（模式识别与智能系统专业论文）智能充电器及蓄电池维护系统设计与研究.pdf

摘要 本文是对电动车、电动汽车的铅酸蓄电池智能充电器及蓄电池维护系统的研 究。主要内容包括：分析铅酸蓄电池的充放电特性；研究铅酸蓄电池的最佳充放 电特性曲线：总结出可以实现的充电方法、充电模式，因为按照最佳充放电曲线 进行充电是不能实现的；根据得到的方法叙述了一种以a d 公司a d u c 8 2 4 为控 制核心的智能充电器，a d u c 8 2 4 是一款带有a d 转换和d a 转换的高性能单片机， 系统先由a d 转换采集数据，并进行p l 计算，得出误差，再通过d a 转换反馈 到系统实现闭环控制，以充分接近最佳充电曲线；并阐述了电动车、电动汽车电 池黑匣子的功能：它实时记录电池的相关数据，通过串口，将数据传送给智能充 电器，这样智能充电器就可以对数据进行分析，以确定充电模式；介绍了基于 v b 编程技术和数据库技术的运行于p c 机的蓄电池维护系统，给电动车厂家用 于定期对用户的铅酸蓄电池进行维护，它可以读取由电动车、电动汽车电池黑匣 子记录的数据，包括充放电的电压和电流，并绘制成曲线，将这些实际充放电曲 线与最佳充放电曲线进行分析比较，以确定电池的状态( 比如：铅酸蓄电池缺乏 电解液、电解液比重不符合要求或铅酸蓄电池单体存在差异等等) ，以及时采取 补救措施，达到延长铅酸蓄电池使用寿命，降低使用成本的目的；将曲线存入数 据库，可对数据库的记录进行按e t 期、电池编号等查询，实现电池质量的跟踪， 为屯池质量的升级提供参考依据。 关键词：电动车、铅酸蓄电池、智能充电器、电池黑匣子、数据库、a d u c 8 2 4 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tl e a d a c i da c c u m u l a t o ri n t e l l i g e n tc h a r g e ra n dm a i n t e n a n c e s y s t e mo fe l e c t r o m o t i o nb i c y c l e ，e l e c t r o m o t i o nc a li tm a i n l yi n c l u d e s ：a n a l y z i n g c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc h a r a c t e ro fl e a da c i da c c u m u l a t o r ；, s t u d y i n gt h eb e s t c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc h a r a c t e rc u r v eo fl e a da c i da c c u m u l a t o r ；w o r k i n go u ta f e a s i b l ec h a r g i n gm e t h o d ，c h a r g i n gm o d e ，b e c a u s ci ti si n f e a s i b l et 0 c h a r g e a c c u m u l a t o r sa c c o r d i n gt ot h eb e s tc h a r g i n gc h a r a c t e rc u r v e b a s e do nt h ef e a s i b l e m e t h o dw ed e s i g n e da ni n t e l l i g e n tc h a r g e rw i t ha d u c 8 2 4w h i c hi sap r o d u c to fa d c o m p a n yb e i n gt h ec o n t r o lc e n t e r a d u c 8 2 4i sah i g hp e r f o r m a n c em c uw i t ha d c a n dd a c m o d u l e s f i r s t l y , s y s t e mc o l l e c t sd a t at h r o u g ha d c , t h e nu s ep i - c o n t r o lt o g e tt h ee r r o r , a tl a s tf e e d b a c kt h ee r r o rt os y s t e mt og e tac l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 s ot h a t t h er e a lc h a r g eo l i v ec a nb ec l o s et ot h eb e s to n et ot h em a x i m u me x t e n t w e d e s c r i b e dt h ef u n c t i o no fb l a c kc a s k e to fe l e c t r o m o t i o nb i c y c l e , e l e c t r o m o t i o nc a r i t i n c l u d e sr e c o r d i n gr e a l t i m ev o l t a g ea n dc u r r e n to fa c c u m u l a t o r s ，s e n d i n gt h e mt o i n t e l l i g e n tc h a r g e rt h r o u g hu a r ti n t e