電動汽車智能充電系統(tǒng)開發(fā)【充電器控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】
電動汽車智能充電系統(tǒng)開發(fā)【充電器控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】,電動汽車,智能,充電,系統(tǒng),開發(fā),充電器,控制系統(tǒng),設(shè)計,優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計,任務(wù)書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯
第 I 頁 摘 要 該文設(shè)計的是鉛酸蓄電池智能充電控制系統(tǒng),文中主要提及蓄電池充電方法的研究與充電控制系統(tǒng)的設(shè)計。在通過有關(guān)蓄電池充電原理與充電方法研究的基礎(chǔ)上,使用恒壓充電與恒流充電相結(jié)合的三階段式充電方法。該充電方法結(jié)合了恒壓和恒流充電的優(yōu)點,避免了在充電初期用大電流充電導(dǎo)致電池過充電和損壞充電設(shè)備等現(xiàn)象,又避免了用恒壓充電初始階段對蓄電池自身造成的大電流的沖擊,在最后一個階段采用小電流充電能最大限度的使蓄電池充滿并且不損壞蓄電池,起到了很好的充電效果。 論文主要內(nèi)容如下:介紹了鉛酸蓄電池的各種充電方法,并且比較 了各種充電方法的優(yōu)點和缺點;圍繞 片機,設(shè)計了充電系統(tǒng)的硬件電路,包括整流濾波電路,換電路,電池電路,保護電路,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,差分放大電路;電流電壓檢測電路,輔助電源電路, 示電路等電路。 最后對所設(shè)計的鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)的硬件和軟件進行了實驗調(diào)試,實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計的合理性以及所用的充電放法的可行性和有效性。 關(guān)鍵詞 :鉛酸蓄電池;三階段式;恒壓充電;恒流充電; 片機 第 he a of in On of on of of To in a to of of by of By is in be a of as of On of of is In of of of 目錄 目 錄 摘 要 . I . 緒論 . 1 文研究背景 . 1 目可行性分析 . 1 結(jié) . 2 2 汽車蓄電池簡介 . 3 電池的種類 . 3 酸蓄電池工作原理 . 3 酸蓄電池的充電方式 . 4 . 4 . 4 . 4 酸蓄電池的快速充電理論 . 5 . 5 . 6 . 6 . 7 結(jié) . 7 3 基本設(shè)計方案 . 8 體設(shè)計方案 . 8 . 8 . 8 . 8 . 8 電系統(tǒng)的充電方法的控制與實現(xiàn) . 9 結(jié) . 9 4 充電系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 10 相橋式整流、濾波電路 . 10 路 . 11 . 12 制電路 . 13 池電路和保護電路 . 14 池電壓和充電電流檢測電路 . 15 目錄 片機控制處理系統(tǒng) . 16 . 16 . 17 . 18 示屏的選擇 . 20 . 20 . 21 . 22 示電路 . 22 助電源電路 . 23 2. 23 2. 23 2. 24 25. 24 章小結(jié) . 24 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 25 統(tǒng)主程序設(shè)計 . 25 塊子程序設(shè)置 . 26 . 26 . 26 結(jié) . 27 6 智能充電系統(tǒng)樣機調(diào)試 . 28 件電路的調(diào)試 . 28 . 28 . 29 件系統(tǒng)調(diào)試 . 29 . 29 ,以化石能源為主的世界能源正逐步枯竭,因為作為世界能源的重要組成部分的化石能源是不可再生資源,化石能源也對地球造成了嚴重的環(huán)境污染,加入人們無法改變能源的使用結(jié)構(gòu),那么人類將面臨巨大的 生存威脅。在這樣嚴峻的能源背景下,研發(fā)和發(fā)展清潔能源成為當今人類的主要任務(wù)。時下在各國之間最熱門和流行的新清潔能源非動力蓄電池莫屬,以蓄電池為動力來源的電動車已經(jīng)被稱作新世紀的綠色工程,這個綠色工程迫使傳統(tǒng)的汽車工業(yè)發(fā)展進入到一個全新的關(guān)乎人類進步的領(lǐng)域。電動車中的車體、控制器、電動機這三大主要部分在理論和實際應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)很成熟,但是另外兩個大部件:蓄電池和其充電器的研究和發(fā)展卻無法滿足較高的品質(zhì)需求。它們有很多理論及技術(shù)還需大量投入力量去攻關(guān),這已經(jīng)成為交通發(fā)展的瓶頸?,F(xiàn)在我國的電動車所用的動力蓄電池主 要以鉛酸蓄電池為主,這是因為這種蓄電池有成本較低,無記憶效應(yīng),技術(shù)較成熟,電池的容量大,跟隨負荷輸出特性好,電壓穩(wěn)定等優(yōu)點。這相比其他的高性能電池如燃料電池,鋰電池等有很大的競爭優(yōu)勢。這就使得鉛酸蓄電池被廣泛的應(yīng)用在通信、交通、鐵路,國防及農(nóng)業(yè)等部門。近年全密封免維護鉛酸蓄電池通過它密封好、沒有泄漏、沒有污染等優(yōu)點,不但能保護人與各種各樣用電的設(shè)備的安全,而且其在整個壽命期間,不需要什么維護,因此帶開了鉛酸蓄電池的發(fā)展篇章?,F(xiàn)在通訊設(shè)備大多是使用免維護的電池來作為它們的備用電源,很多電子設(shè)備的無間斷電源系統(tǒng)也大多是用免維護電池,除此之外在汽車,應(yīng)急燈和輪船等也越來越多的開始用免維護電池。可是,由于不正確的充電方法,導(dǎo)致充電的技術(shù)沒辦法適應(yīng)這種電池的特殊要求,這就使電池非常難達到預(yù)定的使用壽命。雖然這些年來蓄電池技術(shù)有著令人振奮的進步,但是作為其能量補充的主要部件充電器的發(fā)展卻無法跟上步伐,主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的充電方式的充電時間太長,快速充電的技術(shù)到現(xiàn)在都沒能解決,嚴重的阻礙了電動車的普及和發(fā)展。而且目前我們國家工農(nóng)業(yè)運輸設(shè)備需要大量的蓄電池,可是因為充電設(shè)備過于落后充電的方法也不是很科學,因此,需要盡快設(shè)計出一種 新的智能充電系統(tǒng)來滿足社會各行各業(yè)的需求。 目可行性分析 電動車的充電系統(tǒng)的問題主要是有兩方面,一方面是充電模式,另一方面充電參數(shù)。一個充電系統(tǒng)要想性能優(yōu)良就要解決很多理論問題,比如如何減少電池的極化效應(yīng)的影響;如何減少或防止電池的失水效應(yīng);還有如何去除充電給電池造成的鹽化等。目前,傳統(tǒng)的充電器充電速度慢,充電時間過長,充電效率低,對電池容易造成損傷,而快速充電技術(shù)也還沒能完全解決,因此的現(xiàn)在的電動車大多都有續(xù)航里程短,電池維護頻繁 第 2 頁 共 48 頁 等問題。電動車所用的動力電池一般都在較長的時間中持續(xù)放出中等電流 ,而在起動、加速或爬坡這些情況時為大電流放電,蓄電池大多工作在深度放電區(qū)。所以,車用動力蓄電池快速充電系統(tǒng)的研究就特別有必要。 目前對于蓄電池的充電方式有很多種,早期的方式不是采用恒壓充電,就是采用恒流充電。如果使用恒壓充電,這種充電方式在充電的前期電流很大,很容易使極板極化,最嚴重的是變成的電解水會造成電池內(nèi)部溫度升高和電壓升高,這樣就會增大電池里的氣體析出,最終使極板變彎曲導(dǎo)致電池報廢。