（电力电子与电力传动专业论文）电动大巴蓄电池智能管理系统.pdf

断江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c - v b h i c l e sa r eg e n e r a l l yr e g a r d e d 舒o n eo ft h ek e yw a y st os o l y et h e p r o b l e m so ft h ea i rp o l l u t i o na n dt h ep i n c ho ft h ee n e r g ys o u r c e sa l lo v e rt h ew o r l d n l ee l e c t r i e v e h i c l eh a sg o tar a p i dd e v e l o p m e n tr e c e n ty e a s s d u et oi t sl o wc o s t s a n dh i 曲r e l i a b i l i t y , t h ev 8 1 w er e g u l a t e dl e a da c i d ( v r l a ) b a t t e r i e ss t i l lr e m a i nt h e k e yp o s i t i o n i n a p p l i c a t i o n s f o re l e c t r i c v c h i c l e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c so f v r l ab a t t e r i e su s e dt 0p o w e re l e c t r i c 、，e h i c l e sa r ed i s c u s s e df i r s t l y t h ef a f l a r em o d e s ，c h a r g ea l g o d t h m s ，a l s ow i t ht h es i g n i f i c a n tc h a n g e si nv r l a b a t t e r i e sd e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h eb a t t e r y m a n a g e m e n tf o r ( v r l a ) b a t t e r i e sf o re l e c t r i c v c h i c l ea p p l i c a t i o n s i ng e n e r a l 。a b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mm a yi n c l u d et h em a i nc h a r g i n gs y s t e m ，t h ee q u a l i z i n g c h a r g i n gs y s t e m ，a n dt h eb a t t e r ys t a t ed e t e c t i n gs y s t e m ，e t e t h ep u l s ec h a r g i n g d i s c h a r g i n gm e t h o di sa d o p t e da st h em a i nc h a r g i n ga l g o r i t h m t h i sc h a r g i n ga l g o r i t h mi sa c h i e v e db a s e do nab i d i r e c t i o n a if u l l b r i d g ed c d c c o n v e g e r t h ep o w e rr a t i n go ft h em a i nc h a r g e ri sa b o u t2 0 k w w i t hs e r i a l c o n n e c t i o n ，i m b a l a n c em a yh a p p e na m o n gt h eo p e r a t i n gb a t t e r yu n i t sd u r i n ge t h e r c h a r g i n go rd i s c h a r g e h e r ea ne q u a l i z i n gc h a r g i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt ok e 印b a t t e r y e q u a l i z a t i o nd u r i n gc h a r g i n g t h i ss y s t e mi n c l u d e so fas w i t c hm o d u l e a na u x i l i a r y c h a r g e ra n dae o n t r o lc i r c u i t an e w z v sa c t i v ec l a m pf o r w a r dc o n v e r t e