（电力电子与电力传动专业论文）阀控式免维护铅酸蓄电池脉冲充电技术及其智能管理.pdf

a b s t r a c t t h ef h s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，e l e c m cp o w e r a i l dc o m m e r c ea s k sf o rm o r er e l i a b l e a n ds a f e rp o w e rs o u r c e s b a n e r i e s ，a sw e l ll m o w nf o re n e r g ys t o m 2 ed e v i c e s ，a r ew i d e l yu s e d i nt h e s ea r e a st op r o v i d es t a b l ep o w e rs u p p l y v h l v e r e g u i a t e dl e a d a c i d ( v r j a ) b a t t e r i e s 盯e m o r e 、e l c o m e di nr e c e n ty e a r sb e c a u s em e yr e q u i r cl e s sm a i n t e n a n c e ( s u c ha sw a t e ra c i d i t i o n e t c ) ，t h ei n s t a l l a t i o nd i r e c 廿o ni sn o tr c s t r i c t e d ，a n dt h e yo 丘e ra1 0 n g e rl i f 舐m e t h o u 曲， s e v e r a lp r o b l e mm u s tb ed e a l tw i t l lw h e nu s i n gm ev r l ab a t t e r y ，f o re x a m p l e ，b a n e r y c h a 唱i n 鲥i s c h a r g i n gc o n t r o l ，b 甜e r yc o n d i t i o nd e t e m l i n a t i o n ，c y c l el i f ep r e d i c t i o na n ds oo n f o r 也e s er e a s o n s ，av r l ab a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi sh i 枷yn e e d e dt oe n h a n c et 1 1 e p e r f o n n a n c eo f 山eb a t t e r i e s t h i st h e s i sd i s c u s s c sm ep o s s i b l ep r o b l e m si n d u c e di nu s 抽gv r l ab a t t c r i e s ，m l d a c c o r d i n g l ye x p l a i n sh o wab a 札e r ym a l l a g e m e n to p e r a t e st ot a c “et h e s ep r o b l e m s a m o n g t 1 1 e s ep r o b l 锄s ，c h a r g i n gc o n 昀li sm u c hc r i t i c a lw i mt h eb a t t e r i e s p e r f 0 肌a n c e s i n c ep u l s e c h a r g m gh a s “sa d v 蛆诅g e ，血i st h e s i sf o c u s e so n t l l ei n n u e i l c eo fc a p a c i t ya n dc y c l e1 i f e t i m eo f b a t t e r i e su n d e r p i l l s ec h a r g 证g ap l l l