所以早期的充電方式大多采用恒流的方式,但是如果整個充電過程一直采用恒流充電,在充電的后期很多部分的電流會用在電解水,造 成析出氣體量很大,從而使電解液升溫沸騰,這樣不但浪費電能,沸騰的電解液沖擊極板,會使極板的活性物質(zhì)掉落,使電池提早報廢。因此發(fā)展到現(xiàn)在,世界通用的充電方式是采用分段式充電,這種方式是先是恒流充電,再進行恒壓充電,伴隨著充電電流逐步下降,從而減弱電解液的沸騰現(xiàn)象,進而保護極板。 結(jié) 本章介紹了當今世界上蓄電池的充電技術(shù)的發(fā)展狀況,以及論文研究背景、 項目可行性。 第 3 頁 共 48 頁 2 汽車蓄電池簡介 電池的種類 蓄電池的組成部分有三個:進行還原反應(yīng)的陰極,進 行氧化反應(yīng)的陽極以及將陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)容納在一起的電解液?;钚晕镔|(zhì)是在電極里發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)的物質(zhì)。目前的蓄電池主要有四種:鉛酸蓄電池,鋰離子蓄電池,鎳鎘蓄電池還有鎳金屬氧化物蓄電池。根據(jù)電池的不同特性,各種電池的使用場合和對象也是不一樣的。 蓄電池是依據(jù)電池的內(nèi)阻、能量密度以及電池的容量來選擇,它們的品質(zhì)直接定下了電池能為產(chǎn)品提供的電能品質(zhì)。對于放電速率要求較低的產(chǎn)品,例如手提視頻設(shè)備、筆記本電腦、蜂窩電話機等就可以選擇鋰離子蓄電池或者鎳金屬氧化物蓄電池,這是因為這些產(chǎn)品的長期電流的消耗較小 ,而這兩種蓄電池的內(nèi)阻較大,從而限制了峰值放電電流的大小,長期電流消耗較小的產(chǎn)品就很適合用這兩種蓄電池。相反,鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻比較小,這就使它們能供給比較大的電流,對于放電速率要求要的產(chǎn)品就可以選擇這兩類電池,例如電動車、由電池供電的電動工具等。 因為鉛酸蓄電池價格便宜,電壓穩(wěn)定以及供電可靠的優(yōu)點,使得鉛酸蓄電池被廣泛的應(yīng)用。 酸蓄電池工作原理 蓄電池的充電是通過逆向的化學反應(yīng)將電能儲存在化學物質(zhì)里來實現(xiàn)的。因為蓄電池里的化學也物質(zhì)不一樣,每種電池都有自己的特性,所以在 設(shè)計充電系統(tǒng)的時候應(yīng)該要先認真了解明白這些特性,以防止各種充電問題的的發(fā)生而損壞蓄電池。鉛酸蓄電池需要先通過電源對它經(jīng)行充電,使其將電能轉(zhuǎn)化成化學能進而存儲起來。二氧化鉛是鉛酸蓄電池的陽極活性物質(zhì),陰極的活性物質(zhì)為海綿狀的金屬鉛,作為電解液的是稀硫酸,陽極和陰極電極化學反應(yīng)式分別是: 4 2 2 4b 2 b 3 2 O H O P O H S O H ( 2 44b 2 e O H P H S O ( 2 整個化學方程式為: 4 2 2 2 42 b 2 b 2 O H O P O H S O P 放 電( 2 從方程式可以知道電池充電的時候,陽極產(chǎn)生的 陰極表面被還原成水,陰極也因為生成 極化電位變低,這樣就使陰極不析出氫氣,此時生成的 還原成海綿狀鉛,這就實現(xiàn)了蓄電池內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)??梢钥闯鲈诔潆姷臅r候,電解液里面的水幾乎不損失,可以達到不加水的目標。 第 4 頁 共 48 頁 酸蓄電池的充電方式 鉛酸蓄電池大方面上有 2種充電方法:第一種是使用小電流慢慢充的常規(guī)傳統(tǒng)方法;第二種是可以大幅縮短充電的時間以及增加電池的使用壽命的快速充電方法。 可是,因為鉛酸蓄電池帶有非線性,多變量及離散性等特征,現(xiàn)在所用的數(shù)學模型來創(chuàng)建出的充電系統(tǒng)不是太復(fù)雜就是充電效果不理想,這樣的充電系統(tǒng)根本就無法得到大面積的推廣和應(yīng)用。所以傳統(tǒng)的充電方法現(xiàn)在在各種生活和生產(chǎn)里仍然占據(jù)很大一部分的比例。就鉛酸蓄電池來說,傳統(tǒng)的充電方式充電效率不僅不高,還給蓄電池的使用壽命造成不良的影響。 以下將針對各種傳統(tǒng)的充電方式進行介紹并對對其不足進行分析,同時還會對論文使用的三階段式充電方式進行介紹。 目前,鉛酸蓄電池傳統(tǒng)的充電 方式有恒壓充電法和恒流充電法等。這兩種方法在充電器中的控制電路較簡單,充電功率和效率都比較低。 恒流充電方式是在整個充電的過程都使鉛酸蓄電池的充電電流保持恒定不變。充電的時候充電電流值一般都選擇比較小,充電的時間一般都很長,這樣就避開了大電流的充電損壞蓄電池。這種方式的缺點是充電電壓會隨著充電時間逐漸變大,對電池的極板會造成很大的沖擊,電池氣體析出量較大,充電效率低下,能耗很高。所以這種充電方式多應(yīng)用在對蓄電池初始充電的場合。圖 這種充電方式電壓與電流的波形圖 。 圖 流充電法 鉛酸蓄電池恒壓充電法 這種充電方式是在整個充電的過程里都使鉛酸蓄電池的兩端電壓保持恒定不變,電流與電壓的波形如圖 充電的初始階段,電流非常大,隨著充電的進行,電流呈 第 5 頁 共 48 頁 指數(shù)方式遞減,電池的電動勢逐漸遞增。在充電的最后階段,充電電流變得很小。整個充電過程中都不用調(diào)整電流的大小。這種方法簡單,因為電流自動減小,所以充電的過程中,氣體的析出量很小,如果充電電壓選擇恰當,充電時間會變得較短。這種充電方式的缺點也很明顯:由于在充電的初始階段,假如電 池的放電深度太大,就會使充電電流很大,進而會造成電池內(nèi)部溫度過高,從而損壞電池;如果選擇的充電電壓太低,而末尾階段的充電電流又太小,這樣就會加大充電時間,串聯(lián)數(shù)比較多的電池組就不適合這樣的充電方式。容量小、電壓低的蓄電池多用恒壓充電法。 圖 壓充電法 酸蓄電池的快速充電理論 針對傳統(tǒng)的充電方法恒流充電和恒壓充電方法的充電速率慢、使用不安全等無法彌補的缺點,很多的專家提出了變電流間歇充電理論、三階段充電理論以及脈沖充電理論等先進的理論和技術(shù)。 充電原理 美國科學家 首的研究團隊在對蓄電池充電過程進行了大量而且很深入的研究后找到了產(chǎn)生析氣現(xiàn)象的規(guī)律和原因,從而提出了以最低吸氣率為前提的電池可接受的充電電流曲線 1。該曲線如圖 示。在任一個蓄電池充電時刻,蓄電池可以接受的充電電流大小為: 0 e ( 2 這個公式中, i 為任一時刻 t 蓄電池可承受的最大充電電流; 那個時刻的最大起始電流; 為衰減率常數(shù)。 從圖 以知道,蓄電池充電的時候如果充電電流只要低過電池可接受的最大電流,其自身就不產(chǎn)生氣泡,但是如果充電電流大過電池可接受的最大電流,超過的那部 第 6 頁 共 48 頁 分電流并不能轉(zhuǎn)化成化學能存儲在電池中,而是促進了電池里面的水的電解,從而產(chǎn)生氣體析出。充電起始階段的電流和電池可接受的電流相比起來很小,會使充電時間加長。在充電的末階段充電電流與電池可接受充電電流相比起來很大,會導(dǎo)致蓄電池的析氣現(xiàn)象加劇 圖 電池充電電流可接受曲線 為了在充電初期階段獲取到最大的充電量,初期的電流采用最佳充電電流值來替換恒電流充電,恒流充電段改成限壓變電流間歇充電段;為了獲得過充電量,在末期階段使用定電流充電,將電池恢復(fù)至完全放電狀態(tài) 2,原理如圖 示。 圖 電流間歇式正負脈沖充電法 間歇的變電流對蓄電池進行充電能將電池充電過程產(chǎn)生的氧氣在足夠的時間里進行化學反應(yīng)進而重新被吸收,這樣就降低了電池內(nèi)部的電壓,使下一次的恒流充電進行得更加順利,將更多的電能充進蓄電池。 脈沖充電法是使用脈沖電流或者脈沖電 壓的對蓄電池進行充電,并在充電電流或者電壓中疊加一定的負脈沖,或者在充電時突然停止充電一小段時間,這樣就可以把蓄電池的極化電壓降下來同時減少蓄電池析氣現(xiàn)象 3。圖 原理波形圖。 蓄電池能否快速充電的一個主要因素是極化電壓,若想快速的進行充電,就一定要 第 7 頁 共 48 頁 消除掉極化電壓對蓄電池的影響。恰到好處的停充或者疊加負脈沖能助于極化現(xiàn)象的消除。 