ri sa d o p t e dt o s e r v ea st h ea u x i l i a r yc h a r g e r , w h e r eb ye m p l o y i n gas i m p l ea u x i l i a r yl cn e t w o r k ，t h e m a i ns w i t c hi sa b l et oa c h i e v ez v s e x p e r i m e n t a lr e s u l bs h o wt h a ta b o u t2 h i g h e r o v e r a l le f f i c i e n c yi so b t a i n e di nt h ep r o t o t y p ec o n v e r t e rt h a ni ni t sc o n v e n t i o n a l c o u n t e r d a r t t h eb a t t e r ys t a t ed e t e c t i n gs y s t e mm e a s u r e st h ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r eo ft h e b a a e r i e s ，t h e ni te s t i m a t i o n st h es t a t eo fc h a r g e ( s o c ) a n ds t a t eo fh e a l t h ( s o h ) a n o v e lm e t h o du s e df o re s t i m a t i o no fs o ci sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do na h p r i n c i p l e ， p e u k e t te q u a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o n ，s o ua n do p e n c i r c u i t v o l t a g e k e y w o r d s ：v r l ab a t t e r i e s ，p u l s ec h a r g i n g d i s c h a r g i n g , b i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e r , e q u a l i z e dc h a r g i n g 新江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节电动汽车及其动力电池的现状 当今世界，汽车持有量已经超过6 亿辆，年产量超过5 0 0 0 万辆，据预测，到 2 0 5 0 年，全世界的汽车总量将达3 0 亿辆。而汽车在耗用巨量石油资源的同时，又 产生极为严重的气体污染每年汽车尾气约排放2 亿吨有害气体，占大气污染 总量6 0 以上。石油资源的日渐枯竭，环境污染的日益严重，迫切需要节省能源 和低排放甚至是零排放的绿色环保汽车产品。为此，世界各国政府以及各大汽车 制造商都在加大力度开发各种不同类型电动汽车。 所谓电动汽车，就是主要以蓍电池为动力源，全部或部分由电机驱动的汽车。 1 8 3 4 年t h o m a sd a v e n p o r t 在英国布兰顿演示了采用不可充电的玻璃封装蓄电池 的蓄电池车，这是世上第一辆电动汽车，比世界上内燃机型汽车的出现早了半个 世纪。电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三种 类型。纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池镍氢电池或锂离子 电池) 提供动力的汽车。纯电动汽车和燃料电池电动车的主要优点是可以节约石 油资源，实现“零排放”，被认为是汽车工业的未来。 目前，世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制纯电动汽车，并且取得了一定 程度的进展和突破。在美、日及欧洲发达国家，纯电动汽车已开始进入实用化阶 段。在2 0 0 0 年，日本公路上就己运行着1 0 0 0 多辆纯电动汽车，美国商业化运行 的纯电动汽车己超过6 0 0 0 辆，欧洲主要城市基本上都有试运行的电动公交车。 我国电动汽车的研制与国外发达国家几乎站在同起跑线上。“九五”期间，科 技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目。国内汽车公司、大学和研 究机构已逐步掌握了电动汽车的关键技术。至2 0 0 1 年初，纯电动轿车、混合动 力轿车、混合动力客车、燃料电泡电动客车己相继面世。“十五”期间，国家 8 6 3 计划设立电动汽车专项，国家和地方政府直接划拨以及国有企业投入的资金 总额约3 0 亿元“1 。