s ec u i r c n tp m m e t e ro p t i 商z a t i o nm e t l l o db a s e d 0 nm a s t h e o r ya n dv a r ia _ b l ep u l s ew i d t hc k l r g i n gs t r a t e g ya r ep r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yv e r i f l e db y al a bm a d ep l l l s ec h 盯g e rf o ra4 8 vv r l ab a t t e r yp a c k b o t l lt h ch a r d 眦a n d 恤es o r w a r e d e s i g np m c e d u r e sa r ep r e s e n t e da l s o 浙江大学硕l ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 第一节铅酸蓄电池的结构、原理和发展 早在1 9 世纪末，为了保证直流供电的电压稳定和平衡变化的负载，对于大容量后备电池的 需求越来越迫切，铅酸蓄电池也就是在这个时候最早投入使用的。早期的大型铅酸蓄电池主要是 胶管式和胶体( n o o d e d ) 密封铅酸蓄电池，到了2 0 世纪7 0 年代，美国d e v 濉氏研制出第一个用贫 液式结构的阀控式免维护铅酸蓄电池眦a ) ，由于它是贫液且装有阀门，所以可以任何方向放 置，且极少有有害气体外溢。另外，阀控式免维护铅酸蓄电池能让化学反应生成的氢气和氧气重 新反应生成水，因此只需要较小的维护( 加水等) ，同时又有更长的寿命，因此，阀控式免维护铅 酸蓄电池已经是铅酸蓄电池发展的主流。 目前在国内外所生产的v r l a 电池有两类技术：a g m 技术和g e l 技术。 a g m 电池属于贫液设计，与富液式电池相比，电解液的密度较高。早期v r l a 电池所出现 的问题，主要是由于没有重视贫液设计所产生。目前国内外的也a 电池以采用a g m 技术为主， 因为a g m 电池有以下优点： 1 ) 采用无锑p 扣c a 合金扳栅和高纯度原材料，电池的自放电少，2 5 下储存三个月，自放 电率 9 8 ，因此无酸雾透出。 5 ) 初期容量较高，第三个循环周期即可达到l o o 以上的额定容量。 6 ) 有较好的低溢放电性能。 正由于以上优点，使得采用a g m 技术的u a 电池发展很快，国内外多数v r i a 电池的 制造厂家都采用a g m 技术。 g e l 技术( 胶体技术) 胶体电池的密封原理与a g m 技术相似，也是氧的循环过程，但正极 的氧气不是通过隔板的孔隙传输到负极的，而是通过胶体的裂纹来实现的，胶体的裂纹是氧的复 合通道，胶体的裂纹是胶体形成时收缩产生的。胶体电池使用初期，由于胶体的裂纹较少，氧的 复合效率较低，因此安全阀易开阀而有较多酸雾析出，随着电池的使用，裂纹增加，氧的复合效 率提高。 胶体技术有下面一些优点； 1 ) 胶体电池采用富液设计，因此，深放电的恢复特性较好，较好地防止电解液干涸。 2 ) 由于胶体的固定作用，胶体电池几乎不存在电解液的分层现象。 3 ) 在较高的环境温度下，胶体电池有比a g m 电池更长的使用寿命 g e l 技术比a g m 技术发展慢的原因，是由于胶体电池有以下缺点： 1 ) 采用胶体和p v c 隔板，且胶体易堵塞隔板及活性物质中的孔，使电池内阻较大，因此与 a g m 电池相比，在常温下2 0 小时率容量低1 5 左右，1 8 启动放电，负荷电压约低2 0 。 2 ) 使用初期，氧的复合效率较低，酸雾排出较多。胶体电池对过充电较为敏感，如果电池 倾斜或卧放，则电池内胶体可能会流出来。不适合快充，高倍率放电，特别是在低温环境下。 3 ) 不适合于薄型极板设计。 总的来说：a g m 电池的气体复合效率高于g e l 电池，而g e l 电池的失水率要低于a g m 电 池。近年来，在铅酸电池的国际会议讨论中，对g e l 技术有逐渐重视的趋势，但对a g m 技术和 g e l 技术在应用中的优缺点还有不同的看法。