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电动汽车
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电动汽车直流充电机的功能设计及选型,电动汽车,直流,充电机,功能设计,选型
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- 0 - 装订线毕业设计( 论文)英文翻译Minimization and identification of conducted emission bearing current in variable speed induction motor drives using PWM inverterAbstract. The recent increase in the use of speed control of ac induction motor for variable speed drive using pulse width modulation (PWM) inverter is due to the advent of modern power electronic devices and introduction of microprocessors. There are many advantages of using ac induction motor for speed control applications in process and aerospace industries, but due to fast switching of the modem power electronic devices，the parasitic coupling produces undesirable effects. The undesirable effects include radiated and conducted electromagnetic interference (EMI) which adversely affect nearby computers, electronic/electrical instruments and give rise to the flow of bearing current in the induction motor. Due to the flow of bearing current in the induction motor， electrical discharge machining takes place in the inner race of the bearing which reduces the life of the bearing. In high power converters and inverters, the conducted and radiated emissions become a major concern. In this paper, identification of bearing current due to conducted emission, the measurement of bearing current in a modified induction motor and to minimize the bearing current are discussed. The standard current probe, the standard line impedance stabilization network (LISN), the electronics interface circuits are used to measure high frequency common mode current，bearing current and to minimize the conducted noise from the system. The LISN will prevent the EMI noise entering the system from the supply source by conductive methods, at the same time prevents the EMI generated if any due to PWM, fast switching in the system, will not be allowed to enter the supply line. For comparing the results with Federal Communications Commission (FCC) and Special Committee on Radio Interference (CISPR) standards, the graphs are plotted with frequency Vs，line voltage in dB V，common mode voltage in dB V and the bearing current in dB A without and with minimizing circuits.Keywords. EMI;a.c.drives; bearing current.- 1 - 装订线1.IntroductionWith the development of power electronic devices like the insulated gate bi-polar transistor (IGBT), the power MOSFET and the advances in microprocessors, the ac induction motor is becoming popular in variable speed drives with PWM inverter circuits. Since the rise time and fall time of the IGBT are less than 200 nanoseconds, the dissipation loss across the device becomes very less and there by increases the performance of the circuit. However, due to the fast switching action of the