目前我国自主研发的纯电动轿车和纯电动客车已通过国家质 检中心的型式认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定：天津 清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续 驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步 形成了关键技术的研发能力；北京理工大学等单位初步完成了北京理工科凌电动 车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，并于2 0 0 3 年顺利通过 北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收，小批量研发生产的4 种车型、 近4 0 辆公交车已经投入北京市奥运电动示范车队的示范运行。 蓄电池、蓄电池管理、电机及其控制是限制电动汽车产业化的最主要的三个 浙扛大学硕士学位论文 因素。其中，电机及其控制问题已经得到了较好的解决，电动汽车的瓶颈还是在 蓄电池以及其配套的管理系统。现阶段国内外的研究主要集中在电动汽车用蓄电 池及其管理系统方面。 目前，有多种蓄电池可用作电动汽车的动力电池，但不管是哪种电池，其都 应当满足以下要求： ( 1 ) 安全可靠； ( 2 ) 高比能量、比功率； ( 3 ) 循环寿命长； ( 4 ) 充放电效率高： ( 5 ) 低成本； ( 6 ) 与环境友好。 表1 1 美国先进电池联合会( u s a b c ) 提出的目标 项目，单位 中期目标 长期目标 比能量，w h k g 8 0 ( 1 0 0 )2 0 0 能量密度，w h l1 3 53 0 0 比功率。w k g ( 8 0 d o g 3 0 s )1 5 0 ( 2 0 0 ) 4 0 0 体积功率，w l 2 5 0 6 0 0 寿命，年51 0 循环寿命，次( d o g8 0 )6 0 01 0 0 0 最终价格，美元k w h 1 5 0 1 0 0 工作环境， ，3 0 6 54 0 8 5 充电时间，h 63 6 满充时连续放电l h 至截至电压，放出 7 57 5 电量与标称能量比值， 上述几项指标对电动汽车的性能有很大的影响。例如比能量直接决定了汽车 的充满电后单次最远行程( 与普通的燃油汽车相比，电动汽车的单次行驶里程明 显较短，电动汽车充满电的行驶里程一般为( 2 0 沪一3 0 0 ) k m ，而普通燃油汽车 加满油后行驶里程可达1 0 0 0 1 a n 左右。其原因是汽油的比能量可达1 2 0 0 0 w h k g 。 而目前蓄电池的比能量只能做到1 5 0 w h k g 左右) ；比功率则关系到汽车的加速 和爬坡性能；与环境友好，指的是电池在生产、使用、回收的过程中不会对环境 造成大的污染：开发电动汽车的个主要目的就是限制汽车尾气的排放，如果电 池本身的污染就很严重，就无异于“拆东墙补西墙”，得不偿失。 新江大学硕士学位论文 美国先进电池联合会u s a b c ( t h eu n r e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o n i u m ) 为电动车用蓄电池制定了一个开发目标，如表1 1 所示。 表1 2 示出目前常见的、适用于电动汽车的电池种类及其参数，表1 3 示出 这几种电池的主要性能比较。 表1 2 适用于电动汽车的电池种类及其参数【“l 比能量能量密度比功率循环寿命 价格 电池类型 w h k g w l 儿 w & g( 次) $ ，k 瞩，1 1 铅酸 3 5 9 0 1 5 05 1 0 0 镍镉 5 08 0 2 0 01 0 0 0 5 0 0 镶氢 6 5 1 3 5 1 5 01 0 0 0 4 0 0 钠硫 1 0 01 0 01 5 06 0 04 0 0 钠氧化镍 1 0 0 1 3 0 1 6 0 1 0 0 0 5 0 0 锂电池 1 1 0 1 6 01 7 03 0 01 2 0 08 0 0 锌空气 1 9 0 一2 6 02 7 01 5 01 5 0 由表1 1 、表1 - 2 可以看出，现阶段，市面所售的电池和u s a b c 提出的目 标还有不小的差距，只有个别电池，如锂电池性能上已经接近u s a b c 提出的中 期目标，但这几种电池依然存在各种缺陷。镍镉电池由于含有剧毒物质镉，被普 遍认为不适合运用于电动汽车场合。钠硫电池的制造过程较复杂，由于制造过程 中需用到液态钠，故需在惰性气体进行。此外，钠硫电池【5 1 还存在可靠性差，对 过充过放和环境温度很敏感等缺陷。钠氯化镍电池”原理和钠硫电池相近，但是 其在安全可靠性，耐过充过放、环境温度方面已经有很大的提高，是近期研究比 较多的一种电池。但不管是钠硫电池也好，钠氯化镍电池也好，其电池内部工作 温度很高，一般为2 7 0 一3 5 0 ，采用这两种电池供电的汽车在停车时的热损 失较大，且在启动时需要长时间加热。一般认为该电池较适用于经常运转的车队 车辆，不太适合于私人小轿车。锌空气电池是一种一次电池，其比能量极高，生 产使用过程中不会对生态环境产生明显影响，但电解液碳酸化、失水和吸湿、机 械充电方式等都是比较复杂的技术问题，目前离商业化还有一定距离。 正是由于其它电池要么在性能上存在一定的缺陷，要么在技术上还不够成 熟，目前运用在电动车上的电池还是以铅酸、镍氢、锂电池为主，其中铅酸电池 占据较大的优势。