r f a c e s ot h a ti n t e l l i g e n tc h a r g e rc a nd e c i d et h e c h a r g i n gm o d ea f t e ra n a l y z i n gt h ed a t a w ea l s od e s i g n e da na c i da c c u m u l a t o r m a i n t e n a n c es y s t e mw h i c hc o m b i n e sv bp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e t e c h n o l o g y t h es y s t e mi su s e db ye l e c t r o m o t i o nb i c y c l e , c a rc o m p a n yt om e n d u s e r a c c u m u l a t o r sp e r i o d i c a l l y i tc a l lr e a dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gd a t af r o mb l a c k c a s k e tw h i c hi se q u i p p e di na c c u m u l a t o r so fe l e c t r o m o t i o nb i c y c l eo rc a r , d r a wo l i v e s a c c o r d i n gt ot h ed a t a ，a n dc o m p a r et h ec u r v e st ot h eb e s tc h a r g i n gc h a r a c t e rc a l v e ，b y w h i c hw ec a l lk n o wt h ep r o b l e m so fa c c u m u l a t o r s ，s u c ha sl a c ko fe l e c t r o l y t e ， w h e t h e rt h ep r o p o r t i o no fe l e c t r o l y t ei s a p p r o p r i a t ee t c t h e nw ec a nt a k es o m e m e a s u r et om e n dt h e mt op r o l o n ga c c u m u l a t o r s l i f e s p a n sa n dl o w e ru s e r s c o s t t h e s y s t e ms t o r e st h ed a t at od a t a b a s e , s ow ec a nq u e r yt h ed a t ab yd a t e , a c c u m u l a t o r s e r i a ln u m b e r , g e tf e e d b a c ki n f o r m a t i o no fq u a l i t yo fa c c u m u l a t o r sw h i c hb e n e f i t s a c c u m u l a t o rq u a l i t yu p d a t e k e yw o r d s ：e l e c t r o m o t i o nb i c y c l e 、l e a da c i da c c u m u l a t o r 、i n t e l l i g e n tc h a r g e r 、b l a c k c a s k e t 、d a t a b a s e 、a d u c 8 2 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丢洼工些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名秀 签字只期：叼年月? 妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名罐们中 f 签字日期。1 年脚日 导师签名 签字日期：h 句年，月卜日 学位论文的主要创新点 一、智能充电器与电池黑匣子相结合，实现智能充电 智能充电器和电池黑匣子都留有串口，智能充电器读取电池黑匣 子所记录的电池的相关数据，并进行分析，以确定充电的方式。实现 智能化充电。 二蓄电池维护系统 运行于p c 机的蓄电池维护系统可以通过串口读取电池黑匣子所 记录的电池的相关数据，分析电池的状态和存在的问题，便于维护； 并将数据存入数据库，实现了对某一特定型号电池的质量进行跟踪， 为电池的质量升级提供参考数据。 三采用分级恒流充电与脉动充电相结合的方法 分级恒流充电可以实现在电池可接受电流范围内快速的充电。脉 动充电可实现单体间的均衡。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 牵引用铅酸蓄电池智能充电器的研究背景 i i 1 铅酸蓄电池电动车、电动汽车的广泛应用 早在六、七十年代，西方经济发达国家为了保护环境就已经开始研制各种各 样的绿色能源来代替汽油和柴油，但是，受到蓄电池、电控等关键部件的性能、 寿命以及高性能的充电设备等的制约，一直未得到长足的发展。到t a 、九十年 代，由于大容量、长寿命蓄电池的大批量生产及大功率晶体管的研制成功和计算 机应用技术的广泛应用，使绿色能源得到长足进展。近期，戴母勒一克莱斯勒和 壳牌公司声明他们将在冰岛首先实现绿色能源计划，其中就包含大量电动汽车。 