device the dw/dt of the inverter output becomes large. This high dw/dX voltage transition coupled with parasitic stray capacitance in the system causes high frequency line to ground current or common mode current and hence bearing current; introducing large EMI in the system.In figure 1，Ilg (the magnitude of ground current) depends on the cable capacitance, machine capacitance，parasitic capacitance of the devices, the output voltage rise time (tr ise) and the system voltage, Voltage gets induced in the rotor shaft of the induction motor due to fast switching. This induced voltage generates circulating current and flows to the ground through the bearing resulting in an electrical discharge machining (EDM) action at the inner race of the bearing.Due to the EDM, the life of the bearing reduces. The common mode voltage Vng (figure 1) can be measured from the star point of the stator winding of the induction motor (IM) or connected node of three 1MO resistors to the ground in case of the IM connected in delta. The reasons for common mode voltage generation are already discussed.It is noted that the sum of sinusoidal balanced phase voltages in a 3-phase IM at the star point is equal to zero. Therefore,Vng=(Van+Vbn+Vcn)/3 Common mode current=Cd/dt - 2 - 装订线Where C is the total capacitance of the system and Van,Vbn and Vcn are the voltages between the respective phases and the star point in the stator winding2.Existing conducted emission, bearing current identification and measurement methodsVarious methods have been proposed to reduce the conducted emission common mode voltage and the measurement of bearing current. An output reactor connected to the inverter out put reduces the dv/dt of the inverter output voltage, which in turn reduces the common mode voltage at the star point of the IM and the flow of bearing current. Wious configurations of L-C filter have been reported. The inductance L， and capacitance C are designed according to the permitted insertion loss for the given power rating of the inverter. The draw back of the filter method is the voltage drop across the filter.In the passive filter method, the transformer secondary should be isolated for its successful operation and this is not possible in many process/engineering industries. An active common noise canceller has been tried to eliminate the conducted emission common mode voltage produced by the PWM inverter. The active common noise canceller superimposes a compensating voltage applied at the star point. This has the same amplitude as the common mode voltage produced by the PWM inverter but has opposite polarity; hence the common mode voltage applied to the load is cancelled completely. However, this method is suitable only for low voltage/power applications due to the resistive current sensor.Julian proposed a filter circuit for reducing the common mode