铅酸电池虽然在比能量和比功率上较之其他电池有较大的差 浙江大学硕士学位论文 距，但是由于其成本低廉，技术成熟，可靠性高，在电动汽车动力电池中仍然占 据着重要的一席。镍氢电池、锂电池在性能上虽优于铅酸电池，但这两种电池成 本过高，采用这两种电池装配的汽车在售价上要远远高于同等的燃油汽车，这是 这两种电池推广的最大阻碍。不过随着产量的增加，其成本也有持续降低的趋势， 其竞争力无疑也会增强。 表l - 3 电动汽车电池的主要性能比较 2 - 3 1 电池类型安全性稳定性 能量密度 循环寿命 使用成本环保性 铅酸 好 一般较差较差好较差 镍镉 好好 一般 较好 一般 较差 镶氢 较好 较好较好较好 一般较好 钠硫 一般 较差较好一般 一般较好 钠氧化镰 较好 较好较好 较好一般 较好 锂电池 较差一般好好 较差较好 锌空气 好较差好 好 较好 电动汽车动力电池除了上述几种蓄电池之外，还有一种特殊的电池，即燃料 电池。与普通的蓄电池不同，燃料电池是通过燃料( 如h 2 ) 的电化学氧化和氧化 剂( 如0 2 ) 的电化学还原直接产生电流，不但转换效率高，而且不会对环境造成 污染。燃料电池可分很多种，其中质子交换膜电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u l lc e l l ，简称p e m f c ) 具有工作温度低、启动迅速、功率密度高等特点，被认 为是电动汽车的理想电源”。目前，p e m f c 电动车是一种唯一能与燃油汽车相媲 美的电动车，从环境效应和长远利益考虑，燃料电池车可能是未来电动车的发展 方向。但目前燃料电池技术尚未成熟，产品价格超出了普通消费者的可接受范围。 近年来，虽然燃料电池的成本有所下降，但其价格昂贵仍是一个天文数字( 目前 1 辆进口燃料电池大巴的价格仍高达数百万美元) ，且安全供给氢气仍是一个技 术难题，此外诸如催化剂资源、复杂的基础设施建设以及长期运行的可靠性等瓶 颈问题仍在困扰着燃料电池电动车的发展“1 。 正是由于燃料电池电动汽车的商业化、普及化还有很长一段路要走，蓄电池 电动汽车必将在相当长的一段时期内和燃料电池电动汽车共存。同样，铅酸电池 由于其在价格和可靠性方面的绝对优势，短时内不会退出历史舞台。 本文研究的目标即为研发电动大巴用阀控式免维护铅酸( v a l u e r e g u l a t e d 4 浙江大学硕士学位论文 l e a da c i d ，简称v r l a ) 蓄电池智能管理系统，该课题在现阶段对电动汽车的发 展普及具有一定的意义。 第二节电动汽车蓄电池管理系统现状 电池管理系统在电池的运用场合起着至关重要的作用，电池管理系统既要保 证电池的安全运行，又要延长电池的寿命。一套好的管理系统可以给电池的运行 带来强有力的保障，而性能不完善的管理系统不仅会影响电池的寿命，甚至可能 引发安全事故。阀控式免维护铅酸蓄电池管理系统在不同的运用场合，会有不同 的特点。一般来说，电池数目少，功率小的电池系统管理起来会简单一些，在简 单系统中，往往数片集成电池管理苍片就可以完成电池充放电、状态检测的功能； 而电池数目多、功率大的系统管理则会相对复杂一些，一般需要用到复杂的单片 机或数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) ，系统软硬件系统都比 较复杂。在电动大巴中，v r l a 电池组的运行条件比较苛刻，其管理难度较大。 一般来说，不同的电池型号和应用，其电池管理系统是大致相同的。目前， 国内外普遍认为一套完整的管理系统应包括”“： ( 1 ) 电池保护系统； ( 2 ) 主充电系统； ( 3 ) 充放电均衡管理系统； ( 4 ) 电池状态检测系统； ( 5 ) 温度管理系统； ( 6 ) 通信系统。 文献 9 中提出电池保护系统是蓄电池智能管理系统所必须的组成部分。在 单体电池发生故障的时候，保护系统应该迅速将该电池从电池组中切除。主充电 系统的功能就是用能延长电池寿命的充电方法对电池进行充电，目前正负脉冲充 电技术被普遍认为能增加v r l a 电池的充放电次数，延长电池的使用寿命。单 体电池的过充电、过放电、长期欠充电、过温对电池的寿命有很大的影响，故应 有一套均衡管理系统和温度管理系统来保证在充放电过程中所有单体电池不过 充电、不过放电、不欠充电和不过温。电池的状态检测系统包括对单体电池电压、 内阻等信息的采集以及根据这些参数来判断电池的状态。通信系统则包括管理系 统内部模块之间的相互通信以及管理系统和上位机的通讯。 结合现有的一些管理系统和电动汽车的特殊要求，不难得至日一套适合电动汽 车的管理系统，其结构如图1 - 1 所示。该系统包括车载和车外两部分，车载蓄电 池管理系统0 1 应具备以下功能： ( 1 ) 数据采集、记录； 新江大擎硕士学位论文 ( 2 ) 数据处理以防止电池失效和不良使用；预测荷电状态s o c ； ( 3 ) 和车外管理系统通讯。 车载管理系统不包括均衡放电系统，这是因为车上的空间资源有限，而均衡 放电的实现需通过复杂的辅助电路，需占据较大的空间，放在车上并不合适。 车外的管理系统则包括主充电系统和均衡充电管理系统。该系统中并不包括 电池保护系统，这是因为要将茇生故障的电池从电池组中切除需要复杂的开关网 络，其体积不可忽视，此外，电池组的充放电电流均很大，很难找到合适的开关 元件，且大电流流过开关元件将带来相当大的导通损耗。 