随着国际、国内对环保要求的越来越高，对内燃车辆的排放要求也越来越高，这 样，对绿色能源的需求越来越迫切，北京奥运提出“绿色奥运”的口号，势必会 使蓄电池电动车辆的使用量大幅度增加。在美国加州，电动车辆占有百分之八十 的市场份额，而且这种比例将越来越大。 1 1 2 充电技术的发展概述 对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法有恒流限压充电和恒压限流充电。这 两种充电方式的特点及存在的问题如下： ( 1 ) 恒流限压充电 充电时自始自终以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通过p w m 来调 整，这种方式实现起来比较方便，易于做到。这种充电方法特别适合于由许多电 池串联起来的蓄电池组。当蓄电池组中有个别电池电压、电解滚密度偏低，全组 电池产生差别时，能使蓄电池组中个别落后电池进行完全充电，恢复其容量，这 时最好用小电流长时间的充电模式。 恒流充电方式的不足是：开始充电阶段电流过小，在充电中后期电流又过大， 析出气体多，对蓄电池危害较大，能耗高( 充电效率低于6 5 ) 。铅酸蓄电池不 宜采用这种方式。 因此，人们在恒流充电方式的基础上进行了改进，即采用恒流限压充电方式。 为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电流，避免损坏电池。 第一章绪论 ( 2 ) 恒压限流充电 恒压充电初期充电电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只 有很小的电流通过，这样，在充电过程中就不必调整电流。随着蓄电池端电压升 高，充电电流会自动下降，所以析气量少，充电时间较长，能耗较低( 充电效率 可达8 5 ) 它的缺点是：充电初期，如果蓄电池放电深度过大，充电电流会很 大，不仅危及充电器的安全，也可能因过流而损伤蓄电池；如果充电电压选得过 低，后期充电电流又过小，充电时间长；此外蓄电池端电压的变化也很难补偿， 充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。为了弥补恒压充电的不足，在恒 压充电的基础上进行了改进，当充电电流较高的时候( 如电池严重亏电、漏电、 负荷过重等) ，这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低， 待电流降低、电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含义。 单独采用恒流充电和恒压限流充电等模式对铅酸蓄电池进行充电，蓄电池的 充电效果不是很理想。一方面这些充电方法充电时间过长，不能适应现代生产和 生活的需要。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电 池的使用寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸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，国内牵引蓄电池的平均寿命为1 5 年 ( 可充4 0 0 次) ，国外同型号牵引蓄电池寿命一般为4 年( 可充1 0 0 0 次) ，如果 充电质量不好以及用户使用维护保养跟不上，许多电池在使用1 年后即报废，造 成很大的经济损失，蓄电池价格占到整机价格的2 0 ，国外同容量蓄电池价格 则为国产蓄电池价格的2 3 倍。因此，充电质量的好坏，直接影响到蓄电池的 技术状态及使用寿命。 1 2 国内、外牵引用铅酸蓄电池充电器的技术水平、现状及发展趋 势 随着蓄电池电动车的迅猛发展，对充电器的要求越来越高，从开始的单纯充 足，到目前的延长蓄电池寿命，减少能源消耗，充电器的功能已发生了质的飞越。 现在国外己研制成功只要用一小时就可充满蓄电池的大功率充电器，在体积上也 越来越小，现在最小的大功率充电器只有一只书包大小。 开关电源在我国的研究发展比较晚，因其体积小、动态响应速度快、输出纹 波小、效率高等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力 等领域中，己经得到了普遍的研究与使用。但相对于相控电源来说，它的价格比 较高，而且功率器件的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场合，相控 式的充电器仍然占有较大比重。 2 第一章绪论 而国外市场大部分充电器均采用w h ，w a w o ，u & u 等充电曲线方式，充电 方式更科学、合理，从而大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维护 成本，简化了充电过程，解放了操作人员的劳动强度，市场前景非常广阔。 近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电 器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接 受充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充 电模式可节约电能3 0 - 5 0 左右，提高了充电质量和效率，充电工人只担任辅 助性工作。为充电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路。n l 【2 1 1 3 4 1 1 3 论文章节安排 本论文针对用户需要高性能智能充电器，设计一个免维护智能化程度较高的 铅酸蓄电池充电器，并介绍了一种铅酸蓄电池维护系统。 