РПЗ_ХомушкуОВ_ПР_РПЗ. Промышленный контроллер систем и электрических
 Скачать 3.67 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ Радиоэлектроника и лазерная техника (РЛ ) КАФЕДРА Технологии приборостроения (РЛ6) РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ НА ТЕМУ: Промышленный контроллер систем и электрических установок на базе аккумуляторных батарей Студент РЛ6-129 . _ _______ Хомушку О.В. . (Группа) (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Руководитель ВКР _________________ Руденко Н.Р. . (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант по исследовательской части _________________ Руденко Н.Р. (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант по _________________ Руденко Н.Р. . проектно-конструкторской части (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант по технологической части _________________ Тищенко Л.А. . (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант по разработке программы _________________ Синавчиан С.Н. . испытаний (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант _________________ Сажин Ю.Б. по организационно-экономической части (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант по охране труда и экологии _________________ Козодаев А.С. (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Нормоконтролер _________________ _____Нотин И. А.____ _ (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) 2020 г. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ___РЛ6___ (Индекс) ______________ _В.Д Шашурин_ (И.О.Фамилия) « _____ » ____________ 20 ____ г. З А Д А Н И Е на выполнение выпускной квалификационной работы Студент группы _РЛ6-129______ _ _Хомушку Онзагай Владимирович ____________________ (фамилия, имя, отчество) Тема квалификационной работы «Промышленный контроллер систем и электрических установок на базе аккумуляторных батарей» _ ________________________________________________________________________________ Источник тематики (НИР кафедры, заказ организаций и т.п.) _______________________________НИР кафедры ____________________________________ ________________________________________________________________________________ Тема квалификационной работы утверждена распоряжением по факультету ___________________ № ___________от « ___ » _____________ 20__ г. Часть 1. ________________________________________ __1. Изучить структуру системы управления аккумуляторных батарей. Определить основные функции и задачи системы управления в энергетической цепочке________________________ __2. Основные компоненты системы управления. Разработать модель аккумуляторной батареи _________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Часть 2. ____________________________________________ ___1. Разработка функциональной схемы устройства, электрической принципиальной схемы 2. Конструкторская часть устройства_____________________________________________ ___3. Разработка технологического процесса изготовления печатного узла________________ Часть 3. ______________________________________________ _____1. Разработка программы и методики испытаний__________________________________ _____2. Организационно-экономическая часть________________________________________ _____3. Охрана труда и экологии____________________________________________________ Оформление квалификационной работы: Расчетно-пояснительная записка на _____ листах формата А4. Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.) слайды___________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Дата выдачи задания « 10_ » _марта__ 2020 г. В соответствии с учебным планом выпускную квалификационную работу выполнить в полном объеме в срок до « ____ » ____________ 20____ г. Руководитель квалификационной работы (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Студент _ _ (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Примечание: 1. Задание оформляется в двух экземплярах: один выдается студенту, второй хранится на кафедре. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ РЛ УТВЕРЖДАЮ КАФЕДРА РЛ6 Заведующий кафедрой РЛ6 (Индекс) ГРУППА РЛ6-129 ______________ В.Д. Шашурин (И.О.Фамилия) « _____ » ____________ 20 ____ г. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН выполнения выпускной квалификационной работы студента: Хомушку Онзагая Владимировича (фамилия, имя, отчество) Тема квалификационной работы «Промышленный контроллер систем и энергетических установок на базе аккумуляторных батарей» № п/ п Наименование этапов выпускной квалификационной работы Сроки выполнения этапов Отметка о выполнении план факт Должность ФИО, подпись 1. Оформление задания на ДР 03.10.19 03.10.19 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 2. Изучение структуры BMS 29.02.20 29.02.