一般通用的认识是胶体电池的深循环性能优于a g m 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电池，因此设计u a 电池动力牵引电池采用g e l 技术，而u p s 、备用电池则采用a g m 技术。 虽然从最早铅酸蓄电池的诞生已经有个多世纪了，然而，即使到现在，对于铅酸蓄电池 的研究仍然是一个热门。众所周知，传统的也a 单体电池的额定电压为2 v ，要获得更高的电 压只有将多个单体电池串连，降低了电池组的可靠性。另个问题是低的能量质量比。最近， a n a v e r d a 公司开发了一种基于合成物碾压构成的e b o n e x 。材料，利用这种材料，可以制造出高压 铅酸蓄电池模块【l 】。e b o n e x 罾材料是一系列低价钛氧化物陶瓷材料的名称，典型分子式为t i 4 0 ， 和t i 5 0 9 ，它既具有电导性，同时又具有抗腐蚀和抗氧化性。和传统的单极型电池相比，用这种 材料制造出的双极型铅酸蓄电池具有很多优点。采用新材料后，铅酸蓄电池的电压等级可以高达 单体4 8 v ，同时不需要铅栅格，极板数量也大大降低，能量体重比和能量密度大大提高了。随着 新型铅酸蓄电池模块的开发，有望改变铅酸蓄电池在能量密度和能量质量比方面相比其他电池的 劣势。 除了铅酸蓄电池本体的研究外，对于蓄电池应用方面的研究也越来越深入。其中一个重要领 域即铅酸蓄电池在机动车上的使用 2 1 l 】。铅酸蓄电池不光为引擎的发动提供启动电源，同时， 也能稳定汽车的电气系统。 另外，近代历史上发生的一些电力中断事件表明，必须建立一个可靠的供电系统，来保护个 人和商业设备的正常运行，减小断电带来的经济损失。出于这个目的，现在的公共建筑物，电话 交换机，交易所，工业工厂、车间通常会配备一个大型的中心电池组，当公共电网断电时，这些 蓄电池组提供短期的应急供电。蓄电池的角色逐步从提供常规的稳定电源转变到当电力中断后的 后备式电源。而随着时间的推移，蓄电池应用领域的不断扩大和分布式系统中小单元的增加，现 在一些小型用户也会安装相对较小的蓄电池组。 从铅酸蓄电池的发展历程可以看出，随着电池新型材料的应用，电池呈现不同的外特性， 同时应用领域越来越广泛，采用常规的人工进行蓄电池管理的方式显然不能满足这些发展趋势的 需要，因此，研究套铅酸蓄电池的新型的管理手段和方法有非常积极的意义。 1 1 1 铅酸蓄电池的电化学过程 铅酸蓄电池的工作过程，是一个电化学过程。电池在开路状态，负极上的活性物质绒状铅与 稀硫酸间的反应趋于稳定，而正极上的活性物质多孔性p b 0 2 与稀硫酸问的反应也趋于稳定。所 谓稳定，是指氧化速率和还原速率相等，从而形成平衡电极。当有电流通过电池后，这种相对的 平衡状态被破坏。 当电池被放电时，负极上铅( p b ) 和硫酸m 2 s 0 4 ) 反应，生成硫酸铅口b s 0 4 ) ，同时，正极上， 二氧化铅( p b 0 2 ) 也转化成硫酸铅。反应的结果是外电路中出现了定向运动的电子，铅酸蓄电池的 化学能转化为电能。负极的绒状铅和正极的多孔状二氧化铅分别加快了溶解速率的氧化过程和吸 附速率的还原过程。 铅酸蓄电池正极板上的电势形成过程可以表示为： 4 p b 0 2 七h s o i + 3 h + + 2 e 七争p b s ol + 2 h p 而相应的负极板上的电极反应可以写成 p b + h s o i 七p b s 0 4 七h + 七2 e 式1 1 式1 2 浙江大学硕七学位论文第一章绪论 叫 杰 点 | p b 卜p b 0 2 圈去闺 p b s 0 4p b s o 。 图1 1 锚酸蓄电池基本化学反应 卜 当电池被充电时，两个电极上的化学反应朝相反的方向进行，这时，负极加大了还原速率 正极加大了氧化速率，如图1 1 。综合式1 1 、式1 2 ，可得到整个电池反应方程式： j p 6 + 2 h + + 2 嘲一十p 6 d 2 i 罢2 尸6 觋+ 2 d 式1 - 3 1 1 2 铅酸蓄电池和其他化学电池的比较 尽管2 0 多年前诞生的阀控式密封铅酸蓄电池在蓄电池领域占据卓越的地位，它同样有很多 限制，比如重量大，低能量体重比等等。