本论文的主要内容安排如下： 第1 章绪论 介绍蓄电池电动车、电动汽车用智能充电器的研究背景及国内外相关产品的 技术水平及发展趋势。 第2 章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 介绍了电动车、电动汽车铅酸蓄电池的特点、充放电特性及其工作原理，并 对蓄电池的充电终止控制方法进行了探讨。 第3 章智能充电器及电池黑匣子设计 介绍了智能充电器的软、硬件设计以及电动车电池黑厘子的功能和部分电路 设计。智能充电器可以与电动车的电池黑匣子通信，以确定电池的状态，从而采 取合理的充电模式。 第4 章蓄电池维护系统设计 介绍了蓄电池维护系统：它是结合可视化技术、数据库技术及可视化语言编 程( v b 语言) 等技术的产物。可以从电池黑匣子读入充放电数据，进行曲线绘 制，存入数据库，并可对曲线进行查询和分析，进一步总结充电过程中存在的问 题，不断解决蓄电池等方面存在的问题，大大提高蓄电池使用寿命，降低用户使 用成本。此界面是电动车公司端的，用来定期的对用户的蓄电池进行维护，并对 电池的质量信息进行汇总，为电池质量升级提供依据。 第5 章结束语 总结了本文的主要工作以及存在的问题，提出了进一步改进的设想。 3 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 第二章铝酸蓄电池的工作原理和充放电过程 本课题研究的主要对象是电动车、电动汽车用铅酸蓄电池。为了更好的理解 我们所面对的研究对象，需要介绍一下铅酸蓄电池的工作原理、基本概念以及它 们所具有的一些特性。蓄电池在使用时，是由同一型号的电池单体按照规定的数 量和一定的方式连接成电池组来使用的( 比如现在大众的电动车用铅酸蓄电池由 2 4 节串连组成，每6 节为一组，共4 组每节额定电压为2 伏，共4 8 伏) 。一般 由于蓄电池特殊的使用环境和使用要求，决定了其必须具有高比能、长寿命、良 好的抗冲击性能、较好的均衡性等特性，并且易于维护保养 2 1 铅酸蓄电池的基本概念 由于蓄电池的充放电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解 本课题，本节将简要介绍铅酸蓄电池有关的一些知识。【5 l 6 1 1 7 ll 卅1 9 ( 1 ) 蓄电池容量 蓄电池容量是指在一定条件下可以从蓄电池获得的电量( 用c 表示) ，单位 常用安培小时( a j l ) 表示，是蓄电池性能的重要指标。容量分为理论容量、实 际容量和额定容量。 理论容量( c ) 是假设活性物质全部参加放电反应给出的容量。o 实际容量( c ) 是在一定放电条件下蓄电池实际放出的容量。 额定容量( c 。) 是在设计和生产蓄电池时，规定或保证在指定的放电条件 下蓄电池应放出的最低限度的电量。 蓄电池容量除了与极板表面进行的电化学反应的物质数量有关外，还与极板 表面活性物质的利用率、孔率、极板厚度、极板的表面积有关。此外还受电解液 密度，温度、放电条件( 即：充电程度、放电率等) 、蓄电池新旧程度等影响。 在使用过程中，容量受放电率、电解液温度的影响是主要的。当放电率较小，电 压下降缓慢，蓄电池实际放出的电量较高，当放电率变大时，电压下降变快，蓄 电池实际放出的电量较低。在一定范围内，电解液温度高，蓄电池的活性增加， 内阻变小，容量变高，电解液温度低时，蓄电池的活性降低，内阻变大，容量降 低。 ( 2 ) 蓄电池的内阻( r ) 内阻( r 。) 又称全内阻，是指电流通过蓄电池时所受到的阻力，包括欧姆 电阻和电化学反应中电极极化产生的电阻，即： 4 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 r 内= r o 十r f ( 2 1 ) 欧姆电阻( r 。) ：包括电极材料、电解液、隔板等组成的电阻。还与电池的 尺寸、装配、结构等因素有关。 极化电阻( r ，) 包括蓄电池使用过程中浓差极化和电化学极化产生的电阻 之和。主要与电极材料的本性、电极的结构和制造工艺以及使用条件等因素有关。 内阻越小，在同样的放电条件下，可以消耗较少的电能，输出较多的电能， 提高电能利用率，从而提高蓄电池性能。 ( 3 ) 充电速率和放电速率 为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表 示，而是用电池的额定容量c 。和放电时间t 的比来表示，称为电池的充电速率 或放电速率。国家标准规定，牵引用铅酸蓄电池的额定容量按5 小时连续放电来 表示，即c 。，例如一个额定容量g 为1 0 a h 的电池，充电5 小时后，电池完全 充满，则它的充电电流为 i - - c , 5 = 0 2 c , ( a ) ( 2 2 ) 即它的充电速率为0 2 c , ；若用1 0 小时就达到充满状态，则它的充电电流为 i = g 1 0 = 0 ic ( a ) ( 2 3 ) 即它的充电速率为0 1 c 。 放电速率的描述和充电速率相同。 ( 4 ) 充电终止电压和放电终止电压 蓄电池充足电时，极板上的活性物质己达到饱和状态，再继续充电，蓄电池 的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。 放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后 继续放电。电池两段电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久性损 害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。 ( 5 ) 电池的过充电 当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，电池则很容易存在 大电流过充电的问题。