实际应用中，电动大巴蓄电池智能管理系统的构成远不如上述的系统那么完 善，依然存在这样或那样的缺陷。在国内，已有纯电动公交车在试运行，但其管 理系统功能还需完善：大多数主充电系统依然采用恒压限流的方式对电池进行充 电，且缺乏电池的均衡管理和有效的状态检测。管理系统的落后导致电池的寿命 普遍较短，有的电池的寿命甚至不到2 个月。 电池组 主充电系统 电 萋幸 i l l l 弼 l l ： 均衡充电系统 。2 i 卜 乙 i _ | 二 | - i t 【充电控制信号均衡充电控制信号 上 _ 一 ， l竹订 刀， l |l l 甲一。 监控模块 ! i t 囹息 电池_ | i 状态检测 状态1 i 系统 信息 ： 车外管理系统车内管理系统 图1 - 1 电动汽车管理系统组成 第三节本论文研究的主要内容 本论文是在杨潮硕士论文免维护铅酸蓄电池管理系统、潘尚智硕士论文 阀控式铅酸蓄电池管理系统、罗光毅硕士论文蓄电池管理系统、王伟硕士 论文铅酸蓄电池管理系统实验的软硬件研究以及丁昂硕士论文阀控式免维 6 浙江大学硕士学位论文 护铅酸蓄电池脉冲充电及其智能管理的基础上完成的。这几篇论文对如何对蓄 电池进行有效管理进行了很多的前期研究工作，包括v r l a 蓄电池的化学原理和 有关电特性，影响v r l a 蓄电池寿命的因素及其失效模式，脉冲充放电的参数选 取和优化，蓄电池管理系统的结构和设计等等。本文主要结合电动大巴这个实际 运用场合提出了一套完善的v r l a 蓄电池的管理系统。重点研究了纯电动大巴用 v r l a 蓄电池的特性，在主充电器的功率等级上也有较大提高。 本文研制的蓄电池智能管理系统包括车外和车内管理系统两部分。车外管理 系统主要包括主充电系统和均衡管理系统，主充电系统主要给蓄电池组充电，均 衡管理系统的功能是维持单体电池在充电过程中的容量均衡。车内管理系统主要 包括状态检测系统，状态检测系统的主要功能是检测单体电池的电压，充放电电 流，电池温度等信息，并依此来判断电池的剩余容量。电动大巴在行驶过程中， 车内管理系统实时工作：电动大巴在充电站充电时，车外、车内管理系统一起工 作，两者的功能相互独立，又通过r s 4 8 5 母线进行通信，车内管理系统采集的信 息可以提供给车外管理系统，车外管理系统的状态也可以反馈给车内管理系统供 处理。 本论文的第一章主要介绍了电动汽车动力电池的研究现状，电动汽车蓄电池 管理系统的发展，以及本论文的主要研究内容。第二章主要介绍了电动汽车用 v r l a 电池的特性、失效模式和充电方法。接下来，本论文主要介绍蓄电池智能 管理系统的组成。据上所述，该管理系统由车外和车内管理系统组成。本文首先 介绍车外管理系统：第三章介绍了主充电系统的构成；第四章介绍了均衡管理系 统及其实现方法。主充电系统和均衡管理系统是车外管理系统的主要组成部分。 在介绍完车外管理系统之后，本文的第五章将着重介绍车内管理系统的实现：主 要介绍状态检测系统以及智能管理的实现。论文最后对本论文的研究工作进行了 总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】胡明一，胡伟国内外电动汽车发展状况汽车情报，2 0 0 5 ，v 0 1 3 5 【2 】伦景光，陈全世，从第1 2 届国际电动车辆会议看电动汽车电池的发展世界 汽车，1 9 9 6 ，1 i a j 毕道冶，电动车电池的开发现状及展望电池工业，2 0 0 0 ，2 p p ：5 6 6 3 1 4 1 孟良荣，王金良，电动车电池现状与发展趋势电池工业，2 0 0 6 ，6 p p ：2 0 2 2 0 6 【5 l 曹佳第，电动汽车用z e b r a ( 钠，氯化镍) 电池发展现状电池工业，1 9 9 9 ，6 p p ：2 2 1 2 2 5 1 6 l 张子鹏，顾利霞，质子交换膜燃料电池的开发和运用电池工业，1 9 9 9 ，6 p p ：2 17 - 2 2 0 【7 1 b o r i s t s e n t e r b a a e r ym a n a g e m e n t f o r h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ea n d t e l e c o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s b a t t e r yc o n f e r e n c eo na p p l i c a t i o n sa n d a d v a n c e s ，2 0 0 2 ，p p ：2 3 3 2 3 7 f 8 】8s u z u k i ，k ，n i s h i d a ，k ，a n dt s u b o t a ，m v a l v e r e g u l a t e dl e a d a c i db a t t e r i e sf o r e l e c t r i cv e h i c l e s ：p r e s e n ta n df u t u r e j o u r n a lo fp o w e rs o u r c e s ，1 9 9 6 v 0 1 5 9 ， p p ：1 7 1 - 1 7 5 1 