voltage.This filter circuit is based on current sensing and it operates a fast transistor amplifier for the current compensation. Significant attenuation of the common mode voltage occurs.The method presented in this paper is - 3 - 装订线different from earlier methods. Here,the phase current is sensed by the individual current transformer (CT) and is suitable for any voltage level. Since the CT is used for sensing the phase current there is no voltage drop in the sensor there by there is no reduction of terminal voltage applied to the IM.In tiidr circuit, the primary winding of the transformer is connected in series in each of the phases. Since the circuit uses the transformer, there is voltage drop due to the phase current of the IM, hence the terminal voltage applied to the IM gets reduced. The circuit is also used to reduce the common mode voltage and the common mode current at the star point of the IM. But this circuit is useful for the low voltage and low power applications.In the present work,the standard LISN,the standard current probes are used and the results are compared without and with the common mode voltage reduction circuits for the PWM inverter used for variable speed ac IM drives.- 4 - 装订线Julian proposed a filter circuit for reducing the common mode voltage.This filter circuit is based on current sensing and it operates a fast transistor amplifier for the current compensation. Significant attenuation of the common mode voltage occurs.The method presented in this paper is different from earlier methods. Here， the phase current is sensed by the individual current transformer (CT) and is suitable for any voltage level. Since the CT is used for sensing the phase current there is no voltage drop in the sensor there by there is no reduction of terminal voltage applied to the IM.In tiidr circuit， the primary winding of the transformer is connected in series in each of the phases. Since the circuit uses the transformer, there is voltage drop due to the phase current of the IM, hence the terminal voltage applied to the IM gets reduced. The circuit is also used to reduce the common mode voltage and the common mode current at the star point of the IM. But this circuit is useful for the low voltage and low power applications.In the present work,the standard LISN,the standard current probes are used and the results are compared without and with the common mode voltage reduction circuits for the PWM inverter used for variable speed ac IM drives.- 0 - 装订线在采用 PWM 逆变器下的变速感应电机驱动器中的传导性排放轴承电 流的减少和鉴定摘要由于现代电力电子器件的出现和微处理器的采用，交流异步电机的速度控制被广泛应用了,这种使用用于使用 PWM 逆变器的变速驱动器中。使用交流感应电机，将速度 控制运用在工艺和航空航天工业上有很多优点，但由于现代电力电子器件具有快速开关 性，寄生耦合产生了不良影响，这些不良影响包括辐射性的和传导性的电磁干扰，这些电磁干扰对附近的计算机，电力、电仪器产生不利影响，还是感应电机里的轴承电流发 生流动。由于感应电机里的轴承电流发生流动，在轴承的内圈会发生放电现象，这样会 降低轴承的内圈寿命。在高功率转换器和逆变器中，辐射性的和传导性的排放成为主要 的关注。在这篇文章里，由于传导性的排放，讨论了轴承电流的鉴定，在修改后的感应 电机的轴承电流的测量，轴承电流的减少，标准电流探测仪，标准线阻抗稳定网络，电子接口电路，这些被用于测量高频共模电流，轴承电流和减少来自系统的传导性的噪声。