随之而来的许多研究把重点放在其他替代的电池系统， 比如锂离子电池、金属氧化物镍电池等。这些新的材料同样有自身内在的限制，包括原材料的成 本和不稳定性、快速自放电，金属材料毒性和循环利用问题。而铅酸蓄电池的循环利用率基本超 过了9 5 。铅酸蓄电池和其他应用较广的化学电池，包括镍镉，镍氢电池，锌银电池，锂离子电 池等在电化学性能以及价格方面的比较见表1 1 。 表1 - 1 常用化学电池的比较 1 2 单体电池价格，能量比 能量密度功率密度自放电率循环寿命 电池类型 额定电压 ( w h ，k g )( 、7 l m 回( ，月)( 2 5 放电) ( 、，) 密封铅酸23 5 1 2 0 25 0 0最低 绦镉1 2 5 02 6 01 52 0 0 0 低 镍氢及金属最高 1 26 0 1 5 2 3 06 0 0 氧化物镍 锌银1 5 9 99 2 0 锂离子3 5l l o 4 0 13 5 0低 浙汪文学矮士学位论文第一幸绪论 从袭中可以看出，和其他电池糨扰，铅酸蓄电池的重量比能量、体积比能量不鲡镍镉、镍氢、 锤裹予簿邀洼，餐它瓣毪能价格奠：侥窍缀太霞势，特羯是作善撵壤源、储麓电源释动力电深等应 用领域，由于铅酸蓄电池容量大，大电流放电性能好，无记忆效应，价格便宜，蹦此铅酸蓄电池 的销馁额仍是化学电源产品的首位。据预测，未来碱年其增长速度约为1 0 - 1 5 。 第二节誊电池智笺管理系统概述 v r l a 铅酸蓄电池的应用领域不断扩大，有许多外部因素会导致蓄电池在使用过程中，电 池的实际寿命和电池厂商给出的寿命相差很大。这热不确定因素可以总结如下： 竣诗；逛遣哥鞋设；辛或虿嚣类黧，寒满是特定静要求。魏装垮套v s 绦戒零，短露大受载 电流敬电v s 小负载电流放电，麓鬣密度( 能量质繁比) v s 能量体积眈。 制造：电池的制造商很多，他们之间有很多设计差异，质量标准和加工工序。 成用：电池可以应用在许多不问的场合：每日使用，完全放电v s 紧急使用，不完全放电。 垮壤：电浊使用的环境温度可辘在安全匏范慰( 2 2 摄氏度) ，魄霹强在及其蕊袋豹湿痊( 4 0 多摄氏壤) 。 充电方法：电池可以用不同的方法充电一一快嵬，慢充，带温度补偿的快充，慢充，有，无电 流限制充电，根据电池类型调制充电等。 媳池的这些不确定因素，一方龋可能加速电池失效，使得电池寿命大大降低。延长电池寿 翕静一个方法是为特定负载设嚣特熬豹电逮，毙毅，雩# 梵；| 擎痘动滚滚豹蓄毫漶，遴嚣其需要提 供短暂的犬电流，僭怒对于电池容麓的要求并不商( 豳1 2 ) ；而襁通信系统里，则需要电池能 够提供2 3 小时的小速率放电【1 3 】。文献【1 3 】同时提出了一套引擎启动用电池的改进设计方案， 包括采用向外翻转的栅格结构，这种栅格结构不产生通常栅格的边界腐蚀，因此可以有效控制栅 格增大。羼时，荸体彀随焊接采用过魏分隔( 1 曙) ，骜鼗簧统电涎鹣覆蕴分疆( 撑) 方法，缩 短了连接距离，降低了寄生串连电隧毽。另井，为了防止 擎涵浮辩予黼扳的廨镪溶躲律用，使 用聚丙烯( p o b ，p r o p y k n e ) 作为隔板材料等等。事寂上，针对特定的使用场合设计专门的电池， 大大提高了电池的成本，而且电池厂商不可能为所谢用户的开发其适用的电池。大多数情况下， 用户生黉从满足蓍电池容量需求这个攀一豹指标来选电池。在目前莆电池类型有限的情况下，为 了延长邈漶楚捷矮寿念，骞瑟要设诗一套完整豹蓥魄淹蓉襞管理系缝( b m s ，绦落邂池魏霞霜 寿命。 6 图1 21 8 l 柴油机引凝启动时候的咆压电流波形( 电压可能跌6 v ) 努方葱，电洼静这些不确定鞠囊，蠖缛蓄电漶瓣翅户对予囊激电涟窦蠡麴状躐共不了簿。 寒l f 邂移 茎|e m引螂聪4 惫涎诬 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电池状况对用户是不透明的。往往是蓄电池的负载设备工作不正常，才会引起用户的对蓄电池的 注意。而这个时候，蓄电池可能已经完全失效了。用户不得不为更换蓄电池和负载设备的停机付 出较大的成本代价。在一些紧急的后备式应用场合，如医疗，公共交通等领域，后备式蓄电池失 效会造成严重的后果。如果有一套蓄电池智能管理系统，让用户及早发现蓄电池的不正常状况， 并采取相应的措施，则这种成本可以大大降低。 