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 3. Модель аккумуляторной батареи 15.03.20 15.03.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 4. Разработка структурной схемы устройства 30.03.20 30.03.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 5. Разработка конструкции 15.04.20 15.04.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 6. Технологическая часть 20.04.20 20.04.20 Доцент кафедры Л. А. Тищенко 7. Программы и методики испытаний 30.04.20 30.04.20 Доцент кафедры С. Н. Синавчиан 8. Организационно-экономический раздел 15.05.20 15.05.20 Ю.Б. Сажин 9. Раздел промышленной экологии и безопасности 20.05.20 20.05.20 А.С. Козодаев 10. Подготовка доклада и презентации 30.05.20 30.05.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 11. Заключение руководителя 20.06.20 20.06.20 Доцент кафедры Н. Р. Руденко 12. Допуск работы к защите на ГЭК (нормоконтроль) 18.06.20 Нормоконтролер И.А. Нотин 13. Внешняя рецензия 20.06.20 14. Защита работы на ГЭК 21.06.20 Планируемая дата Студент Руководитель работы ___________________________ (подпись, дата) (подпись, дата) Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) НАПРАВЛЕНИЕ НА ЗАЩИТУ выпускной квалификационной работы Председателю Государственной Экзаменационной Комиссии №____ факультета _Радиоэлектроника и лазерная техника _ МГТУ им. Н.Э. Баумана Направляется студент _Хомушку Онзагай Владимирович_____группы __РЛ6- 129_____ на защиту выпускной квалификационной работы _____ Промышленный контроллер______ систем и электрических установок на базе аккумуляторных батарей____________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Декан факультета ______________________________ «____»_____________ 20___г. Справка об успеваемости Студент Хомушку О. В. ____ за время пребывания в МГТУ имени Н.Э. Баумана с 20 _14_ г. по 20 _20_ г. полностью выполнил учебный план со следующими оценками: отлично – 40 %, хорошо – 50 %, удовлетворительно – 10 %. Инспектор деканата ______________________________ РЕФЕРАТ Расчетно-пояснительная записка, 143 с., 55 рис., 20 табл., 25 формул, 12 источников, 4 приложений. ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР СИСТЕМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ. Объектом разработки является контроллер состояний литий-ионных аккумуляторов. Цель работы дипломного проекта является разработка системы управления аккумуляторной батареей. Ознакомление с серийно выпускаемыми BMS. Рассмотреть аналоговые, цифровые системы контроля перезаряда, также полноценные системы BMS. Разработать модель батареи в Matlab-Simulink. Исследовать разработанную модель. СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ.....................................................................................................................4 ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................8 1.1. Общая система управления аккумуляторной батареей...............................14 1.2. Компоненты системы управления аккумуляторной батареей....................16 2. Разработка модели батареи...................................................................................21 2.1. Выбор ячейки аккумуляторной батареи из существующих........................25 2.2. Математическая модель батареи...................................................................41 3. Схемотехническая часть.......................................................................................44 3.1. Электрическая принципиальная и функциональная схемы........................44 3.2. Основные функциональные блоки................................................................46 4. Конструкторская часть..........................................................................................52 4.1. Преимущество выбора SMD-компонентов...................................................54 4.2. Анализ механической прочности печатной платы......................................60 4.3. Проведение теплового анализа печатной платы..........................................67 5. Технологическая часть..........................................................................................69 6. Испытания..............................................................................................................90 6.1. Классификация воздействий и воздействующих факторов........................90 6.2. Требования к прибору.....................................................................................92 6.3. Моделирования математическим аппаратом и/или средствами САПР на воздействие климатических и механических факторов.....................................93 6.4. Выбор и