标准线阻抗稳定网络通过传导方式将减少从供给源进入系统的电磁干扰噪声，如果人意与 PWM 系统中的快速开关性有关的，将不被允许进入供应线，那么就同时阻止电磁干扰的产生。在与联邦通讯委员会和特别电台干扰标准委员会标准比较后，在有最小化电路和无最小化电路的两种情况下，改图以频率比绘制，以 dBV作为线电压，dBV 作 为共模电压，dBA作为轴承电流。关键词：电磁干扰，交流驱动器，轴承电流- 0 - 装订线1.介绍在电力电子器件的发展下，如绝缘栅双极晶体管，电力MOS场效应晶体管和在微处 理器的进步下，交流感应电机在使用PWM逆变电路的变速驱动器中变得受欢迎了。由 于绝缘栅双极晶体管的上升时间和下降时间不比200纳秒少，整个设备的散热损失变得 小了，从而提高了电路的性能。然而由于设备的快速开关动作，逆变器输出的dv/dt变大 了，这种高dv/dt的电压转换与系统中的寄生杂散电容耦合高频率的接地线电流或者共模 电流，因此成为轴承电流，在系统中引入大量的电磁干扰。在图1中，I/g( 接地电流的大小 )取决于电缆电容，机器电容设备的寄生电容，输出电压的上升时间和系统电压，由于感应电机的快速开关性，在感应电机的转子轴上产生了电压，这种感应电压引起了循环电流，通过轴承入大地，导致在轴承内圈发电装置动作。由于发电装置，轴承的寿命降低，共模电压V ng（图1）可以从感应电机定子绕组的星点上测量，如果感应电机是三角形接法，还可以从3个1M的电阻对地接法的连接点上测量。共模电压产生的原因也被讨论了。据指出，三相感应电机的正弦平衡相电压在星点上的各为0.因此，Vng=(Van+Vbn+Vcn)/3 共模电流=Cd/dt 其中，C 是系统的总电容，Van ， Vbn， Vcn是在定子绕组各自的相与星点间的电压。2.传导性的排放，轴承电流的鉴别和测量方法为了减少传导性的共模电压，轴承电流的测量，己提出各种方法。连接到输出逆变 - 1 - 装订线器的输出电抗器减少了逆变器输出电压的 dv/dt,逆变器输出电压的 dv/dt 反过来减少感 应电机星点的共模电压和轴承电流的流动，已经公布了各种配置的 LC 滤波器，电感 L 和电容 C 是根据逆变器额定功率的允许插入损耗设计的，滤波方法的缺点是滤波器的电压较低。在无源滤波法中，变压器的次级线圈因其成功运作应被隔离，然而在许多工序/工程 行业中，这种做法是不可能实现的。一种起作用的常见噪声消除器被用于试图消除由 PWM逆变器产生的传导性排放共模电压。这种起作用的常见噪声消除器将应用于在性点 上的补偿点呀叠加起来，这与由由PWM 逆变器产生的传导性排放共模电压具有相同的 振幅，但具有相反的极性。因此，加载负载上的共模电压被完全取消，然而，由于电阻电流传感器，这种方法仅适应于低压/功率设备。朱利安等人提出一种降低共模电压的滤波电路，该滤波电路基于电流感应的，而且它只用快速晶体管放大器来作为电流补偿，结果是共模电压由明显的降低。本文提出的 方法于以前的方法不同，在这里，相电流是由单独的电流互感器检测出来的。另外，相 电流还适合于任意数值的电压。由于电流互感器被用于检测相电流，在传感器中没有压 降，因此运用于感应电机的端电压没有减少。在他们设计的电路中，变压器的初级绕组 与每一相相连，由于电路试用了变压器，由于感应电机的相电流的存在，变压器没有压 降，因此应用到感应电机的端电压得到了降低。他们所设计的电路也被用于降低，在感 应电机星点上的共模电压和共模电流，但是这个电路也适用于低压和低功耗应用设备。 在目前的工作下，使用了标准电流探测仪和标准线阻抗稳定网络，并在由共模电压下降 电路的没有这个电路的两种情况下，比较了结果，这些电路被用于交流感应电机驱动器调速的PWM逆变器。 电动汽车直流充电机的功能设计及选型摘 要本文则是简单设计符合动力符合动力电池充电需求的车载充电机，能有效延长电动汽车的续驶里程，为电动汽车的实用化和普及化提供有效支持。介绍了铅酸蓄电池的一种快捷充电方式：变电流脉冲充电，适用于汽车用的变电流脉冲充电，能有效消除大电流充电下电池的极化现象，使得充电速度加快，充电效率增加，同时电池析气量少，温升较低。关键词：充电机；铅酸蓄电池；快速充电AbstractThis paper is a simple design conforms to the power the battery power demand with the car charger, can prolong the electric car trip range of mileage, for electric cars and practical channels provide effective support. Introduces a kind of quick and leadacid battery charging ways: changes the current pulse charging, applicable to vehicle with the change of the charging current pulse, and can effectively eliminate large current charging a battery of polarization phenomenon, make charging speed, the charging efficiency increase, and the battery low gas chromatography, low temperature. Keywords: charger;Lead-acid battery ;Fast chargingI目 录第 1章 绪 论 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 国内外研究概况 .11.3 论文的主要内容及结构 .3第 2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理 .42.1 铅酸蓄电池的组成 .42.2 铅酸蓄电池的特性 .42.3 铅酸蓄电池的工作原理 .6第 3章 铅酸蓄电池的充电方法 .83.1 蓄电池充电理论基础 .83.2 铅酸蓄电池充电方法 .93.1.1 常规充电法 .103.1.2 快速充电技术 .12第 4章 充电机设计 .144.1 充电机电路原理图 .144.2 电路原理 .154.3 主要元件的选择 .16第 5章 总结语 .18参考文献 .19致 谢 .200第 1章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍的关注。