过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电 池的损害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会增大 5 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电池温度 迅速上升。因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电。这是因为电池 在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散 发，基本上不会对电池造成伤害。 ( 6 ) 电池的极化现象 由于蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其它电源有所不 同。该值与蓄电池的工作状态有关，它一般有三种状态的值： 当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极问的电压称为电池的开路电 压： 当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压； 电池放电时测得的电压称为放电电压。 这三种状态的电压具有下述特点：充电电压高于开路电压，而且随着充电时 间的增加而略有升高：放电电压则低于开路电压，而且随着放电时间的增加而略 有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产生，主要是因为一般的密封式 蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小 部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极扳上，使褥电池内部压 力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为电池内阻上升， 即使得电池出现了所谓的极化现象。上面提到的蓄电池的极化电阻正是由于电池 的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，充电时所产生的氧气可以被及时 吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很大的伤害：当高速率恒 流充电时，这一现象则不容忽视。 蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。它不仅使电池发热，而且降低 了电池的效率，同时也加速了电池的老化。 ( 7 ) 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5 一1 0 ，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。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。 一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的8 0 时，就可以认为电池的寿命基 本结束了。 ( 8 ) 使用寿命 使用寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电的次数， 通常用来定义蓄电池的使用寿命。使用寿命是牵引用铅酸蓄电池的重要指标之 一。与使用中的放电深度、温度、充放电等条件有关。减少放电深度或采用浅放 电可大大延长蓄电池的使用寿命。充电时采用大电流充电，会造成蓄电池温度高， 6 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 损害蓄电池寿命。影响使用寿命的原因有以下几方面：正极板的板栅变形、板栅 腐蚀、活性物质在使用过程中发生钝化或产生不可逆硫酸盐化等问题，都会造成 使用寿命缩短。 ( 9 ) 自放电现象 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。自放电的 大小一般用单位时间的电池容量下降的百分比来表示，见公式2 4 ： 自放电= 【( q o q t ) q o 】x 1 0 0 ( 2 - 4 ) 其中，q 为蓄电池在规定条件下的容量，q f 为电池存储一段时间后，在同 样规定条件下的容量。自放电通常与环境温度有密切关系。当环境温度较高时， 电池的自放电现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和湿度下保存。自放电一 般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相 对镍铬电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达 3 0 左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电器时，应能在电池长时间不用的情 况下对电池进行补充充电。 ( 1 0 ) 初充电 在蓄电池使用的初期，为了充分激活蓄电池内活性物质的活性，延长蓄电池 的使用寿命，应对蓄电池进行5 次左右初充电。主要方式是采用小电流，根据充 电曲线对蓄电池进行较长时间充电。 ( 1 1 ) 正常充电 当蓄电池完成初充电阶段后，为了加快蓄电池的充电速度，提高充电效率， 并进一步满足用户的实际使用要求，对充电方式及相关参数进行修正，进行正常 充电。 ( 1 2 ) 均衡充电 蓄电池在使用中，由于充电不足、放电后未及时充电或使用维护不当等原因， 使牵引蓄电池活性物质得不到及时恢复，发生钝化现象，影响了牵引蓄电池的容 量和寿命；对成组使用的牵引蓄电池，还存在牵引蓄电池单体间存在差异，长期 使用会出现牵引蓄电池单体问的参数愈来愈不均衡的现象，降低了整组牵引蓄电 池的性能。均衡充电可预防牵引蓄电池的硫酸盐化故障，减少牵引蓄电池单体间 的不均衡性。 针对以上情况，应视情况对牵引蓄电池进行均衡充电。如果不及时进行均衡 7 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 充电，将影响牵引蓄电池使用寿命等性能。 如有下列情况之一，都应进行均衡充电： 放电电压经常降至终止电匝以下； 放电电流值经常过大时； 放电后未及时进行充电者； 电解液混入危害不大的杂质时； 连续三次充电不足或较长时间未使用时； 将极群组取出检查或清除沉淀物后； 无论采用何种充电方式正常使用的蓄电池每隔一个月。 2 2 铅酸蓄电池的工作原理 目前，国内使用的牵引铅酸蓄电池的正极板活性物质为二氧化铅( p b o ，) ， 负极板为海绵状铅( p b ) ，这样的正、负极板置于稀硫酸( h ，s o ) 中，就会产 生2 伏左右电压。当蓄电池放电时，正、负极板上的活性物质都与稀硫酸发生化 学反应，两个极板上都逐渐地变成了硫酸铅( p b s o 。) 当两个极板上的绝大部 分活性物质都变成了同样的硫酸铅后，铅酸蓄电池电压就降到了终止电压，不能 再放电了。铅酸蓄电池放完电时，就应立即对它进行充电，使正、负极板的活性 物质再恢复为原来的二氧化铅和海绵状铅，这样铅酸蓄电池就可以继续放电了。 p j 铅酸蓄电池充、放电后，正负极的最终产物，曾有许多人提出过不同的看法 如有人提出过“氧化一还原”理论。这种理论认为：放电后正极的p b o ，转化为 p b o ，负极的p b 也转化为p b o 。后来g i s d s t o n e 和t r i m 否定了铅酸蓄电池的氧 化一还原理论，提出了“双极硫酸盐化理论”，这一理论现在已得到公认并广为 应用。 按照“双极硫酸盐化理论”，铅酸蓄宅池充、放电时的电池反应可用如下的 化学反应方程式表示： ( 负极) 。( 正极) 。( 电解液) 虬( 正极) ( 电解液) ( 负极)，。 p b 十 e b o , 十2 1 1 s o , 塞皇p b s o + ， + 2。5)4 2 1 10 p b s 0 4 反应方程式从左向右表示放电过程，而从右向左表示充电过程。放电反应和 充电反应互为可逆反应。 8 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 从反应方程式( 2 5 ) 可以看出，铅酸蓄电池正极的活性物质是二氧化铅 ( p b o ，) ，负极的活性物质是海绵状铝( p b ) ，电解液是硫酸( h ，s 0 4 ) 。放电 后，正、负两极的活性物质都转变为硫酸铅( p b s 0 4 ) ，所以将这一理论称为“双 极硫酸盐化理论”。从这一理论还可以看出，硫酸在电池中不仅起传导电流的作 用，同时还参加电池反应，所以它又是反应物。放电过程中由于硫酸不断被消耗， 而且电池反应还不断生成水( h ，0 ) ，所以电池中的电解液浓度不断降低。充 电过程与放电过程正好相反，正、负两极的硫酸铅分别反应生成二氧化铅和海绵 状铅，同时不断生成硫酸，使电池中的电解液浓度回升。 “双极硫酸盐化理论”一直沿用到今天，是因为它得到实验观测的充分证明。 充、放电时进行实测发现，在放电过程中硫酸电解液的浓度不断下降，而充电过 程中硫酸电解液的浓度则不断提高，而且电解液中硫酸含量的变化与通过的电量 成正比，这和理论的预测正好一致。同时通过对放电后的产物进行分析鉴定，也 证实了蓄电池两极的放电产物确实都是硫酸铅。 2 2 1 放电过程中的化学变化 根据“双极硫酸盐化理论”，铅酸蓄电池放电时的电化学反应实际发生的过 程。也就是各个反应物生成的过程。化学反应生成了硫酸铅( p b s o 。) 与水 ( h ：0 ) 。硫酸铅几乎完全不溶解于水，立刻从溶液中析出附着在负极上。而水 导致电池中的电解液浓度不断降低。 2 2 2 充电过程中的化学变化 放电后，铅酸蓄电池正、负两极的活性物质都转变为硫酸铅。要想使之再恢 复为原来的活性物质( 二氧化铅和海绵状铅) ，必须利用外接充电装置进行充电。 充电时，铅酸蓄电池接受电能，把两极的放电产物硫酸铅( p b s 0 4 ) 和水( 日，0 ) 再转变为二氧化铅( p b 0 ，) 、铅( p b ) 和硫酸( h ，s 0 4 ) ，电能转换成后者所 含有的化学能储蓄起来。充电过程的电流方向与放电过程正好相反，在电池内部 是由电池的正极流向负极。 2 3 牵引用铅酸蓄电池的充放电特性 2 3 1 充电特性 充电过程通常要完成两个任务，首先是使电池恢复额定容量，另一个是补充 9 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 电池因自放电而产生的容量损失，以维持电池的额定电量。常温下的最佳浮充电 压约为2 。2 5 w 单体。 电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压。 这就是说，电池充足电后，充电器应输出恒定的浮充电压( 2 2 5v 单体) 。图2 1 是按5 小时率额定容量8 0 及1 0 0 放电后的恒压限流充电的充电特性图。放电 后的蓄电池充满电所需时间随放电量、充电初期电流、温度而变化。如图2 1 中8 0 放电后的电池在2 5 时进行恒压限流充电( 电压为2 2 5v 单体、电流 为0 1 c s ) ，1 0 小时左右可以充电至放电量1 0 0 以上。 