圖 脈沖充電法 三階段式充電法充分結(jié)合和利用了恒流充電及恒壓充電的優(yōu)點并去除了這兩種方法的缺點,在充電的起始階段使用 大電流來充電,這樣就讓蓄電池在短時間內(nèi)儲存很多的電能。這樣經(jīng)過一時間后改用恒壓充電,是電流降下來。這樣經(jīng)過一段時間達到很小的電流的時候采用恒流充電,這個階段也叫浮充充電階段。原理如圖 示。 圖 階段式充電法 由此可以知道,這種充電法避開了在充電的起始階段用大電流充電造成電池過度充電及損壞充電設(shè)備的現(xiàn)象,還避免了初始階段恒壓充電對電池帶來的大電流沖擊。在最后的充電階段,小電流的充電能盡量使蓄電池電量充滿而且不對蓄電池造成損壞,這是非常好的充電效果。 結(jié) 本章先主 要分析了蓄電池的種類及工作原理,并在此基礎(chǔ)上詳細分析了各種傳統(tǒng)充電方法和目前各種較流行的快速充電法的原理和優(yōu)缺點。 第 8 頁 共 48 頁 3 基本設(shè)計方案 體設(shè)計方案 本設(shè)計采用的總體方案是先構(gòu)建各個功能模塊,然后再將各個模塊組合起來的方式來實現(xiàn)方案。 如恒壓充電,恒流充電等; 如反流、過流保護等; 如充電電壓,充電電流的顯示等。 充電器能不能快速安全可靠地對蓄電池進行充電很大程度上 取決于所用的充電方法,不一樣的充電方法所來的充電速度和效果差距是很大的。所用的充電方法要求可以最大程度的提高電池充電速率,使電量充滿時間很短。 三段式充電法避開了在充電的起始階段用大電流充電造成電池過度充電及損壞充電設(shè)備的現(xiàn)象,還避免了初始階段恒壓充電對電池帶來的大電流沖擊。在最后的充電階段,小電流的充電能盡量使蓄電池電量充滿而且不對蓄電池造成損壞,這是非常好的充電效果。 根據(jù)任務(wù)書的要求和指導(dǎo)老師的指導(dǎo),充電的各階段參數(shù)如下: 電池型號:超威 612第一階段:恒流充電,以 700流充電;電池電壓達到 進入恒壓充電。 第二階段:恒壓充電,以 壓充電;電流降到 120,進入浮充充電。 第三階段:浮充充電,以 120電。 本充電系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖 示,它包括將 220V 交流電進行整流和濾波的整流電路,輔助電源電路,由 做開關(guān)器件的直流變直流轉(zhuǎn)換電路,單片機控制電路,電流電壓檢測電路以及 示電路等。充電系統(tǒng)的電路原理圖和 如附錄中電動汽車智 能充電系統(tǒng)原理圖及電動汽車智能充電系統(tǒng) 所示。 第 9 頁 共 48 頁 M C U 控制處理系統(tǒng)電壓采集電路220 V a c 市電 變壓 、 整流 、 濾波輔助電源液晶顯示電流采集電路和放大電路A D C 轉(zhuǎn)換電路 關(guān)電路 充電電池P W M 驅(qū)動電路圖 電系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 電系統(tǒng)的充電方法的控制與實現(xiàn) 為了實現(xiàn)三階段式充電法,我設(shè)計了以 片機為控制器的控制系統(tǒng),將檢測到的電池端電壓、充電電流、電池電量等狀態(tài)信息,送到 行處理以及判斷,以此來選擇充電階段,實現(xiàn)智能充電。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很簡單,方便操作,成本也很低。 結(jié) 本章給出了本設(shè)計的總體設(shè)計方案,并介紹了方 案中的各個部分,包括充電方法的選擇、充電參數(shù)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖等。 第 10 頁 共 48 頁 4 充電系統(tǒng)硬件設(shè)計 相橋式整流、濾波電路 整流電路是將一種交流電轉(zhuǎn)換成另一種交流電的電路,這個電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔脕韺崿F(xiàn)的,所以二極管是整流電路的關(guān)鍵元件 5。電容的目的是把輸出的整流電壓中的紋波濾掉,它是濾波電路中關(guān)鍵元件。濾波電路還可以由輸出端和負載間串聯(lián)電感器或者電容和電感組合來構(gòu)成。圖 該電路的電路圖。 整流橋一般是由四個整流二極管接成電橋的形式,當 正向?qū)〞r,二極管可以流過很大 的電流,導(dǎo)通壓降典型值是 果二極管加反向電壓,二極管只可以流過非常小的反向電流,二極管可以承受很高的反向電壓。整流橋是相對的二極管組成一組輪流導(dǎo)通的。 圖 相橋式整流濾波電路 為了使充電電壓達到 12V,整流輸出電壓至少要達到 20V,即負載電壓 0V。 由電容濾波電路的負載電壓 變壓器二次側(cè)的電壓 關(guān)系約為: 2(1 . 1 1 . 2 ) 4 這里 取 算得 慮實際的變壓器選擇, 15V。 則 電源變壓器將 220V 交流電降壓成 15V 交流電后, 15V 交流電的接入口。 1. 整流橋的選擇 本課題充電電流要求為 01A,為了達到要求,這里的負載電流 少取 1A,考慮到裕度,取 2A。 流經(jīng)二極管的平均電流: 11 2122 A A ( 4 二極管受到的最大反向電壓: 22 2 1 V( 4 因此可以選用整流橋堆 允許的最大平均整流電流為 3A,最大反向電壓為 700V。 第 11 頁 共 48 頁 2. 濾波電容的選擇 負載電阻: / 2 0 / 2 1 0 L L I ( 4 為了負載電壓能平滑,一般電容器的充電時間常數(shù): R ( 3 5 ) 2L ( 4 由此可得濾波電容: 0 . 0 4 0 . 0 0 4 4 0 0 010 F 考慮到市電波動 10% ,那么電容會承受到的最高電壓為: 22 1 . 1 2 3 . 3 V ( 4 由于在一個單位體積中電解電容的電容量比其它種類的電容要大很多。 故可選用標稱值 4 7 0 0 / 5 0的電解電容器。 路 直流斬波電路是把一種直流電轉(zhuǎn)換為另一種直流電的電 路。最基本的電路有兩種:降壓斬波電路和升壓斬波電路。 降壓斬波電路是一種輸出電壓小于或等于輸入電壓的 換電路。電路的原理如圖 示。 圖 壓斬波電路 輸入輸出電壓分別為 載是電阻 R。在實際運用中 S 常用 全控型電力電子元件,根據(jù)調(diào)制輸出電壓平均值的方式, S 的控制方式有三種: 不變,調(diào)節(jié)開關(guān)的導(dǎo)通時間 為脈沖寬度調(diào)制( 變,改變開關(guān)周期 T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。 3. T 都可調(diào),使占空比改變,稱為混合型 4。 當 S 導(dǎo)通,電源給負載 R 提供電能,負載上的電壓 i,流過負載的電流呈指數(shù)形式上升。當 S 關(guān)斷,負載電流通過續(xù)流二極管 流,負載的電壓為 0,負載電流 第 12 頁 共 48 頁 呈指數(shù)的形式下降。到一個周期 T 結(jié)束,開關(guān) S 再重復(fù)循環(huán)之前周期的工作過程,那么在一個周期內(nèi),負載電流的初值和終值相等,負載電壓的平均值為 i io f ( 4 導(dǎo)通占空比 ,可知 大為 降壓斬波電路的特點是:只能降壓,輸入和輸出的電壓的極性相同,輸入電流脈動比較大,輸出電流脈動比較小。 第一節(jié)已經(jīng)假定整流濾波的輸出電壓為 20V, 通過原理圖可知 路的輸入電壓為 20V 左右,而輸出電壓為 15V 左右,就要采用降壓斬波電路,其原理圖如圖 圖 實際的降壓斬波電路 這里的功率開關(guān)器件可以采用以下三種全控型電力電子元件: 比其它普通的晶體管,它的耐壓性能好、能通過的電流大,開關(guān)特 性也好,但是因為驅(qū)動電路比較復(fù)雜,驅(qū)動的功率也很大等原因,其已大多被絕緣柵雙極晶體管和電力場效應(yīng)晶體管替代。 電力 用柵極電壓來控制漏極電流的,所以驅(qū)動電路比較簡單,擁有很快的開關(guān)速度,最大工作頻率高。但是由于它的電流容量較小,耐壓程度低,所以只能適用功率沒有超過 10裝置。 