一方面，传统的充电方法充电时间较长，远不能适应现代生产和生活的需要。资料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般大约需要 20 小时左右的时间才能充满。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的充电要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，蓄电池浮充电压偏差 5，电池的浮充寿命将减少一半。统计数据表明，国内蓄电池很难达到规定的浮充寿命(一般 1216年)，大量的蓄电池在使用几年后即报废，造成了巨大的经济损失。因此如何正确地监控和测量蓄电池的充电状态、减少充电损耗、提高充电速度，延长蓄电池的寿命，具有十分重要的经济意义。1.2 国内外研究概况上个世纪初，随着二次电池的研究成功，与之相配套的充电机应运而生。这种充电机采用常规充电法，即用小电流，长时间对蓄电池进行充电。随着汽车工业、通信技术、计算机技术的迅猛发展，电源技术及与之相关的充电技术也随之发展。为了满足快速有效的充电要求，人们广泛开展了充电机研究。充电机也从早期的普通型、可调型，发展到现在的快速充电型。快速充电机的产生大致经历了三个发展阶段：（1）摸索阶段最早是在上个世纪 50 年代，美国由于军事上的需要，开始研究快速充电技术，制成了金属整流器型快速充电机，用于 6-24V 铅酸蓄电池的快速充电，其重量为 40Kg，有快、中、慢三种充电模式。（2）理论研究阶段1967 年美国人马斯(Mas)研究了充电过程中产生气泡的问题，发现出气的原因和规律，他以最低出气率为前提，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流1和可以接受的充电电流曲线，对蓄电池快速充电的理论进行了探讨，并在实践的基础上，提出了蓄电池快速充电的一些基本规律。 （3）实际应用阶段1970 年美国麦卡洛克(Mcculloch)电子公司制成了铅酸蓄电池快速充电机，对 190AH 的电池施以 500A 的电流充电，而以 1200A 的电流短时间放电去极化处理，结果在 30 分钟就把电池充好。除美国外，其他如日本、英国、法国、德国、前苏联等国也在快速充电技术方面有不同程度的发展。英国联营公司(Eurotec Finishing Systems)发明的“TEC 总能量智能式充电控制技术”及其控制系统，有效地控制了粉粒充电时所需的能量，克服现有电晕式充电系统及磨擦式充电系统所引致的各种问题，解决了“法拉第屏蔽效应”及“反向电离作用”等问题。国内对快速充电机的研究时问不长，只有二十年左右的时间，但已取得很大的进展。如国营第 755 厂、756 厂和 804 厂、北京华能电子仪器厂、6913 厂等单位分别对镍镉蓄电池与充电技术及装置进行了研究，研制出了脉冲充电装置，使镍镉蓄电池的充电时间减少到 l-3 小时。中国人民解放军第二炮兵智能充电研究所、中国人民解放军 80438 部队也研究出了智能充电机，为军用通信装备配套电源的电池及铅酸电池充电。近年来充电机的研究方面主要呈现如下几个特点：2a.集成化、高密度化。它包含了两层含义，一是构成功率器件的元件微型化、密集化；二是功率器件集成在单片 IC 中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。b.高频化。提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等。这也使得歼关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。高频化的实现建立在高开关速度功率器件的基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。c.智能化。主要体现在对被充电电池的自适应性和对环境的自适应性方面。智能化具体表现为能识别充电电池的类型，能检测到当前状态，并根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，高效地将电池充满。由于自动生成最佳充电曲线与制造厂提供的曲线一致，也保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。1.3 论文的主要内容及结构本文所设计的充电机具有充电设备质轻、高效、低噪音和高性能的优点，做到既节约用电又减少对电池的损害。论文的主要内容包括以下几个方面：（1）铅酸蓄电池快速充电原理；（2）各种充电方法，实现了变电流充电等多种充电方式；（3）完成了蓄电池充电机的设计。本文具体结构如下：第一章绪论。介绍了课题研究的背景、目的及意义，综述了国内外的发展情况。第二章铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理。第三章铅酸蓄电池的充电方法。论述了当前常用蓄电池充电方法。第四章充电机的设计。主要是电路的设计。第五章课题总结。3第 2章 铅酸蓄电池的组成、特性及其工作原理2.1 铅酸蓄电池的组成 【1-3】电动汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。构成铅酸蓄电池的主要部件有正极活性物质 ，负极活性物质 ，电解2PbObP液 ,此外还包括隔板、电池槽和一些必要部件。正负极活性物质是分别固42SOH定在各自的板栅上，活性物质加上板栅组成正极或负极。板栅在电池中虽不参加成流反应，但是对电池的主要性能如容量、寿命、比功率等都有很大的影响。一个单体铅酸蓄电池的电压为 2.OV。为满足一些用途的需要，也可以将几个单体电池装配在同一个电池槽中组成电池组使用。（1）酸蓄电池的优点：原料易得，价格相对低廉；高倍率放电性能良好；温度性能良好，可以在-40+60的环境下工作；适合于浮充电使用，使用寿命长无记忆效应；废旧电池容易回收，有利于保护生态环境；单格电压高，汽车用铅酸蓄电池单格额定电压可达 2.0V，开路电压 2.1V，工作电压1.8V2.0V。（2）铅酸蓄电池的缺点：比能量低，一般为 3040whkg；使用寿命相对较短；制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。2.2 铅酸蓄电池的特性（1）铅酸蓄电池的内阻当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即：NR0其中 为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量；是由于电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为N极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大， 越大。