1 0 l 充 电 量 萑 电 淹 n ) 乱l 凸 00 b 巧 0 c s 0 0 4 c 5 00 临 o 2 4 2 3 2 2 2 1 2 o i ，0 ，一 ，一一 充电量 l t 一 ? i 电压 上 墩电 j 砂 0 口馓电后 ，? 叨。 l l 、 、 、 、 、 皂漉 一 - 、 一 一 一一 充电时阀( 小时) 图2 1 充电特性图 浮充电压不能过高，以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充 电压，铅酸蓄电池的浮充寿命可达3 年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定 的浮充电压相差5 时，铅酸蓄电池的寿命将缩短一半。 1 0 啡 o 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 2 3 2 放电特性 放电电流越小放电容量越大；反之，放电电流越大放电容量越小。放电容量 还会随着环境温度的降低而减少。图2 2 为2 5 温度下0 1 g 2 0 c 5 的放电 电流放电至终止电压时的恒流放电特性图。 。 、 。、 弋 i c s 专l o 晤 、 o ，5 石 0 ：巧 。 1 o 高 0 日= s 。 2 2 4 充电控制过程分析 2 4 1 充电控制方法 3 0 , l i d1 1 ,2358l o瓢 藏卿搁 图2 2放电特性图 充电的目的是恢复电池电能，除非充电器和电池构成的工作组处于浮充模 式，否则充电期间电池无法行使自己的职能( 向负载供电) 。电池容量为定值， 充电时问短意味着充电电流大。如果充电电流过大，将产生过充电反应造成内部 压力过大，电池体温度过高，活性物质化学性质发生改变，从而损坏电池。充电 柚 缚喜虚 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 的快速性和避免电池的损坏是实现电池充电所面对的两个相互矛盾的问题。 电池充电的过程实质是其内部化学反应的过程。提高化学反应速度有两种方 式，一是改进电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进充 电方法，本文以后者作为论述对象。 不同种类的电池，具有不同的充放电曲线，与之相应的充电方法也有很大的 不同，在研究具体的充电方法时要考虑到这一点以选择合适的充电方法。传统的 充电方法( 恒流充电或恒压充电) 没有考虑到这一点。 2 0 世纪6 0 年代美国科学家马斯( j a m a s ) 提出了以最低析气率为前提 的电池可接受的最佳充电曲线，即任一时刻电池能够接受的充电电流为 l = i o e 4 ( 2 6 ) 式中：i 。为初始充电电流，a 为充电接受比，t 为充电时间，l o 和a 的值由 电池决定，与电池的类别、极板的结构、散热性能及电池的新旧有关。 i o 图2 3 最佳充电电流曲线 图2 3 展示出电池的最佳充电曲线，可以看出，充电电流随时间按指数规 律下降，并且： ( 1 ) 如果充电电流工作在n 区，则电流过大，会导致电池体温度过高，在电池 内部气压过高时会有大量气体析出，对电池造成损坏。 ( 2 ) 如果充电电流工作在m 区，是可接受的，但充电时问不能达到最短。 第二牵铅酸蓄电池韵工作原理和充放电过程 ( 3 ) 如果充电电流沿着曲线轨道变化，是理想的充电状态。实践证明，如果充 电电流按这条曲线变化，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。 实用的充电方法主要有分级恒流充电法和脉动式充电法两种，它们的基本思 想都是使充电曲线尽可能地模拟最佳充电曲线。图2 4 是分级恒流充电法中三 级充电法的充电曲线图，图2 5 是脉动式充电衄线图。在目前电池充电方法的 实际应用中，分级恒流充电法得到了广泛的应用。脉动式充电法大多数是采用脉 动充电法和分级恒流充电法相结合的方法，将充电过程曲线分为几段，每段分别 采取恒流脉动充电或恒压脉动充电。 i o i o 图2 4 三级充电法曲线图 图2 5 脉动充电法曲线图 t t 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 铅酸电池充电的方法，以前的充电器大多采取分级恒流充电法。近年来的研 究试验认为，铅酸电池充电，在充电前期采用分级恒流法的基础上，充电后期最 好实行脉动式充电，在充电脉冲的间隙，过充电反应产生的氢气和氧气( 以气泡 的形式分别附在负极板和正极板上) 进行再复合，这叫做去极化过程。去极化过 程减小了电池体的内部压力、温度和电池内阻，使充入电池的大部分电荷转化为 化学能。 本文结合了分级恒流充电法和脉动式充电法，将电池充电过程都分为预充 电、主充电、均衡充电和涓流充电( 也叫浮充) 四个阶段。对长期不用的或新电 池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。因此，这神电池应先用 小电流充电，这个阶段称为预充电；电池满足一定的充电条件后转入快速充电， 快速充电是用大电流充电，电池的大部分电能在这一阶段恢复。以上两阶段采用 分级恒流充电法对蓄电池进行充电；对于一组正在充电的蓄电池，虽然蓄电池组 的所有电池都处在同样条件下运行，但由于某种原因，有可能造成全组电池不均 衡。在这种情况下，应采用均衡的方法来消除电池单体之间的差别，以达到全组 电池的均衡。为了削弱这种差异，该阶段用脉动式充电法对蓄电池进行充电。实 验表明，以恒流方式充电到限压点时，只能充进约8 0 的容量，所以均衡充电在 消除单体差异的同时还会补充剩余的大约2 0 的电量。试想如果不能充迸一定 电量的话又怎么来消除单体间的差异呢? 为了补偿电池因自放电而损失的电量， 均衡充电结束后，充电器应自动转入涓流充电过程。涓流充电也称为维护充电。 