有了 優(yōu)點,適用在中小功率的裝置。 考慮到本充電系統(tǒng)功率不大,這里的功率開關(guān)器件 用 N 溝道增強型場效 應(yīng)功率晶體管,產(chǎn)品型號為 最大漏極電流 33A,最高柵源間電壓 10V, 第 13 頁 共 48 頁 最高漏源電壓 100V。 電阻 成吸收電路,來減少開關(guān)動作時的毛刺,也就是吸收尖峰脈沖。其原理是當 斷瞬間, 的漏源電壓 高,通過 路對 電,吸收了關(guān)斷瞬一、畢業(yè)設(shè)計(論文)的內(nèi)容 內(nèi)容: 為了有效解決當今世界所面臨的能源危機和環(huán)境污染兩大主題,電動汽車將是未來陸地交通工具發(fā)展的必然趨勢,而充電器是電動汽車不可或缺的部件。為了提高電能的使用效率,目前充電器一般采用 開關(guān)電源技術(shù) 。 根據(jù)電池的充電技術(shù)要求 , 設(shè)計一種車載 電動汽車充電開關(guān)電源 。 具體工作內(nèi)容有: 1、 收集、消化有關(guān)電動汽車充電電源方面的技術(shù)資料, 了解其 發(fā)展概況、工作方式方法等;重點收集、消化有關(guān)常用汽車電池的充電技術(shù)要求,以及開關(guān)型充電電源的工作原理和方法、控制技術(shù)等方面的資料 ; 2、 深入了解一種典型汽車 電源充電技術(shù)要求 , 以及典型的 開關(guān)型充電電源中相關(guān)的整流、 關(guān)控制等技術(shù)及其具體的實現(xiàn)方法 。根據(jù)技術(shù)要求和實際情況 ,完成 系統(tǒng)方案設(shè)計,包括:設(shè)計開關(guān)型 換主電路;采用單片機技術(shù)和合適的控制方法和 制技術(shù),實現(xiàn)電池特點的充電曲線功能 ;進行必要的 可靠性設(shè)計 ,使系統(tǒng)工作可靠、功能齊備、使用方便、經(jīng)濟實用 ; 3、 進行方案論證 ,確定一個最佳 技術(shù) 方案 , 按最佳方案設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件。設(shè)計過程應(yīng)有 理論分析、 電路參數(shù)計算,并給出單元部件或器件的具體型號 等 ; 4、 設(shè)計系統(tǒng)樣機,進行系統(tǒng)的仿真與調(diào)試,給出硬件電 路原理圖和制版圖(機繪)、軟件框圖和程序清單 ;完成樣機制作和調(diào)試。 二、畢業(yè)設(shè)計(論文)的要求與數(shù)據(jù) 要求: 1. 完成系統(tǒng)設(shè)計、 硬件 制作 和 軟、硬件調(diào)試 ; 2. 主要技術(shù)參數(shù) : 系統(tǒng)供電: 220制參數(shù):按充電曲線(可設(shè)定)充電;充電電流: 0 1A, 流控制,精度 10%; 3. 用 其他軟件,進行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和仿真、調(diào)試; 4. 做必要的可靠性設(shè)計,使 系統(tǒng)能做到性能可靠、使用方便 。 三、畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)完成的工作 1、 完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文) , 附參考 文獻 15 篇 , 英文 1篇 ;包括 : 300詞英文摘要 ;課題綜述、 電 路 原理 和 方案 論證 、理論計算、 軟硬件 設(shè)計、 系統(tǒng) 仿真及 實驗 結(jié)果說明等內(nèi)容 , 圖表資料齊全 ; 2、獨立完成與課題相關(guān),不少于四萬字符的指定英文資料翻譯(附英文原文); 3、 根據(jù)課題任務(wù)與要求 ,完成 系統(tǒng)的 方案論證、理論計算、軟 硬件 設(shè)計和仿真,給出軟件清單和框圖, 硬件 機繪 原理圖 和 制版圖各一份 (尺寸 4、 根據(jù)課題任務(wù)與要求, 完成系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析和實驗驗證(調(diào)試), 做出可供演示之模擬樣機 。 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 1 王舒妍 , 豐茂 J. 科技資訊 , 2014, 21: 122 劉國棟 D. 湖北: 武漢科技大學 圖書館,2008 3 李昌林 D. 湖北: 武漢理工大學 圖書館, 2008 4 段朝偉 , 徐海剛 J. 電子器件 ,2013, 2: 415 詹春娟 路的電動汽車智能充電系統(tǒng)的研究 D. 江西: 華東交通大學 圖書館, 2011 6 江秀道 D. 江西: 南 昌大學 圖書館, 2011 7 王兆安等 M. 西安:西安交通大學出版社, 2001 8 耿淬,孫志平 M. 北京:高等教育出版社 , 2002 9 周潤景等 電路及單片機設(shè)計與仿真 M. 北京:北京航空航天大學出版社 , 2010 10 . M. 2001 五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件 示波器一臺;微型計算機一臺;單片 機開發(fā)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)各一套;萬用表一只;相關(guān)電子元件一套 任務(wù)下達時間: 2015 年 12 月 28 日 畢業(yè)設(shè)計開始與完成時間: 2015 年 12 月 28 日至 2016 年 05 月 22 日 組織實施單位: 機械電子工程系 教研室主任意見: 簽字: 2015 年 12 月 30 日 院領(lǐng)導(dǎo)小組意見: 簽字: 2015 年 12 月 31 日 1畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等 研究內(nèi)容 隨著社會的發(fā)展,汽車在整個社會進步和經(jīng)濟發(fā)展中扮演著非常重要的角色,而 汽車尾氣的排放卻已成為大氣主要污染源,同時也由于世界石油資源的日趨緊張,都迫使當今社會向無污染和節(jié)能的方向發(fā)展,在此背景下,擁有解決這兩大難題而面世的電動汽車將是未來陸地交通工具發(fā)展的必然趨勢。電池充電器是電動汽車不可缺少的部份。源于提高電能的使用效率,目前充電器一般采用開關(guān)電源技術(shù)。依據(jù)電池的充電的特性和技術(shù)要求,本設(shè)計將實現(xiàn)一種用于車載電動汽車的開關(guān)電源電池電池充電器 。 本設(shè)計的具體工 作內(nèi)容如下: 1、首先搜集國內(nèi)國外關(guān)于電動汽車充電電源方面的技術(shù)資料,深入了解其現(xiàn)狀、工作方式、實現(xiàn)方法等;著重理解關(guān)于汽車電池的充電特性和開關(guān)型充電電源的工作原理和方法、控制技術(shù)等方面的資料; 2、深入了解一種典型汽車電源充電技術(shù)要求,以及典型的開關(guān)型充電電源中相關(guān)的整流、 關(guān)控制等技術(shù)及其具體的實現(xiàn)方法。根據(jù)技術(shù)要求和實際情況,完成系統(tǒng)方案設(shè)計,包括:設(shè)計開關(guān)型 換主電路;采用單片機技術(shù)和合適的控制方法和 制技術(shù),實現(xiàn)電池特點的充電曲線功能;進行必要的可靠性設(shè)計,使系統(tǒng)工作可靠、功 能齊備、使用方便、經(jīng)濟實用; 3、進行方案論證,確定一個最佳技術(shù)方案,按最佳方案設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件。設(shè)計過程應(yīng)有理論分析、電路參數(shù)計算,并給出單元部件或器件的具體型號等; 4、設(shè)計系統(tǒng)樣機,進行系統(tǒng)的仿真與調(diào)試,給出硬件電路原理圖和制版圖(機繪)、軟件框圖和程序清單;完成樣機制作和調(diào)試。 