NR4（2）铅酸蓄电池的极化 【20】所谓极化，是指电流通过蓄电池时，正负极板表面电位的偏移。蓄电池在充电过程中，除了电化学反应会使蓄电池的端电压升高外，蓄电池中产生的极化电压(共有三种：电阻极化、离子浓差极化、电化学极化)也会使蓄电池的端电压升高。铅酸蓄电池的极化现象对其充电的负面影响主要表现在以下几个方面：a.极化产生的过电压会阻碍充电电流增加，减缓电池的化学反应速度。b.使化学反应过程中的水解加剧，产生大量气体。产生的气体不仅会延缓电池的充电过程，而且对极板有严重的腐蚀作用。c.电池内部水解将产生大量的热量，使电解液的温度升高。当电池温度升高到一定的程度时，会引起极板受热变形，以致损坏。d.水解所消耗的热量损失不能得到利用，从而也就浪费了能量，降低了充电过程的电能效率。可见极化所产生的过压、气泡、温升、能耗等对蓄电池都是极为不利的。此外，充电电流愈大，则极化现象愈严重。如果不设法消除或缓和极化现象，就难以实现高效、快速无损充电。这也是长期以来人们用小电流进行常规充电的原因。（3）铅酸蓄电池的老化电池的老化是指另外一种现象：电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约 510，接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当老化达到一定程度时，电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的 80时，就可以认为电池的寿命基本结束了。（4）铅酸蓄电池的循环寿命循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之自口所经历的充放电循环的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。蓄电池的放电深度影响循环寿命，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。5（5）铅酸蓄电池的自放电当电池处于闲置不用(非工作状态)时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。2.3 铅酸蓄电池的工作原理 【4】（1）铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅( )，在硫酸溶液中水分子的作用2OPb下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质一氢氧化铅( )，氢氧bP4(OH根离子在溶液中，铅离子( )留在正极板上，故正极板上缺少电子。4bP铅酸蓄电池充电后，负极板是铅( )，与电解液中的硫酸 ( )发生反应，b 42S变成铅离子( )，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子 ( )。2b e可见，在未接通外电路时(电池开路)，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。（2）铅酸蓄电池放电过程的电化学反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 同时在电池内部进行化学反应。I负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子( )与电解液中的硫2bP酸根离子( )反应，在极板上生成难溶的硫酸铅 ( )。24SO4SO正极板的铅离子( )得到来自负极的两个电子( )后，变成二价铅离子(4bPe） ，与电解液中的硫酸根离子( )反应，在极板上生成难溶的硫酸铅(2bP24SO)。正极板水解出的氧离子 ( )与电解液中的氢离子( )反应，生成稳定4S H物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。化学反应式为：正极 电解液 负极 正极 电解液 负极42442 SOPHSPSOHPbbb6从上面的化学反应式可以看出，放电时 浓度不断下降，正负极上的42SOH硫酸铅 增加，电池内阻增大 (硫酸铅不导电)，电解液浓度下降，电池电)(4SOPb动势降低。（3）铅酸蓄电池充电过程的电化学反应充电时，应在外接直流电源，使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子( )和硫2bP酸根负离子( )，由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二24SO价铅离子( )不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子 ( )，并与水继续bP 4b反应，最终在正极极板上生成二氧化铅( )。2OPb在负极扳上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子( )和硫2bP酸根负离子( )，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二24S价铅离子( )被中和为铅( )，并以绒状附着在负极板上。bPb电解液中，正极不断产生游离的氢离子( )和硫酸根离子( )，负极不H24SO断产生硫酸根离子( )，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子24SO向正极移动，形成电流。化学反应式为：正极 电解液 负极 正极 电解液 负极bbbb PSOPSHSP42424应该指出，上述反应只是铅酸蓄电池充电时人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电方式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅已大部分转变成二氧化铅和绒状铅，充电电流如果超过剩余活性物质的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解。结果在电池的负极会有氢气( )，在 J 下极则会有氧气( )逸出，2H2O造成十分强烈的冒泡现象。