根据电池的自放电特性，涓流充电速率都很低，铅酸电池一般为c 。l 0 0 只要电 池没有从充电器上断开，在维护充电状态下，充电器将以某一充电率给电池补充 电荷，这样可使电池总处于充足电状态。 2 4 1 1 充电终止条件控翩方法 蓄电池在充足电后，电池的温度和内压都会快速上升，同时电池的端电压开 始下降，出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害 是显然的。因此，为了保证电池能充足电又不过充电，必须采用一定的方法来控 制充电的停充等问题。 现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有定时控制、电压控制、温度控制 及最小终止电流等方法进行充电终止控制。在牵引用铅酸蓄电池充电器中，通常 采用电压控制、最长充电时间( 定时控制) 、蓄电池温度等控制方法。本文采用 电压控制和温度控制相结合的方法。 2 4 1 2 电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有： 1 4 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 最高电压控制、电压负增量控制、电压二次导数控制。 ( i ) 最高电压( ) 控制 从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过 程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止充电。 这种控制方法的缺点是：电池充电的最高电压随环境温度、充电速率而变， 因此，最高检测电压必须采用一定的温度补偿，并且还必须根据充电速率加以适 当修正。若最高检测电压不能随温度变化而自动调整，则低温时，电池充不足电， 高温时，电池充足电后仍会继续大电流过充。这样，可能降低电池寿命，也可能 损坏电池。另外，蓄电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，因此采用 这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。 ( 2 ) 电压负增量( v ) 控制 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度、充电 速率等因素影响，因此，可以比较准确地判断电池己充足电。采用这种检测法的 快速充电器，可以对电池数不同的电池组充电。负增量检测法的缺点是：电池电 压出现负增量后，电池己经过充电，因此电池温度较高。此外，镍氢电池充足电 后，电池电压要经过较长时间才出现负增量，过充电较严重。因此，这种控制方 法主要适用于镍铬电池。为了避免环境温度过高时损坏电池，最好与其它控制方 法配合应用。 ( 3 ) 电压二次导数( d 缈出2 ) 控制 这种控制方法是通过检测电池电压的二次导数来实现控制的，实验证明， 当电池在充足电时，d2 v l d t 2 将达到某一个确定的值，此时结束充电即可。这种 方法适用于恒流充电模式。 2 4 1 3 定时控镧 通常用在恒流充电模式中。例如，对于1 0 a h 的蓄电池，采用0 2 c 。充电 速率，电池5 h 可充足：采用0 4 c 。充电速率时，2 5 h 就可充足电，因此根据 电池的容量和充电电流，可以很容易地确定所需的充电时间。充电过程中，达到 预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者充电电流迅速 降低到浮充电电流。这样可以避免电池长时问大电流过充电。 这种控制方法比较简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电 池充不足，有的电池过充电，然而充电时间是固定的，所以不能根据电池充电前 的状态来自动调整。因此，只有充电速率小于0 3 c ；时采用这种控制方法才最 有效果。 第二章铅酸蓄电池的工作原理和充放电过程 2 4 1 4 温度控制 为了避免损坏电池，电池温度过低时不能立即开始快速充电过程；电池充足 电后，充入的电量都消耗在电池中，电池的温度很快上升，如图2 1 所示。 电池温度上升到规定数值后，必须立即停止充电过程。电池的温度可以通过 与电池在一起的温度传感器件来检测。当电池温度超过规定值时( 一般为5 0 ) ， 充电器能自动转入浮充电模式。当环境温度较低时，规定的最高温度值相对过高 ( 5 0 ) ，这样容易造成过充电，容易损伤电池。为了避免损伤电池，又常采用 温升控制法，即当温升达到一定值时，充电器便自动转入浮充电模式。 上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控 制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括时间控制、电压控制和温度 控制的综合控制法。本文采用电压控制和温度控制相结合的方法。 2 4 2 牵引用铅酸蓄电池的充电工艺要求 ( 1 ) 充电电流应小于或等于蓄电池可接受充电电流。充电过程中，如果充电电 流大于可接受充电电流，过剩的电流将以有害的负反应过程一一电解水消耗掉。 在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的1 0 1 i p 浪费 的电能超过了9 0 ) ，这样既延长了工作时问，严重的析气也使正极板腐蚀，损 坏了蓄电池。 ( 2 ) 深放电后，充电参数的选择原则是防止过大的热冲击( 蓄电池温度应不超 过5 0 ) 。 ( 3 ) 防止充电不足。长期充电不足使得蓄电池容量下降，造成蓄电池的早期损 坏。对存放中的电池和处于涓流充电过程中的电池，应定期进行活化充电