研究重點及難點 重點: (1)電動汽車智能充電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計,使基本硬件電路能滿足測距量程要求和基本精度要求; (2)選擇合適的電壓,電流,溫度等傳感器 ,并設(shè)計相應(yīng)合理的控制電路,確保檢測系統(tǒng)的精確性。 (3)正確設(shè)計單片機的程序 ,精確地滿足充電要求 ,并且設(shè)計出操作簡單、界面直觀簡潔的人機界面。 難點: (1)如何設(shè)計控制單元,使之能夠符合單片機采集數(shù)據(jù)要求的同時能夠滿足使用要求。 (2)如何合理單片機程序,使之能精確 對傳感器的輸入信號進行采集、對電源- 1 - 專用芯片 行控制、對異常進行處理等工作 。 (3)如何消除溫度對充電的影響,使測量精度更加精確。 (4)如何選擇充電策略和算法,使充電系統(tǒng)滿足要求。 2準備情況(查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等) 研究概況及發(fā)展趨勢 蓄電池是 汽車必不可少的一部分,可分為傳統(tǒng)的鉛蓄電池和免維護型蓄電池。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展 ,蓄電池正廣泛應(yīng)用于交通運輸 ,電力 ,通信等領(lǐng)域的各種設(shè)備中 ,已成為這些設(shè)備的重要部件 ,直接影響到設(shè)備的壽命和可靠性。電動車作為具有零排放優(yōu)點的“綠色”交通工具成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點 ,而蓄電池及電池管理系統(tǒng)是電動汽車發(fā)展的“瓶頸”。世界各國都投入大量的人力物力進行開發(fā)研究 ,我國在這方面的研究剛剛起步 ,汽車工業(yè)發(fā)達國家的研制工作也不很完善 ,這其中有蓄電池技術(shù)與蓄電池充放電技術(shù)兩大難點。 蓄電池作為電動汽車的動力源而成為電動車發(fā) 展的關(guān)鍵 ,蓄電池的性能決定了電動車的性能指標 ,其能量密度決定了電動車一次充電的續(xù)駛里程 ,其功率密度則決定了電動汽車的加速性能和最高車速。因此 ,在某種意義說電動車的成敗首先取決于電池技術(shù) ,電動車能否普及取決于電池技術(shù)是否有突破性進展。 對 于 蓄電 池 ,傳 統(tǒng) 充 電 方法 主 要 有 恒 壓 充 電、恒 流 充電 或 者 兩者相 結(jié) 合 等 方 法 ,這 些 充 電 方 法 沒 有 動 態(tài) 的 跟 蹤 蓄 電 池 可 接 受 的 充 電電 流 的 大 小 ,實 踐 證 明 這 些 充 電 方 法 不 但 是 充 電 時 間 長 而 且 還 很 容易 對 蓄電 池 過 沖 ,減 少 蓄電 池 的 壽 命 。 通過了對恒壓充電與恒流充電 2 種方法的改進 ,產(chǎn)生了一種傳統(tǒng)的充電方法 :分段 式充電方法。該充電方法具有技術(shù)實現(xiàn)簡易、基本可以滿足充電需求、成本低等優(yōu)點,現(xiàn)已很普遍的應(yīng)用在汽車電池充電領(lǐng)域。 參考文獻: 1 謝自美等編著 實驗 二版) M中科技大學 出版社, 2002 2 陳尚松編著 M子工業(yè)出版社, 2005 3 徐科軍主編 M4 趙亮,侯國銳編著 語言編程與實例 M民郵電出版社,2003 5 王舒妍,豐茂 J. 科技資訊, 2014, 21: 126 劉國棟 D. 湖北:武漢科技大學圖書館,- 2 - 2008 7 李昌林 D. 湖北:武漢理工大學圖書館, 2008 8 段朝偉,徐海剛 J. 電子器件,2013, 2: 419 詹春娟 D. 江西:華東交通大學圖書館, 2011 10 江秀道 D. 江 西:南昌大學圖書館, 2011 11 王兆安等 M. 西安:西安交通大學出版社, 2001 12 耿淬,孫志平 M. 北京:高等教育出版社 , 2002 13 周潤景等 電路及單片機設(shè)計與仿真 M. 北京:北京航空航天大學出版社, 2010 14 . M. 2001 現(xiàn)有設(shè)備和實驗條件 個人 計算機 、 51 單片機開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、電烙鐵,開放實驗室、開放圖書館 3、實施方案、進度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料 實施方案 本課題有三個主要問題需要解決,分別是系統(tǒng)整體設(shè)計、系統(tǒng)誤差規(guī)避、系統(tǒng)程序和系統(tǒng)實物設(shè)計制作。其中,系統(tǒng)整體設(shè)計可以通過查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來解決;系統(tǒng)誤差規(guī)避主要通過所學知識和查閱相關(guān)資料吸取總結(jié)已有經(jīng)驗,提高制作工藝規(guī)避系統(tǒng)誤差和偶然誤差來實現(xiàn);軟件程序的設(shè)計和實物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學知識進行,對于該過程中所遇到的問題可以通過查閱 相關(guān)資料,和同學討論,詢問指導(dǎo)老師,到實驗室進行試驗等手段解決。 具體如下: ( 1)硬件設(shè)計 目前,電動車電池作為一種儲能裝置,主要以鉛酸蓄電池為主,充電器是專門針對鉛酸蓄電池所設(shè)計的。傳統(tǒng)的蓄電池充電器采用電流 /電壓負反饋的方- 3 - 法來達到恒流 /恒壓充電的目的,為了實現(xiàn)充電過程各種工作參量的實時監(jiān)測及智能多段式充電策略的精確控制,引入電流 /電壓反饋環(huán),應(yīng)用 P 片機及相應(yīng)的控制電路,其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。 ( 2) 軟件設(shè)計 片機的軟件模塊主要完成對傳感器的輸入信號進行采集、對電源專用芯片 行控制、對異常進行處理等工作。在設(shè)計過程中,軟件系統(tǒng)每隔 10 s 檢測一次電壓和電流; 每隔 20 s 檢測一次溫度。如有異常,系統(tǒng)將通過示用戶出現(xiàn)何種異常并采取相應(yīng)的保護措施。如圖二所示 開關(guān)電源電路 電動車用蓄電池 電壓、電 流傳感器 件驅(qū)動電路 片機 A/D 轉(zhuǎn)換 220V 50源 圖一 - 4 - 檢測蓄電池電壓,電流,溫度等工作參數(shù) 蓄電池 是否接上? 系統(tǒng)初始化 開始 電池是否深度放電? 涓流短時充電 檢測電壓,電流,溫度,計算充電時間 是否有異常? 是否完成? 恒壓均衡充電 檢測電壓,電流,溫度,計算充電時間,計算 dv/dt,di/態(tài)內(nèi)阻等參數(shù) 是否有異常? 是否完成? 恒流快速充電 檢測電壓,電流,溫度,計算充電時間 是否完成? 進入浮 充狀態(tài) 異常處理 是否有異常? Y N N Y Y N N N N N Y Y Y Y Y 圖二 進度實施計劃: 第一階段( 2 月 28 日至 3 月 6 日):整體方案的設(shè)計,查找資料,畫出原理框架圖,提交硬件原理草圖一份。 第二階段( 3 月 7 日至 3 月 17 日):詳細方案的論證,主要是開關(guān)電源、驅(qū)動和電壓 電流檢測部分。 第三階段( 3 月 18 日至 4 月 2 日):單片機和電壓電流檢測電路的設(shè)計和實現(xiàn)調(diào)試。 第四階段( 4 月 3 日至 4 月 18 日):開關(guān)電源和開關(guān)電源驅(qū)動電路的設(shè)計和實現(xiàn)調(diào)試。 第五階段( 4 月 19 日至 4 月 30 日):各部分電路拼接,整體系統(tǒng)的硬件、軟件調(diào)- 5 - 試,實現(xiàn)最終樣機。 第六階段( 5 月 1 日至 5 月 15 日):整理外文文獻、論文。 