电解水的反应是： 22OH所以在充电末期必须注意尽可能减小充电电流，以免产生气泡过于剧烈，冲刷极板，导致极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还会导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。（4）铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 【6】 7从上面分析可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。8第 3章 铅酸蓄电池的充电方法3.1 蓄电池充电理论基础 【10-12】60 年代中期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为自口提的蓄电池可接受的充电电流曲线 【19】 ，即任一时刻蓄电池能接受的充电电流 。 -电ateI0池可接受的充电电流， 时刻的最大充电电流， -电池充电电流的接受0tI a比，又称固有接受比， (c 为电池的最大容量 )。图 3.1 为蓄电池的可接ca/受充电电流曲线。该电流曲线也被称为马斯曲线。马斯充电曲线的规律如下：（1）如果充电电流工作在 N 区，则电流过大，会导致温升，在充电电压过高时会有大量气体析出会对电池造成损坏。（2）如果充电电流工作在 M 区，是可接受的，但充电时间不能达到最短。（3）如果充电电流按马斯曲线变化，可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。马斯的可接受充电电流曲线为蓄电池充电提供了理论指导。按照该理论，充电过程中，若充电电流按马斯曲线规律变化，就可既缩短充电时间又保证低出气率。然而事实上充电电流不可能完全按照马斯曲线规律变化，因此当前提出的快速充电方法都是让充电曲线尽可能地模拟马斯曲线。图 3.1 马斯充电曲线由图 3.1 可以看出：初始充电电流很大，是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板(正极板产生氧气)，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小9一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有下面三个方面的原因。（1）欧姆极化：充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 （2）浓度极化：电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。 （3）电化学极化：这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变eeM化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子 转入eM溶液，加速 反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与ee放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这三种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。极化现象大大阻碍了电池充电，要实现快速充电必须减弱电池充电的极化。3.2 铅酸蓄电池充电方法 【13-17】汽车用动力铅酸电池有多种，常见的有个干呵电式蓄电池、湿荷电式蓄电10池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体蓄电池、水平板式蓄电池等。动力铅酸蓄电池与一般启动用的蓄电池不同，既要求有瞬时大电流放电特点，又要求铅酸蓄电池有持续大电流放电的能力。3.1.1 常规充电法常规充电制度是依据 1940 年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则” ：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。一般来说，常规充电方法有以下三种。（1）恒电流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图 3.2 所示。该充电方法控制简单，目前被广泛使用。对于串联蓄电池组(特别是串联数量较多时)的充电，该充电方法能使电池组中个别落后电池进行完全充电，恢复其容量，因而优于恒压充电。在蓄电池活化充电中，最好使用小电流长时间恒流充电模式。它的缺点是：充电电流在初始阶段过小，中后期又过大，充电时间一般在 15h 以上，析气严重，对蓄电池危害较大，能耗高(充电效率低于 65)。图 3.2 恒电流充电曲线（2）恒电压充电法整个充电过程中保持蓄电池充电电压不变，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。恒 压充电曲线如图 3.3 所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此只需简单控制系统。11图 3.3 恒电压充电法曲线这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充电。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如在汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。（3）多阶段充电法该充电方法把恒流恒压充电方法结合起来，在蓄电池充电起始阶段采用大电流恒流充电，在充电的中后期采样恒压充电，降低了蓄电池充电电流，减少了析气，保护了电池。a.二阶段恒流充电法采用二段恒流充电，第一段为大电流恒流充电，蓄电池充电初期可接受的充电电流较大，因此第一段采用大电流恒流充电以使电池获得大部分的电量。随着充电的进行蓄电池可接受的充电电流不断减小，当蓄电池端电压到达设定值时，蓄电池进入第二段小电流恒流充电。二阶段恒流充电法的充电效果比恒压或恒流充电法要好。其充电示意图如图 3.4 所示。不过，它只是对马斯曲线的粗略模拟，还是达不到蓄电池高性能快速充电的要求。图 3.4 二阶段恒流充电曲线b.二阶段恒流恒压充电法 采用恒电流和恒电压相结合的充电方法，如图 3.5所示。第一段为恒流充电，充电电流为 ， 时刻蓄电池端电压达到 ，此时进1it 1u入第二段恒压充电。恒压段充电电压一般即为第一段与第二段的转换电压 。12图 3.5 二阶段充电法曲线c.三阶段充电法 在充电初始阶段 和最后阶段 时采用恒电流)0(1t )(32t充，中间阶段 用恒电压充电。