9 】j o h nc h a t z a k i s ，k o s t a sk a l a i t z a k i s ，n i c h o l a sc v o u 【g r i s ，e r e d e s i g nan e w g e n e r a l i z e db a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m i e e et r a n s a c t i o n o ni n d u s t r i a l e l e c t r o n i c s v o 5 0 ，n o 5 ，2 0 0 3 p p ：9 9 0 9 9 9 浙江大学硕士学位论文 第二章电动汽车用王l a 蓄电池 不同的场合对v r l a 电池的要求也不尽相同。在电动汽车应用场合，v r l a 蓄电池就须面对很多新的挑战。近年来，对电动汽车用v r l a 蓄电池的研究一 直是一个热门课题。本章即主要介绍电动汽车用v r l a 蓄电池的特性、电池结 构方面的改进措施以及充放电方法进行了讨论。 第一节v r i _ , a 蓄电池的电化学特性 2 1 1v i l l a 蓄电池的电极反应1 1 1 v r l a 蓄电池的工作过程，是一个电化学过程。充放电时，正极板上的电极 反应式可表示为2 - 1 式，负极板上的电极反应式可表示为2 - 2 式。 e b o , + 册q 一+ 3 h + + 知h p b s o _ i + 2 h 2 0 ( 2 1 ) p 6 + h s 0 4h p b s o , l + h + + 2 e ( 2 - 2 ) 式( 2 i ) 表明，自左向右的反应式放电：二氧化铅( p b 0 2 ) 以极大的速率 吸收外电路电子，并以低价的p b ”形式在电极的表面形成硫酸铅( p b s o 。) 。自 右至左的反应是充电：在外电源的作用下，p b ”释放电子，并与电解液作用形成 p b 0 2 。 式( 2 - 2 ) 表明，自左向右的反应式放电：铅( p b ) 以极大的速率融解，在 向外电路提供电子的同时，p b 2 + 还夺取界面电解液中的h s 0 4 一，形成p b s 0 4 。自 右至左的反应是充电：在外电源的作用下，p b 2 + 以极大的速率吸收电子，使p b s 0 4 恢复成活性p b 。 综合( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式，可得到整个电池反应方程式： p b + 2 h + + 2 h s 0 4 一埘q 等2 p b s 0 4 嘲。协， 2 1 2v i l l a 电池的二次反应和内部氧循环【2 4 i 在v r l a 电池中，放电时，二次反应不会发生。充电时，还存在以下二次 反应： 1 ) 负极板析出氢气： 2 ) 负极板氧气的复合； 3 ) 正极板析出氧气； 4 ) 正极板腐蚀。 用化学反应方程式表示，上述四个二次反应可分别表示为： 浙江大学硕士学位论文 2 h + + 知_ 马 0 2 + 4 嚣+ + 4 e _ 2 h 2 0 2 马d 斗d 2 + 4 胃+ + 和 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 。6 ) 肋+ 2 h 2 0 专p b d 2 + 4 h + + 和 ( 2 - 7 ) 随着正负极板的极化情况的变化，这四个二次反应进行的难易程度也会随之 变化。当负极板的电位向负的方向偏移时，氧气复合和氢气析出会交得更容易发 生，反之亦然；当正极板的电位向正的方向偏移时，氧气的析出和极板的腐蚀会 更容易发生，反之亦然，如图2 1 所示。 电极电位( 相对氢标准电极) 图2 - 1 二次反应发生趋势与电极电位的关系1 2 】 一七 搬啦2 = 0 图2 2 负极板自放电和析氢反应与电极电位的关系 当电池静止时，这四个二次反应实际上也会发生。以负极为例，电池的自放 电和氢气的析出就一直在发生。图2 - 2 示出在负极板上这两个反应的容易程度和 电极电位的关系。图中，e p b 为p b p b s 0 4 平衡电位。电池静置时，负极对外不表 现出电流，也即负极放电和氢气的析出要达到平衡，这是其电位要比p b p b s 0 4 浙江大学硕士学位论文 平衡电位高，而电流密度为零。这时可用式( 2 8 ) 来综合表示电池的自放电和 析氢。 舶+ 哎s o , 哼e b s o ! + 鹄 ( 2 - 8 ) 同理，电池静止时，正极板的自放电和氧气的析出也会达到平衡，一般情况 下，这两个反应的速度很慢，一般可以忽赂。 当电池充电时，正负极板上建立的平衡将会被打破，上述若系将不再成立， 而新的平衡关系将被建立。为简单起见，这里只研究在充电末期电池内部二次反 应和氧循环的情况。 文献【2 】中给出了电池浮充时，电池中四个二次反应的平衡情况，可用图2 3 表示。 曩，。 脚 ：酸密度i1 2 8 9 t o o l lil。 一飘弋曼百舣孕：1 ”二：置叁宴曼2 ：纪j ：躺点遗弋 l：1 氧复合。，罗 nl 掣一k 诎新l l 害拿7 桁氧 、 l f l 翌唢r 1 i 、：。4 ，十矿!j i ，、叶。 。i i 。n、嵋。 w l a l ， 1 y 卤一l 圈 2 3 耐v ! f夕1 翔州 ! 