光电耦合器正常工作,这时才为主功率板块供电,系统起到开机延时作用;在断开电源时,超级电容器组进行放电,继续为主功率模版充电,维持12s后功率继电器停止工作,断开电源,以便保留下数据,起到延时
15、关机作用。放电控制端电流源功率继电器超级电容器组固态继电器电压比较器光电耦合器220V交流电源输出端开关电源24V 图 2.1 系统设计原理框图2.2.2 恒流源充电电路选择与论证论证一:由MC7805构成恒流源分析MC7805为三段固定式集成稳压器,电路图如图2.2所示,电流 , 电流对 是不能忽视,且随 、 及环境温度变化而变化,因此这个电路在精度规定有些高场所不合用。图2.2 MC7805构成恒流源论证二:由LM117构成恒流源分析:LM117是三端可调输出线性稳压器集成电路,电路图如图2.3所示,输出电流是微安级,因此相对于可以忽视不计,由此可见其恒流效果更佳。图2.3 LM117构成
16、恒流源方案一与方案二对比分析:假如以MC7805构成恒流源,电流无法被忽视,电阻上消耗了大量电压余量以至于差分对和尾电流源要进入线性区,因此限制了电路电流精度规定;而以LM117构成恒流源不一样于MC7805之处是,其具有很大输出电阻并且其阻值与直流压降无关,因此可以大幅提高恒流效果而不消耗大量电压余量。在本试验中对电流值精度规定较高,则选择恒流效果佳、可靠性高第二个方案。3 硬件系统设计3.1 超级电容器组模块3.1.1 超级电容器超级电容是一种新型储能元器件,它相比其他储能元器件有诸多优势,例如比功率高、充电速度快、放电电流大、使用寿命长、不污染环境等。其具有很大发展前景,但由于超级电容个
17、体电压不高,在实际应用过程中就需要将多种超级电容器串并联起来使用4。超级电在充放电过程中,由于其参数存在离散型,虽然是同一型号同一规格超级电容器在其电压内阻、容量等参数上都存在一定差异。这样轻易导致某些超级电容器过充或者过放,影响超级电容使用寿命和系统稳定性。同步,超级电容器在充放电过程中,超级电容器电池组两端电压会逐渐下降,尤其通过长时间大电流放电,电压下降显,会直接影响负载工作稳定性。超级电容器充放电控制电路有恒压、恒流等。放电稳压有稳压管稳压、三极管反馈稳压、集成芯片稳压等等方式。尽管超级电容器能量密度是蓄电池5%或是更少,不过这种能量储存方式可以应用在老式蓄电池局限性之处与短时高峰值电
18、流之中。相比电池来说,这种超级电容器有如下几点优势10:(1)电容量大,超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极,与电解液接触面积大大增长,根据电容量计算公式,两极板表面积越大,则电容量越大。因此,一般双电层电容器容量很轻易超过1F,它出现使一般电容器容量范围骤然跃升了34个数量级,目前单体超级电容器最大电容量可达5000F。 (2)充放电寿命很长,可达500000次,或90000小时,而蓄电池充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高放电电流,如2700F超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A,一般蓄电池一般不能有如此高放电电流,某些高放电电流蓄电池在如此高
19、放电电流下使用寿命将大大缩短。(3)可以数十秒到数分钟内迅速充电,而蓄电池在如此短时间内充斥电将是极危险或是几乎不也许。(4)可以在很宽温度范围内正常工作(-40+70),而蓄电池很难在高温尤其是低温环境下工作;超级电容器用材料是安全和无毒,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;并且,超级电容器可以任意并联使用来增长电容量,如采用均压措施后,还可以串联使用。3.1.2 应用分析超级电容器两个重要应用:高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用特性:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用特性:规定持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持一种经典应用:断电时磁盘驱动头复位。不一样
20、应用对超电容参数规定也是不一样。高功率脉冲应用是运用超电容较小内阻(R),而瞬时功率保持是运用超电容大静电容量(C)2。超级电容器具有额定电压低,电容量偏差小特性,这对提高多种电容串联构成电容组储能是很故意义。超级电容器重要应用:高功率脉冲应用和顺势功率保持。高公路脉冲应用特性:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用特性:规定持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。由于超级电容器高可靠性、安全性、系统构造设计易于维护,作为一种新型材料能源,具有很高研究意义和使用价值,在BT-电池测试系统中,其中断电保护电路是等效串联一种超级电容组,当系统忽然断电时,由超级电容组为系统继续供电23s,以便
21、系统数据保留。3.2 恒流源充电电路模块3.2.1 LM117电压调整器LM117是三端可调输出线性稳压器集成电路。LM117输出电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。LM117使用非常简朴,仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它线性调整率和负载调整率也比原则固定稳压器好。LM117内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。一般LM117不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM117输入端连线超过15厘米。使用输出电容能变化瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比原则稳压器高多纹波克制比。特性: 提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可调电压型号 节省空间SOT-223和
22、LLP封装 电流限制和热保护功能 输出电流可达800mA 线性调整率0.2% (Max) 负载调整率0.4% (Max) 温度范围: LM1117 0125 LM1117I-40125 应用: 85V模块可用于SCSI-2有源终端 开关DC/DC转换器主调压器 高效线性调整器 电池充电器 电池供电装置 经典应用电路如图3.1所示。图3.1 LM117构成恒流源决定LM117输出电压是电阻R1,R2比值,假设R2是一种固定电阻.由于输出端电位高,电流经R1,R2流入接地点。LM317控制端消耗非常少电流,可忽视不计。因此,控制端电位是I*R2,又由于LM317 控制端, 输出端接脚间电位差为1.
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