預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料 1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書(圖表資料齊全,附參考文獻 15 篇,英文 1 篇);畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)中需包括: 300詞英文摘要;電路原理和方案 比較、理論計算、硬件設(shè)計、仿真及結(jié)果說明等內(nèi)容。 2、獨立完成與課題相關(guān)、不少于四萬字符的指定英文資料翻譯(附英文原文)。 3、設(shè)計出系統(tǒng)的硬件和軟件并完成其調(diào)試。 4、用計算機繪制 上相關(guān)硬件的原理圖、制版圖各一份。 5、根據(jù)課題任務(wù)與要求,完成系統(tǒng)設(shè)計和仿真,做出可供演示之模擬樣機。 - 6 - 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師(簽字): 2016 年 03 月 日 開題小 組意見 開題小組組長(簽字): 2016 年 03 月 日 院(系、部)意見 主管院長(系、部主任)簽字: 2016 年 03 月 日 第 1 頁 共 11 頁 增強管理電力系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和安全性 要 們把焦點幾乎都專門放在保證電力系統(tǒng)的可靠性的實施設(shè)備。直到最近,通訊信息流被認為是外圍的重要性。但是,保障電力系統(tǒng)監(jiān)控的信息基礎(chǔ)設(shè)施對電網(wǎng)的可信度來說日益成為關(guān)鍵。 通信協(xié)議是電力系統(tǒng)運行最關(guān)鍵的部分之一,它負責檢索來自現(xiàn)場作業(yè)設(shè)備的信息,發(fā)送控制命令。盡管它們的關(guān)鍵功能,至今這些通信協(xié)議很少整合任何安全措施,包括針對一時疏忽的錯誤、電力系統(tǒng)設(shè)備失靈、通信設(shè)備故障或者有意破壞的防護措施。因為這些通信協(xié)議專業(yè)化,“通過隱藏來實現(xiàn)安全”成為了基本途徑。但是,這方法不再是一個有效的概念。尤其電力市場正在迫使市場參與者獲得任何他們能有的優(yōu)勢。一點微量的信息都能將一副壞牌起死回生 壞電力系統(tǒng)運作的原因可能是粗心的錯 誤到單純是青少年的聲張?zhí)搫?,再到在電子競技市場的競爭,甚至到實際的恐怖主義。 隨著電力行業(yè)越來越依賴于運轉(zhuǎn)電力系統(tǒng)的信息,兩大基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在必須管理起來:不僅是電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施,還有信息基礎(chǔ)設(shè)施。 電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的管理已經(jīng)依賴于信息基礎(chǔ)設(shè)施,因為自動化不斷取代人工操作,市場需要更加精確、及時的信息,以及電力系統(tǒng)設(shè)備年限。因此,電力系統(tǒng)的可靠逐漸受到任何信息基礎(chǔ)設(shè)可能會面臨問題的影響。 這篇論文主要講述強調(diào)信息基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和安全性的 作安全標準。 索引 靠性,信息 基礎(chǔ)設(shè)施,通訊, 力系統(tǒng)操作, 力系統(tǒng)和信息體系 在電力行業(yè),人們把焦點幾乎都專門放在保證電力系統(tǒng)的可靠性的實施設(shè)備。直到最近,通訊信息流被認為是外圍的重要性。但是,保障電力系統(tǒng)監(jiān)控的信息基礎(chǔ)設(shè)施對電網(wǎng)的可信度來說日益成為關(guān)鍵。除了 2003年 8月 14日最初的電力設(shè)備問題 一歸因于不能在正確的時間內(nèi)提供正確的信息到正確的地方的問題,導(dǎo)致了持續(xù)不斷的連鎖故障。 第 2 頁 共 11 頁 : 4, 2003 通信協(xié)議是電力系統(tǒng)運行最關(guān)鍵的部分之一,它負責檢索來自現(xiàn)場作業(yè)設(shè)備的信息,發(fā)送控制命令。盡管它們的關(guān)鍵功能,至今這些通信協(xié)議很少整合任何安全措施,包括針對一時疏忽的錯誤、電力系統(tǒng)設(shè)備失靈、通信設(shè)備故障或者有意破壞的防護措施。因為這些通信協(xié)議專業(yè)化,“通過隱藏來實現(xiàn)安全”成為了基本途徑。畢 竟,只有操作人員才能從高度防護控制中心去控制入侵者。誰會去關(guān)心一條網(wǎng)線的百萬瓦兆,或者是去熟知如何讀取特別的位與字節(jié)和特定的百進制通信協(xié)議,而且為什么有人想去破壞電力系統(tǒng)呢?但是,這方法不再是一個有效的概念。尤其電力市場正在迫使市場參與者獲得任何他們能有的優(yōu)勢。一點微量的信息都能將一副壞牌起死回生 壞電力系統(tǒng)運作的原因可能是粗心的錯誤到單純是青少年的聲張?zhí)搫?,再到在電子競技市場的競爭,甚至到實際的恐怖主義。不僅僅是市場驅(qū)使安全變得更重要。近年 來操作電力系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷加大,更可能發(fā)生機械故障和操作失誤,在規(guī)模和成本上有更大影響。 此外,比較舊的、模糊不清的通信協(xié)議被標準化且證據(jù)充分對黑客和工業(yè)間諜敏感的協(xié)議所代替。隨著電力工業(yè)越來越依靠信息運轉(zhuǎn)電力系統(tǒng),現(xiàn)在必須要管理兩大基礎(chǔ)設(shè)施:不僅是電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施,還有信息基礎(chǔ)設(shè)施。電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的管理已經(jīng)依賴于信息基礎(chǔ)設(shè)施,因為自動化不斷取代人工操作,市場需要更加精確、及時的信息,以及電力系統(tǒng)設(shè)備年限。 因此,電力系統(tǒng)的可靠性逐漸受到信息基礎(chǔ)設(shè)施可能會面臨任何問題的影響。 第 3 頁 共 11 頁 : e I. 下為其適用范圍: “To in of of to be C 57. in a to be 第 4 頁 共 11 頁 成為了第四條協(xié)議的依據(jù)。這些協(xié)議如下: (1) 0870歐洲和美國以外的國家中廣泛使用,從 統(tǒng)到 也使用在串行鏈路 (101部分 )和網(wǎng)絡(luò)上 (104部分 )。 0870出,并在美國使用,而且現(xiàn)在也在其他國家廣泛使用,主要是 統(tǒng)到 (3) 0870又稱為 主要是國際上使用于控制中心和 其他工程系統(tǒng))之間范圍內(nèi)的交流。 1850 是用來保護繼電器、變電站自動化、配電自動化、電力質(zhì)量、分散式發(fā)電、變電站控制中心和其他電力工業(yè)操作功能。它帶有的配置文件要對應(yīng)保護繼電器的超快速回應(yīng) (5) 1334 (總之,這些國際化標準解釋了接近百分之九十的數(shù)據(jù)通信協(xié)議在最近的執(zhí)行和升級電力行業(yè) 絡(luò)通信協(xié)議,現(xiàn)場總線和其他私有協(xié)議仍使用于舊版系統(tǒng)和其他工業(yè)中)。 電力系統(tǒng)操作造成的許多安全挑戰(zhàn)是不同于其他工業(yè)的。例如,大部分的安全措施是在網(wǎng)絡(luò)上反擊黑客。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與電力系統(tǒng)操作環(huán)境大不相同。因此,在安防行業(yè)典型的缺乏安全需要和在電力系統(tǒng)操作上通信需求的安全措施所帶來潛在影響的認識。 尤其,安全服務(wù)和科技主要為工業(yè)而開發(fā)。