在蓄电池管理系统中，关于电池状态有两个概念经常被用到：荷电状态s o c ( s “l t eo f c h a 塔e ) 和电池劣化程度s o h ( s t a t e o f h e a l t l l ) 。s o c 反映电池的供电能力，如可预测在现有负载条件下系 统还能运行多久。对于s o c 和s o h 的定义，目前还没有一个统一的标准。通常把一定温度下电池 充电到不能再吸收能量的状态定义为s o c 等于l o o ，而将电池再不能放出能量的状态定义为s o c 等于o ；s o h 则反映电池的预期寿命。它们都是相对量，定义如下： 脱：旦业 c “h s o h ：堕 c 式1 4 式1 5 上式中c r e m a i n 为剩余容量，c f l l u 为满充时电池所含容量。这里c f i l l l 是在一定的温度下， 蓄电池充满所能放出的最大电量，由于放电电流越小，电池所能放出的总电量越多，因此c f u 可以在足够小电流放电下测得 1 4 】。c r c m a i n 是满充容量c f u l l 减去放出的总电量c d - s 。当放电电 流i d i s 不是恒流时，总放出电量是放电电流对时间的积分： c 。= l i 。d t 式1 6 c m 为测量容量，c n 为蓄电池标称容量。s o h 定义中的测量容量是在标准条件下蓄电池满 充时所能放出的最大电量。 应当指出，测量容量是可以大于标称容量的。即s o h 是可以大于l 的。这时表示蓄电池可 以放出的能量大于标称容量，这在t i ，a 蓄电池的使用初期是非常普遍的现象。当测量容量达到 标称容量的8 0 以下时，便意味着也a 蓄电池寿命的终结。 1 2 1 蓄电池失效机制分析 一个蓄电池( 如6 节串，1 2 v ) 的失效，往往是内部一个单体电池失效造成的。引起蓄电池失 效的类型很多，而且电池在失效后，一般不能直观地被发现，从而延误对蓄电池的维护和修复， 导致不可挽回的损失 1 5 】。表1 - 2 罗列了单体电池可能的失效机制，及其对整个电池的影响。 表1 2 蓄电池单体电池失效类型及其影响结果 失效类型 描述 一 矫部现篆和结果 ；： 短路 电池内部两个极板之间低阻 似乎电池丢失了一个单体电池( 2 v ) 短路或接触 欧姆短路电池内部两个极板之间高阻充电过程正常。但当接负载放电时，电池 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 短路或接触通过欧姆短路快速放电 电池开路正极板氧化腐蚀，导致载流能整个电池的容量减小 力f 降 电解液损耗电池排气系统的故障引起的典型表现是容量逐步降低，最终导致完全 电池变干失去容量。 正极板损耗 充放电循环过程中，极板上的 容量逐渐减小 活性物质失去活性 硫酸盐化电池内部晶体生艮，增加了单高的阻抗减小电池容量。在一些情况f ， 体电池的阻抗。可以通过延长 硫酸盐化可以通过儿个完全充放电循环 充电或放电来消除消除。 表1 - 2 总结电池失效的现象，对于电池容量损失的机理，按照发生部位不同，还可以分为 1 6 】： ( 1 ) 正极板质量：包括活性物质软化脱落和正极板栅腐蚀和变形； ( 2 ) 负极板质最：负极膨胀剂变差、负极板硫酸化以及负极板钝化 ( 3 ) 铅枝搭桥 ( 4 ) 引出极柱温升与密封：包括极柱温升和极柱密封处漏酸 ( 5 ) 隔膜质量下降 ( 6 ) 热失控 1 7 】 随着科技的进步和生产工艺的改进，由于工艺方面的原因造成的蓄电池容量损失的因素已 逐渐得到改善，比如改进正负极板的组成成分，采用玻璃隔板等 1 8 】。然而，如果用户在使用过 程中，由于使用不当对电池造成的损害，则必须用另外的方法进行恢复。 1 2 2 现有一些蓄电池管理系统的构成 从前面的分析可以看出，蓄电池智能管理系统的目的是尽可能延长蓄电池的使用寿命，同时 向用户提供蓄电池的状态信息，作为用户的参考。对于一个铅酸蓄电池管理系统的具体构成，一 些文献提出了各自的一些构想。这些管理系统根据电池使用的场合的不同，具体的系统组成和结 构也不同。 目前，大约有9 0 以上的电动汽车采用也a 蓄电池，因此，文献 1 9 】介绍了一个车载蓄电 池充放电管理系统。