описание испытательного оборудования......................................97 6.5. Создание модели переходного устройства.................................................100 6.6. Выбор оборудования.....................................................................................104 6.7. Программа методики испытаний.................................................................107 7. Организационно-экономическая часть..............................................................111 8. Охрана труда и экология.....................................................................................122 8.1. Расчет кондиционирования..........................................................................132 8.2. Технологии утилизации печатных плат......................................................134 ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................138 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................139 6 ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................141 7 ВВЕДЕНИЕ Энергетическая цепочка Аккумулятор играет важную роль в качестве накопителя энергии в системы электроснабжения устройств, таких как портативные электронные приборы, электромобили, а также на электростанциях возобновляемых источников энергии. Аккумулятор с хорошей производительностью обеспечит оптимальную поддержку для выполнения операции соответствующей системы. Срок службы батареи будет больше, если батарея работает в поддерживаемой безопасной рабочей зоне (safety operating area, SOA), либо при правильной зарядке или разрядке аккумуляторной батареи. Неправильные процессы зарядки и разрядки могут снизить производительность и сократить срок службы батареи. Система управления батареями (Battery management system, BMS) необходима для диагностики динамики процесса накопления энергии в батарее с целью улучшения производительности и продления срока службы батареи. BMS имеет два эксплуатационных аспекта: мониторинг и контроль. Аспект мониторинга не может быть отделен от аспекта контроля. Чтобы правильно контролировать процессы зарядки и разрядки аккумулятора, требуется быстрая, определенная и точная система мониторинга. Идеальная BMS будет энергоэффективной с низкой потребляемой мощностью при достижении полной емкости аккумулятора. BMS гарантирует, что батарея не повредится из-за избыточной зарядки, чрезмерной разрядки или избыточной мощности нагрузки потребления. BMS исследует операционные параметры батареи, например, напряжение, ток, внутренняя температура во время зарядки и разрядки, и оценивает состояние батареи, например, состояние заряда (state of charge, SOC) и степень годности (state of health, SOH). BMS, которая достаточно гибкая, чтобы защитить различные типы батареи и которая может обеспечить все функции безопасности, была недавней темой разработки и исследований в области электромобилей и альтернативных 8 энергетических систем. Комплексная BMS должна включать в себя функции сбора данных, безопасную защиту, возможности определения и прогнозирования состояния батареи, возможность управления зарядкой батареи и ее разрядкой, балансировкой элементов, управление температурой, предоставление состояния батареи и аутентификацию к пользовательскому интерфейсу, связь со всеми компонентами BMS и самое главное - увеличение срока службы батареи. За последние два десятилетия наблюдается постоянно растущая тенденция к поиску надежной альтернативы и менее загрязняющего источника энергии. Среди всех предложенных и отрабатываемых технологий, батареи, и в частности, литий-ионные батареи, приобрели наибольший интерес в автомобильной, космической и морской промышленности благодаря своим уникальным характеристикам. Высокая плотность энергии, отсутствие эффекта памяти и низкая скорость саморазряда сделали литий-ионные аккумуляторы перспективным источником накопления энергии. Несмотря на консенсус в отношении их преимуществ, на пути к разработке батарей возникало много проблем. Повышение плотности энергии, мощности, мониторинга и безопасности литий-ионных батарей - все это сложные проблемы, с которыми сталкиваются исследователи. В результате продвижение электромобилей в значительной степени зависит от развития технологии аккумуляторных батарей и усовершенствованной системы управления аккумуляторными батареями (BMS), где заботятся обо всех мероприятиях, связанных с мониторингом, безопасностью, эффективностью и контролем аккумуляторных батарей. BMS фактически была активной областью исследований в последнее десятилетие с точки зрения управления и энергетической электроники. С учетом стоимости батарей и соображений окружающей среды батареи, используемые для питания этих портативных