這些工業(yè)沒有較多電力系統(tǒng)操作需要的嚴格執(zhí)行和可靠性需求。例如: (1) 阻止一個經(jīng)授權(quán)的調(diào)度員進入電力系統(tǒng)變電站控制可能會造成比阻止一個經(jīng)認可的客戶進入他的銀行賬戶更嚴重的結(jié)果。因 此,拒絕服務(wù)遠比許多典型的網(wǎng)絡(luò)交易更重要。使用于電力工業(yè)的許多溝通渠道狹窄,因此不允許如加密和密碼交換的特定安全措施的部分開銷。 (2) 大部分系統(tǒng)和設(shè)備被定位為廣泛傳播、無人操作、和不能連網(wǎng)的遠程站點。這使得密匙管理和其他安全措施很難實施生效。 (3) 許多系統(tǒng)連接于多分支結(jié)構(gòu)的溝通渠道,所以正常網(wǎng)絡(luò)安全辦法很難實施。 第 5 頁 共 11 頁 (4) 盡管無線通信越來越被廣泛使用于許多設(shè)備中,公共事業(yè)將需要小心他們使用這些無線通訊技術(shù)的地方,主要因為變電站吵雜的電環(huán)境,以及一些應(yīng)用程序需要的值得信賴和快速反應(yīng)。 因為種類 繁多的通訊方式和運行特性,還有沒有單一的安全辦法可以應(yīng)對所有類型的威脅,人們預(yù)期安全措施的多層網(wǎng)將被實施。例如, 保護應(yīng)用層協(xié)議,這樣就是為了額外的安全措施如 外,身份訪問密碼,入侵檢測技術(shù),訪問控制列表,上鎖功能和其他安全措施有必要提供額外的多重安全等級。 從圖 5份驗證在許多安全辦法中起很大作用。事實上,對于大部分電力系統(tǒng)操作,通過加密隱藏數(shù)據(jù)控制動作的身份驗證更為重要。 因為連接到網(wǎng)絡(luò)(不應(yīng))是一個因素,電力系統(tǒng) 操作通過絕緣和 /或防火墻應(yīng)得到很好的保護,一些普遍的威脅有所減弱,然后其他威脅變得更棘手。盡管特定的威脅可以變化很大,依賴于被保護的資產(chǎn),一些更為嚴峻的挑戰(zhàn)是: (1) 人為的輕率之舉 工粘貼他們的密碼在他們的電腦屏幕上或是讓沒有給通道設(shè)置上鎖。 (2) 旁路控制 有改掉默認密碼,或是每個人都使用同一個密碼進入所有變電站設(shè)備?;蚴且粋€軟件應(yīng)用被假定為處于一個保護的環(huán)境中,因而沒有驗證這些操作。 (3) 違反授權(quán) 時因為粗心沒有執(zhí)行授權(quán)規(guī)則,或是因為偽裝、盜竊及其他非 常手段。 (4) 中間人 據(jù)服務(wù)器,通訊渠道,或是其他不得簽轉(zhuǎn)設(shè)備被盜用,因此數(shù)據(jù)有可能通過這個中間設(shè)備發(fā)送出去之前被讀取或修改。 (5) 資源耗盡 意間(或故意地)設(shè)備超負荷因此不能執(zhí)行它的功能。或是一個設(shè)備證書到期因此登錄失敗。這個服務(wù)器的拒絕會對試著控制電力系的操作者產(chǎn)生較大影響。 到 1997年, 識到安全多這些協(xié)議的必要性。因此第一次成立臨時小組研究安全議題。這個小組發(fā)表了一份關(guān)于安全需要的技術(shù)性報道。 這份報道中的一個建議是成立一個制定 議和衍生產(chǎn)品安全標準的工作小組。 第 6 頁 共 11 頁 因此, 999,主要從事這項工作。這個 標題是“電力系統(tǒng)控制和相關(guān)通信 它的范圍和目的是致力于 C 57,特別是0870列 , 0870列 , 1850 系列 , 1970 系列 , 1968 系列制定的通信協(xié)議的安全標準發(fā)展。著手完善標準和 /或完成點對點安全問題技術(shù)報告。 此提高 工作的一部分是將標準完善化、具體化、提高操作性。這些標準要詳細化,正如現(xiàn)實所需,通過實用程序和響應(yīng)供應(yīng)商的實施。 此全面提高公共事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施信息安全保障的各方面。 這項工作的正當理由是安全,保障和可靠性成為電力行業(yè)的設(shè)計和操作系統(tǒng)商的重要議題。而且網(wǎng)絡(luò)安全在這個行業(yè)日益重要,因為它越來越依賴信息基礎(chǔ)設(shè)施。開放市場產(chǎn)生了新的威脅 ,因為競爭對手的資產(chǎn)意識和他的系統(tǒng)操作性可以是有利的條件,獲取這樣的信息是可以實現(xiàn)的。自從 911事件之后,新增加的恐怖主義威脅更是變得明顯看得見的。 適用范圍 /目的聲明的最后一句話是非常重要:人們認識到 增加協(xié)議簡單加密,如添加電纜中的塊加密盒子或是虛擬專用網(wǎng)技術(shù),可能對許多情況不合適。安全真的是點對點的必須條件,這樣才能確保已經(jīng)驗證后方可進入敏感電力系統(tǒng)裝備,保證設(shè)備運轉(zhuǎn)和故障的可靠及時信息,關(guān)鍵系統(tǒng)的備份,重要項目可重組的審計能力。 該作品由 1 (1) 2351 (2) 2351 (3) 2351 P(4) 2351 (5) 2351 0870-5 (6 ) 2351 1850 第 7 頁 共 11 頁 (7) 2351 . 2351 簡介 這份標準的第一部分包括電力系統(tǒng)操作安全的背景, 2351系列安全標準的介紹。 2351 術(shù)語表 該部分包括術(shù)語定義和 2351準則里縮寫詞語的解釋。這些解釋盡可能基于現(xiàn)有安全和通信行業(yè)標準定義。文中提到的安全術(shù)語是廣泛在電力系統(tǒng)行業(yè)及其他產(chǎn)業(yè)使用。 議安全標準的 2351 3分 A. 綜述 自從 來,它就承擔著完善以下四大通訊協(xié)議的安全標準: 0870及其派生 0870和 1850。這些安全標準必須滿足不同協(xié)議的不同安全目標。而這些不同的協(xié)議主要取決于它們是如何使用。一些安全標準可以交叉使用于一些協(xié)議,但其他的是針對特定情況而定的。這些不同的安全目標包括通過數(shù)字簽名的實體認證,以此確保授權(quán)訪問,預(yù)防竊聽、回放與欺騙,和一定程度的入侵檢測。對一些配置文件來說這些目標是很重要的;但對其他某個現(xiàn)場設(shè)備的計算機約束條件是可行的,還有介質(zhì)速度約束,繼電保護快速回應(yīng)的要求,以及允許安全裝置和非安全裝置在同一個網(wǎng)絡(luò)的需要。 這篇文章將由 2351刊發(fā),第 3 2351 P (這些安全標準包括用在 087004, P, 和 1850 )2351 這些安全標準包括用在 1850的文件 )2351 0870-5 (這些安全標準包括用在 0870-5 2351 1850 第 8 頁 共 11 頁 (這些安全標準包括 1850 中不是基于 P 這些安全標準和協(xié)議的相互關(guān)系如圖 3所示 : 2351 2351含傳輸控制 /網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)定配置文件的安全 2351合包含傳輸控制 /網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)定的任何文件安全,包括 08701850 0870詳細說明了 普遍使用于因特網(wǎng)的安全交互,覆蓋認證,機密性和完整性,而不是重復(fù)前人工作。該部分描述了 特別是, 2351過 過消息認證的中間人安全風險,避免通過安全證書(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點認證)的欺騙,以及再次通過是 種安全攻擊應(yīng)該戒備起來以防特定實現(xiàn)手段。 C 2351括 2351供包括制造電文規(guī)范 (506)、 和 1850的安全配置文件。主要是用 其是,認證:兩大實體彼此之間看得到的互動。它需要在 也允許安全配置和非安全配置文件同時使用,這樣并不是所有的系統(tǒng)都需要同時安全升級。 第 9 頁 共 11 頁 D. 23510870安全和衍生產(chǎn)品 2351供不同系列版本(主要是 0870有 102和 103部分)和網(wǎng)絡(luò)版本( 0870 )的解決方 案。