。1 5 0- 1 0 0唧口50 1 1 5 0 极化_ j m v 图2 - 3 浮充时电池二次反应平衡示意图 图2 - 3 中有四条曲线，分别是负极板析氢和电极电位的t a f e l 曲线，正极 板析氧和极板腐蚀与电极电位的t a f e l 曲线，以及析氧与正极板腐蚀的叠加曲 线，这四条曲线均按典型值绘制。 考察此时正负极板的电化学反应，负极板可进行以下反应： 2t1+知一4(2-9) 0 2 + 4 日+ + 和一2 o ( 2 - 1 0 ) p b + h s o ! 一一e b s o ! + h + + 2 e ( 2 1 1 ) 正极板可进行下面两个反应： 2 h 2 0 - - + d + 4 h + 十4 p ( 2 - 1 2 ) 浙江大学硕士学位论文 肋+ 2 h 2 0 寸勋0 5 + 4 日+ + 和 ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 1 ) 表征的是负极板的自放电反应，一般来说，电池充电时，负极板 电位会朝负方向偏移，低于p b p b s 0 4 平衡电位。参照图2 2 可知，此时式( 2 1 1 ) 式不会发生。 由于电池接通外部充电器充电，依基尔霍夫定律可知：流经正负极板的电流 大小相等。这就意味者正极板上的反应( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 式放出的电子应和负极 板上的反应( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 吸收的电子数量相等。在采用a g m ( 吸附纤维隔板) 技术的v r l a 电池中，正极板析出的氧气可通过隔板到达负极板复合，复合效 率可达1 0 0 ，这就意味着式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 2 ) 可相互“抵消”，这时电池内 部就只剩下( 2 9 ) 式和( 2 - 1 3 ) 式的平衡了。至此可以得到一个重要的结论： 在氧气复合率为1 0 0 的v r l a 蓄电池中，浮充时负极板的析氢反应和正极板的 腐蚀将建立平衡关系，这两个反应可用式( 2 1 4 ) 综合表示。 p b + 2 鸥0 _ p b d 2 + 2 ( 2 - 1 4 ) 正是这种平衡关系决定了正负极板的极化电位。以图2 - 3 所示为例，负极板 的析氢反应等效电流为3 ，l m a ，正极板的腐蚀反应等效电流也为3 1 m a ，这两者 的平衡直接决定了电极的极化电位和电池的浮充电压，极化电压一定，正极板的 析氧反应和负极板的氧复合反应的等效电流也就一定，这里为3 7 m a 。而总的浮 充电流即为4 0 1m a 。 实际上，式( 2 1 4 ) 示出的反应对v i l l a 电池是很不利的：它意味着电池正 极板的腐蚀和水分的耗散( 在v r l a 电池中，并不存在“氢循环”，氢气只能通 过出气阀排出) 。正极板的腐蚀和电池失水正是v r l a 蓄电池失效的重要原因。 近年来，随着材料科学的发展，正极板材料的改进使得其腐蚀速度变得很慢， 即( 2 - 1 3 ) 式变得很难进行。这给v r l a 电池带来了新的问题。这里，重新绘制 电池二次反应的t a f e l 曲线，如图2 - 4 所示。 在图2 - 4 中，正极板的腐蚀速度明显较负极板的析氢速度慢，以至于出现这 样一种情况：负极板电位朝正的极化方向偏移仍然不能保持析氢和正极板腐蚀的 平衡。这时式( 2 1 1 ) 所示的反应就会发生，也即电池会自放电，这样才能维持 正负极板电流一致。这样一来造成的结果就是：电池的负极板会充不满电，p b s 0 4 不能全部转换为活性物质，这样电池的容量会减小，并最终导致电池失效。 解决这个问题主要方法是限制v r l a 的内部氧循环。其主要思想就是通过 限制氧气在负极板上的复合来保持电池的平衡，保持负极板电位能够朝负的方向 极化，从而限制电池的自放电。限制氧气的复合可通过改善隔板材料和添加催化 剂来实现。改善隔板材料，使得正极板产生的氧气不能随意通过隔板，这样就有 部分氧气通过出气阀排出。这种方法的缺点是氧气的排出会导致电池失水的加 浙扛大学硕士学位论文 重，这与负极板容量的减少应取一个折衷。添加催化剂的目的是使气态的氧气和 氢气能直接复合，这样就减少了在负极板上复合的氧气的总量，从而来维持电池 的平衡。这种方法可以在维持负极板容量的同时将电池失水控制在很低的水平， 其缺点是催化剂的选取相当复杂。 1 0 1 暖 譬厦：1 z u g l m o l 动 - 氧气每合前窒1 n n i - 一 、l 世 、 一曹各 事 v 涵， 鼬划 ， ， 7 蜊 瓦 1朋 析氢一噬争 生叫涓流充电 正负脉冲充电( c c ) 卜叫 充电结束 故障，充电中止 正负脉冲充电( c v ) 卜- 一叫故障，充e g q a 止 间歇性浮充卜叫故障，充电中止 充电结束 图3 ，2 7 控制程序流程图 浙江大学硕士学位论文 控制程序流程图如图3 - 2 7 所示。首先d s p 和电压采集系统进行通信，获取 单体电池电压信息，并依此来判断电池是否过放电。