当蓄电池的端电压到达设定值，蓄电池进)(21t入第二阶段恒电压充电，随着充电的进行，蓄电池的端电压不断升高，充电电流不断减小，当电流减小到设定值，蓄电池进入第三阶段恒流充电，其充电曲线如图 3.6 所示。图 3.6 三阶段充电法曲线3.1.2 快速充电技术要实现快速充电需要解决两个问题：一是增大充电电流，二是消除极化电压。第一个问题容易解决，而第二个问题即如何消除充电过程中电池内部的极化电压才是关键，因为充电电流大时，极化电压也随之增大。具体地说，快速充电法就是利用蓄电池在充电初、中期可接受较大充电电流的特性，在充电初期以大电流充电，并以一定频率对蓄电池停止充电和释放一定量的极化电压提高蓄电池可以接受的充电电流，从而大大缩短充电时间，快速充电机就根据这个原理来设计的。下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。（1）脉冲式充电法 【18】这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论13的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。（2）Reflex 快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是 电池。diCN铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与 电池有很大的不同，di但它们之间可以相互借鉴，互作参考。Reflex 快速充电法实际是对脉冲式充电法的改进。它在脉冲式充电法的基础上加入反向放电，大大减弱的蓄电池充电的极化现象，增大了蓄电池可接受充电电流。因此能够减少了蓄电池的快速充电的时间。Reflex 充电模式的一个周期为 1s，一个工作周期由三个部分组成：正向充电脉冲(983ms)，反向瞬间放电脉冲(5ms)，维持及检测用的脉冲(12ms)。（3）变电流、电压间歇充电法 【7】 【8】变电流间歇充电方法是由厦门大学的陈体衔教授提出的。其特点是把恒流充电改为限电压变电流充电。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池可以吸收更多的电量。从本质上讲变电流间歇充电方法也是符合马斯曲线定律的。从马斯曲线上，我们很容易看出蓄电池可接受的充电电流随着充电时间的增加而减小。变电流间歇充电方法正是根据这一结论，在充电初期用大电流充电，随着充电的进行不断减少充电电流，并在变电流转换阶段停充一段时问使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行。上面介绍了各种常规充电和快速充电方法，这些充电方法都有自身的优缺点。如二阶段充电虽然充电效率低，但由于其控制简单实现方便，因此该充电14方法却是当前汽车上使用最广泛的充电方法。脉冲充电、变电流充电及变电压充电方法虽然充电效果好充电时间短，但由于它们控制复杂，因此这些充电方法使用较少。15第 4章 充电机毕业设计4.1 充电机电路原理图通常使用的充电机几乎都是将交流电经变压器变压后，整流成直流电，再加到蓄电池上充电的。这种电路的一个最大缺点是输出功率小，体积大，特别是输出电流小，不利于快速充电，产生这种问题的主要原因是电路中有变压器对于要求大电流、高电压整流电路来说，就使得充电机的体积增大，输出的电流、电压范围受到限制，而且充电的效果也不理想。基于以上的问题，本文设计图 4.1 电路制作出的充电机能够克服上述缺点，而且输出的电流脉动率高，充电效果较好。其输出电压范围为(085)V，输出电流范围为(030)A，可用于对各种蓄电池的充电。图 4.1164.2 电路原理可控硅是一个可控制的单向导电开关，在交流电路中具有整流作用，而且整流出的电压受控于控制极脉冲电压的大小和宽度。根据这个原理，将可控硅串联于 220V 交流电路中，并利用单结管电路作为可控硅控制极的控制电路，以实现整流交流电的目的。图 4.2如图 4.1 所示电路，其中 、 、 组成整流电路，可控硅 为核心CK31RCK3整流元件，在控制极脉冲如图 4.2（b）所示波形的作用下将交流电变为直流电。 和 串联后并接于可控硅的两端，其作用是保护可控硅不被击穿，称为1CR阻容保护，其实质就是将造成“过电压”的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。具体来说，当可控硅换向时，由于残留载流子的存在，在反向电压的作用下，将以反向电流的形式流过回路，当反向阻断能力恢复时，电流迅速减少，若回路中有电感存在，将会产生一个比工作电压高数倍的尖峰脉冲，有可能使可控硅击穿。在可控硅两端并联电容 后，利用电容器 上电压不能突变的规律，可以1C1C17减缓电压的上升。从电容器充放电电流公式 得 。dtuCtqi1idtCV1可以看出，将 取得足够大，而尖峰脉冲的时间都很短，故 上电压的终值可1C限制在可控硅的允许范围内。电阻 的作用主要有两个，一是可以阻尼电容 和电路中的 形成振荡；1R1L另一是限制电容 放电时的电流上升率，因为当可控硅未导通时，电容器是储积着电能的，一旦可控硅被触发导通，电容 上的电荷立即经可控硅形成短路1C放电回路，若没有电阻 限流，这个放电电流的瞬时值可能很大，电流上升率1若超过其极限值，可能使可控硅损坏。由 、 、 、 、 、 、 、 、 、 及 组成控制2R1D231RW24R3BT4D电路，产生触发脉冲控制可控硅的导通角，从而实现输出电压大小的控制其中 、 部分产生降压整流作用，向触发电路提供直流偏置电压。21、 起稳压作用，使单结管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲3(第一个脉冲使可控硅触发导通后，后面的脉冲都是无用的)的时间不受交流电电源电压的波动的影响，触发电路能稳定工作。和 称充电电阻， 为放电电阻， 为温度补偿电阻。电源接通后，WR35R4R电流经 整流后，由电阻 、 对电容 充电，当 点电位达到单结管的导1DW32CE通电压后，单结管导通，产生触发脉冲，以控制可控硅的导通角。 决定放电5R的快慢，影响着输出触发脉冲的宽度 T 见图 4.2（b）波形。如果改变电位器的电阻值，例如，增大阻值，电容器 的充电变慢，因而每半波出现第一WR 2个脉冲的时问后移，从而使可控硅的导通角变小，输出电压的平均值也变小。因此改变 是起移相的作用，达到调压的目的。4.3 主要元件的选择可控硅的选取应考虑两个方面因素。一是正向阻断电压和反向峰值电压。正向阻断电压： ， 正向电压；
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