尤其是,跳頁 2351就包括加密的機密性和完整性。因此,唯一一個額外的要求是認證。 這個系列版本通常使用于只能支持低比特率的通信傳媒,或用在受電腦約束的現(xiàn)場設(shè)備。因此, 和通信,并將使用在這些環(huán)境中。因此,唯一的安全辦法提供的系列版本包括一些身份鑒別機制,這是地址欺騙、重演、修正、一些拒絕服務(wù)器攻擊,但不是企圖地址竊取、流量分析、否認需要加密。這些基于加密的安全辦法由替代方案準備,如 取決于其 中的通信和裝備的性能。 關(guān)鍵管理議題需要在第五部分著重強調(diào)?;娟P(guān)注部分如下: 是否應(yīng)該有一個公共密匙鍵任選?在第五部分有兩層的 密匙:會話密匙,它經(jīng)常改變 是為了防御攻擊;更新密匙,主要是用來初始化和改變對話密匙。這兩種都是對稱密匙,意思是它們在終端是一樣的。更新密匙是預(yù)先共享,就是它在通信開始之前必須通過一些協(xié)議之外的辦法配置。另一個辦法是會話密匙和更新密匙仍是對稱,但更新密匙能隨意的使用一個第三層密匙,即一個不對稱的公共 /私有密匙對。更新密匙不會頻繁改變,可能不是按月或年計,也許僅當人員改變而改變。 我們 是否應(yīng)該允許多個用戶 /更新密匙? 使用第三層密匙的爭議之一是它允許僅僅是設(shè)備。如果允許多個更新密匙,他們可能會與分配給個體的證書聯(lián)系起來。這將允許個體的行為在一個自動化系統(tǒng)內(nèi)從端到端被追蹤。 我們是否應(yīng)該允許多個同時存在用戶?一個更為復(fù)雜的問題是是否允許同時使用通信連結(jié)。第五部分 2一條安全信息都附加額外的八位字節(jié)以此來辨別正在使用通訊的用戶。人們普遍認為這些密匙管理議題中的三個是可行的。但是,密匙管理的精確原理仍舊在討論中。因為沒有一個簡單答案, 且在分布廣泛、低寬帶配置的條件下也沒有標準(例如從 使用各種辦法去處理密匙更新不是一個經(jīng)濟的選擇。 E. 行 P(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或其他未來的配置文件)的額外 措施由通信行業(yè)為了應(yīng)用層(范圍外的一套標準)研發(fā)的。 第 10 頁 共 11 頁 在一個變電站局域網(wǎng)點對點多路傳送數(shù)據(jù)包且不可路由。主要的協(xié)議, 設(shè)計來保護繼電,信息需要在 4毫秒在只能控制器之間點對點傳輸。已經(jīng)給出的這些嚴格執(zhí)行要求,加密術(shù)或其他安全措施可能會嚴重影響傳輸速率,這是不能接受的。因此,認證是唯一的安全辦法,且作為一個必要條件包括其中,因此 中包含這些配置文件數(shù)字化消息簽名的最小的計算機要求。 . 七部分:網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)管理 A. 端對端安全要求 了 承擔著第五任務(wù),同時它被 承擔著比保護通信協(xié)議還要大的范圍。端對端的安全包括安全政策,訪問控制機制,密匙管理,審計日志,和其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護議題。在這個擴展范圍的第一步是完善網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)對象,以此幫助管理信息基礎(chǔ)設(shè)施。 B. 力系統(tǒng)操作逐漸依賴于信息基礎(chǔ)設(shè)施,包括通信網(wǎng),智能電子裝置,自定義通信協(xié)議。因此,信息基礎(chǔ)設(shè)施的管理對電力系統(tǒng)操作提供必要高階安全性和可靠性來說很關(guān)鍵。 期一個工作小組起草的)。這些 一樣可靠的管理信息基礎(chǔ)設(shè)施(如圖 4)。 網(wǎng)絡(luò)管理的 理信息 庫數(shù)據(jù)用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的安全,但每個供應(yīng)商必須完善他們自己的設(shè)備的一套管理信息數(shù)據(jù)庫。對電力系統(tǒng)操作, 唯一的對普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可行的辦法,例如路由器。沒有為 以供應(yīng)商用“ ad 監(jiān)控一些類型設(shè)備運行狀態(tài)的專用辦法。因此,這個標準 也提供了類似 稱 電力工業(yè)。 抽象 戶端代理商模型被認為是在標準范圍之內(nèi),但是 而是在文件中定義的 被認為是強制型, 推薦,或為了支持網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)管理和安全問題偵測選項。這些抽象 是希望在 括 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,或其他適當?shù)膮f(xié)議。一個最初映射 第 11 頁 共 11 頁 這個文件的普遍理念是記錄 需要在 用或不使用超出了文件的范圍。 : to IM 1850 of . 信息基礎(chǔ)設(shè)施安全 電力操作信息基礎(chǔ)設(shè)施典型被視為相干基礎(chǔ)設(shè)施,但卻被認為是一個個體通信通道、分離數(shù)據(jù)庫、多系統(tǒng)和不同協(xié)議的集合。 如通訊是否合適他們的 后通訊丟失時他們標記數(shù)據(jù)為“不可用”。但是,這取決于維修人員追蹤到問題是什么,什么設(shè)備收到了影響,設(shè)備的位置在哪,要做什么去解決問題。所有這些都是一個漫長的特別過程。同時,電力系統(tǒng)不能被充分的監(jiān)測,一些控制指令可能就不能實行。正如 2003年 8月 14日斷電分析所示,在斷電背后的主要原因是缺少讓適當?shù)挠脩粼谶m當時間能用上的關(guān)鍵信 息。 每一個公共設(shè)施在什么樣的信息對維修人員才有用這方面是不同的。電信技術(shù)人員通常負責追蹤微波或光釬電纜問題。電信運營商必須要跟蹤他們的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)庫管理員必須要確定來自變電所自動化系統(tǒng)或 議工程師必須要修正協(xié)議錯誤。應(yīng)用工程師必須要判斷應(yīng)用是否已經(jīng)死機,或已經(jīng)收斂,或陷入死循環(huán)。操作人員必須過濾大量的數(shù)據(jù)以此判斷可能存在的電力系統(tǒng)問題是不是一個真的信息系統(tǒng)問題。 未來,信息管理的問題將會越來越復(fù)雜。 將可能由電信運營 商或由企業(yè)通信網(wǎng)或其他公共事業(yè)提供。智能電子裝備( 執(zhí)行應(yīng)用程序,他們的正常運行對電力系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要?,F(xiàn)場設(shè)備將與其他設(shè)備進行 第 12 頁 共 11 頁 交流,使用的不是由任何 。變電所的信息網(wǎng)絡(luò)依賴于本地自我修復(fù)程序,這也是由現(xiàn)在的 D. 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理要求 安全行和可靠性 些 統(tǒng)和應(yīng)用健康運行、入侵檢測系統(tǒng)、防火墻及其他安全 / 電力系統(tǒng)操作專門的網(wǎng)絡(luò)管理要求。電力系統(tǒng)操作系 統(tǒng)的基本元素和一個安全監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)如圖 5所示: : X. 結(jié)語 設(shè)計系統(tǒng)的時候每一個系統(tǒng)都應(yīng)該建立安全措施。安全措施不僅是“加密”,這讓有些人可能認為密碼是唯一的。 安全不僅包括有些人認為是唯一必要安全措施 的 “加密 ” ,而且還包括 身份驗證、基于角色的訪問控制 ,防止拒絕服務(wù)、監(jiān)控和審計信息基礎(chǔ)設(shè)施的功能 等 ,但還有重要的是 ,安全政策執(zhí)行和補充安全措施。
收藏