充电的初始阶段，正负脉冲 充放电电流的平均值恒定( 图3 - 2 7 中用c c 表示) ：当电池组端压达到c c 模式 的上限时，转入c v 模式，此时充电电压恒定；当电池充满电之后，进入浮充阶 段。一旦有故障信号发生，就将中断充电程序，进入保护模式。 第七节结构设计 至此，主充电系统的主要部件在本文中都有较为详尽的描述。不难发现，主 充电系统是一个多部件的复杂系统。为了描述方便，将系统的组成结构重新绘制 于此，如图3 2 8 。由图可知，系统包括主充电电路、控制电路、驱动保护电路等 多个子模块，对于这样一个复杂系统，良好的结构设计是电力电子装置稳定、正 常工作的必要条件之一。 图3 2 8 主充电系统构成图 在本样机的设计过程中，采用了e d s 公司推出的专业3 d 结构设计软件一 u n i g r a p h i e s 对主充电系统的整体结构进行了设计。 在主充电系统中，主充电电路结构的设计是关键也是难点所在。这里主要介 绍主电路的结构设计，其它模块的设计不再具体描述。 设计好的主电路整体结构如图3 - 2 9 所示。如图，原边和副边器件分居变压器 两侧，母线电容居于原边散热器旁，系统中一共有两个散热器，原副边开关管分 别位于两片散热器中央。原副边的主功率回路主要通过层叠铜板进行电气连接。 所谓层叠铜板是指将多层铜板叠放在一起，层与层间使用绝缘导热材料制成的薄 膜隔离，并粘合封装到一起的一种直流电容和功率器件连接结构。它具有以下优 浙扛大学硕士学位论文 点： ( 1 ) 减少电感； ( 2 ) 增加导电面积，减少阻抗； ( 3 ) 提高可靠性； ( 4 ) 能屏蔽e m 【； ( 5 ) 改善热特性。 原边直流母线采用3 层铜板层叠的结构，副边采用2 层铜板层叠。 图3 2 9 主电路整体结构 第八节实验结果 当电路工作于硬开关d c d c 全桥变流器状态时，其主要工作波形如图3 - 3 0 所示，此时，电路主要参数为：输入电压为6 2 0 v ，输出电压为3 6 0 v ，充电电流 为5 0 a 。图3 3 0 ( a ) 为原边一个桥臂中两个开关管的驱动波形；图3 3 0 ( b ) 为 原边开关管s 1 的驱动波形及c e 端压波形，由图可知原边开关管电压应力为 8 0 0 v ；图3 3 0 ( c ) 为原边开关管s l 的驱动给定信号以及副边整流二极管的电压 波形，由图可知副边开关管的电压应力为7 5 0 v 。 需要指出的是，图3 3 0 ( c ) 中，s 1 的驱动信号的观测点设在驱动电路的输 入处，也就是说观测到的驱动信号为经过屏蔽线传输之后的信号，由图可知，该 驱动信号受到的干扰较小，本系统采用的这种利用屏蔽线传输驱动信号的方案切 实可行。 当电路工作于p w mb o o s t 全桥交流器时，其主要工作波形如图3 3 1 所示， 此时，电路主要参数为：输入电压为4 6 0 v ，输出电压为7 2 0 v ，放电电流为4 0 a 。 图3 3 1 ( a ) 所示为副边开关管的驱动及c e 端电压波形，由图可知副边开关管 的电压应力为9 5 0 v ；图3 - 3 l ( b ) 所示为原边开关管的驱动波形及c e 端电压波 形，此时原边开关管栅极施加的为负向偏置电压，i g b t 不导通，类似于一个二 极管，由图可知原边开关管的电压应力为7 8 0 v 。 浙江大学硕士学位论文 0 ：n o i 厂娃陬 一：，k 一 。醐。t 。飚 t 2 0 s ，格 ( a ) 驱动波形 鞋 o = 萋 多 誊 尽 喜i t 2 0 讧s | 格 ( b ) s 1 驱动和c e 端电压波形 t 2 5 i ts l 格 ( c ) s 1 驱动给定信号及副边开关管s 6 的波形 图3 3 0 正向工作时电路主要工作波形 ： 。严_ _ 呻 hh 卜吲 。一 i - h _ - _ _ 。_ - 一 。r ：卜 ll i 卜叫p一：k 一 浙江大学硕士学位论文 t 2 0 m s 格 t 2 5 m s ) f h ( a ) 正脉冲充电时，s l 驱动和充电电流波形( b ) 负脉冲放电时，s 5 驱动和放电电流波形 图3 3 2 正脉冲充电和负脉冲放电时的主要波形( v 。= 5 0 0 v ，v o = 3 0 0 v ) 当电路工作于正负脉冲充放电状态时，其主要工作波形如图3 3 3 所示。由 图可知，正脉冲的充电时间保持为l o o m s ，之后，充电电流降到零并维持1 0 m s ， 负脉冲的放电时间为1 0 m s ，一个充放电周期为1 3 0 m s 。 辈 遑 j 一。“ 。一1 5 。一k 一3 t 2 5 m s 格t 2 5 m s 格 ( a ) s 5 驱动和充电电流波形( b ) s 1 驱动和充电电流波形 图3 3 3 正负脉冲充电时的主要工作波形( v ，。= 5 0 0 v ，v 。= 2 3 0 v ) 第九节本章小结 本章主要讨论主充电系统。由于主充电系统采用正负脉冲的充电方式，双向 d c d c 变流器成为主充电器的必然选择。针对主充电电路的指标要求，本系统 采用一种原副边均为全桥结构的双向d c d c 变流器作为主充电电路器的拓扑结 构。该变流器在正脉冲充电器件相当于一个硬开关全桥d c d c 变流器；负脉冲 放电期间相当于一个p w mb o o s t 全桥d c d c 变流器。 在选定主充电电路的拓扑后，本章详细分析了主充电电路的工作原理和具体 的设计过程。