устройств, предпочтительно должны быть перезаряжаемыми. Спрос на перезаряжаемые батареи возрастает в соответствии со спросом на портативные продукты. Энергия, вырабатываемая портативным устройством в виде, например, звука или движения, в конечном 9 счете получается из электрической энергии, подаваемой сетью. Преобразование энергии из сети в возможную нагрузку внутри портативного изделия можно описать как энергетическую цепь, которая показана на рисунке 1. Звеньями энергетической цепи являются зарядное устройство (charger), аккумулятор (battery), преобразователь постоянного тока (DC/DC) и нагрузка (load). Рисунок 1 - Энергетическая цепочка, символизирующая передачу энергии от сети к нагрузке в переносном продукте [1]. Электрическая энергия от сети подается в аккумулятор через зарядное устройство во время зарядки. Зарядное устройство использует электромагнитные компоненты, такие как трансформатор или индуктор. Здесь электрическая энергия из сети сначала преобразуется в магнитную энергию, а затем обратно в электрическую энергию. Аккумулятор хранит электрическую энергию в виде химической энергии. Во время разряда батареи химическая энергия преобразуется обратно в электрическую энергию. Преобразователь постоянного тока является необязательным каналом. Его нельзя найти в каждом портативном продукте. Есть две причины его присутствия. Во-первых, батарея может подавать напряжение, которое не подходит для работы нагрузки. Во-вторых, каждая часть цепи нагрузки должна работать от наименьшего возможного напряжения питания из соображений эффективности, поскольку избыточное напряжение питания часто рассеивается в виде тепла. В обоих случаях преобразователь постоянного тока питает нагрузку с наименьшим 10 возможным напряжением питания, независимо от напряжения батареи. Преобразователь постоянного тока использует индуктор, который преобразует электрическую энергию от батареи в магнитную энергию и обратно в электрическую энергию. В нагрузке электрическая энергия от преобразователя постоянного тока преобразуется в звук, свет, электромагнитное (ЭМ) излучение или механическую энергию. Для оптимального использования энергии внутри батареи все преобразования энергии в энергетической цепи следует понимать и делать максимально эффективными. Это особенно верно, когда требуется миниатюризация портативного продукта. Миниатюризация является важной тенденцией для многих портативных устройств. Когда объем портативного устройства уменьшается, количество рассеиваемой энергии также должно уменьшаться. Причина заключается в том, что меньший объем будет давать более высокую температуру, когда количество рассеиваемой мощности остается прежним. Также наблюдается тенденция к увеличению сложности и функциональности портативных продуктов. В качестве примера можно привести электронную почту и Интернет, добавленные в функциональные возможности сотовых телефонов. Усложнение общей системы увеличивает общее энергопотребление нагрузки. Поэтому обеспечение эффективного преобразования энергии становится еще более важным. Это может быть достигнуто путем мониторинга и управления всеми звеньями в энергетической цепи. Это схематично показано на рисунке 1 (monitor and control). Существуют алгоритмы, которые проверяют и контролируют звенья в энергетической цепи. Первым примером является алгоритм зарядки, который отслеживает состояние батареи и управляет зарядным устройством, прерывая зарядный ток, когда батарея заполнена. Зарядка не должна продолжаться после заполнения батареи, поскольку в противном случае температура батареи существенно повысится и/или батарея может быть повреждена. Это уменьшает его емкость и полезное количество циклов зарядки/разрядки. Поэтому правильный алгоритм зарядки приводит к более эффективному использованию 11 батареи и её энергии. Второй пример - алгоритм, определяющий состояние заряда батареи (SoC). Эта информация может быть использована для более эффективного потребления энергии батареи. Например, его можно использовать в качестве входа для управления зарядом, указывая, что батарея заполнена. Кроме того, более вероятно, что пользователь будет ждать дольше перед перезарядкой батареи, когда на портативном устройстве будет доступна точная и надежная индикация SoC. Менее частая подзарядка выгодна для срока службы батареи. Третьим примером является алгоритм, который управляет преобразователем постоянного тока для питания нагрузки минимальным требуемым напряжением питания в зависимости от активности нагрузки. Примером такой нагрузки является усилитель мощности (РА) в сотовом телефоне. В случае PA напряжение питания может быть ниже для более низкой выходной мощности. Это приводит к повышению эффективности. |