车载蓄电池管理系统必须放置在汽车内，并且时刻保持对电池的管理。该系 统的概念设计基于以下几点： ( 1 ) 单体电池有差异性，因此电池参数也要根据不同单体电池分别考虑 ( 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 等。 ( 3 )数据记录 因此，文献 1 9 】提出的管理系统的功能包括电池寿命记录，充电监测，s o c 指示、测量，汽 车行驶过程中的蓄电池管理。文献【2 0 给出了电动汽车内，电池监控，电池管理，能量管理以及 他们之间的数据流的层次结构( 图1 - 3 ) ，并着重介绍了车载电池监控技术。 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 3 电动汽车内电池监控，电池管理，能量管理以及他们之间的数据流的层次结构 文献 2 1 则提出了一个不间断电源( u p s ) 中的蓄电池管理系统的设计。在它的设计中，主 要考虑了以下几个方面： ( 1 ) 通讯。采用调制解调器( m o d e m ) 对系统进行远程监控，同时在遇到紧急情况时能向外 放出报警。 ( 2 )快速，精确的容量预测。 ( 3 ) 安全性。由于电池电压浮地电位比较高，所有电压检测输入端都有保险丝，通讯线 和信号转发器之间都光耦隔离。供电电源也是磁隔离。 ( 4 ) 无人操作。所有管理过程都自动进行，不需要人工干预。 文献 2 2 】把智能蓄电池模块( s b m s ) 引入到蓄电池管理系统中，并提出了一个通用的蓄电 池管理系统的拓扑框图( 图l 一4 ) 。 从上面已经提出的铅酸蓄电池管理系统看，虽然由于应用场合不同，结构各不相同，但基本 都包括下面几个模块： ( 1 ) 充放电模块。主要给蓄电池补充能量，必要时放电。由于蓄电池的放电特性一般是 根据使用场合和负载固定的，且不容易改变，因此，改善电池状况的目标主要从蓄 电池的充电过程中实现。现有的一些研究成果表明，如果设计一套合理的充电系统， 采用合适的充电方法，蓄电池的寿命是可以大大提高的。充放电模块在已经提出的 蓄电池管理系统中并不常见，或者在蓄电池管理系统中，仅使用了普通充电器进行 常规充放电。如文献【2 2 】在框图1 4 中虽然包含了充电器，但是在实际设计的样机 中并没有包含这个整组电池充电模块。 ( 2 ) 电池监控。主要包括一些电池装体数据信息的采集，分析，存储，传输，显示等。 电池信息是对蓄电池进行管理的基础，显然，所有管理系统都包含这个模块。 ( 3 ) 均衡管理。主要针对串连电池组的每个单体电池进行监控，必要时，对其进行均衡 充放电，保证一组电池组中的蓄电池有较均衡的电池状态( 包括电压、s o c 、s o h 等) ，提高整个电池组的可靠性。 9 浙江大学颈士学位论支 第一牵绪论 图1 4 娥型蓄电池管理系统拓扑框图 第三苇本论文职究的主要内容 本论文主要针对阀控式免维护铀酸瞽电池组v r l a 在常规使用中出现的问题，试图设计一个 较为究磐的电池管理系统，该系统包括充电营理，电池监控、通信等技本，可以应耀于后备式蓄 电涎缀瓣宠毫帮进行缭护瞧譬理，逛掰毅对电力毫滚蘩搏电涟缝遵 予长裙戆营理。该警理系缓霹 以通过对电池组充电方式的控制，戳这到延长电池使用寿命，提高系统可靠性的弱的。在通信和 电力部门中，不但要嫩保证在系统掉电，需要蓄电池组投入工作时，瞽电池组能够及时有效的放 电，而鼠还要求能借助管理系统的功能实现蓄电池组的少维护或免维护。 本论支是在物潮硕士论文免缳护锻酸藿电撼蛰壤系统，潘巍智顼士论文耀控式锤酸藿 电蘧綮溪系统，罗毙毅疆士论文誉电沲管理系绞稻王伟硬士论文铅酸蓄毫涟管理系统实 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 现的软硬件研究的基础上完成的，主要是针对运行于备用状态的蓄电池组的管理维护。本文在 分析u a 蓄电池的充放电特性、失效模式基础上，提出更加完善的蓄电池多状态管理方案，这 一管理方案包括旨在提高蓄电池寿命的脉冲充电管理、电池状态监控和容量预测方案，为电池安 全可靠运行提供更加有力的保障。 本论文第一章叙述了二次电池的使用概况，例举了u a 电池在使用维护过程中出现的许多 问题，并提出现有的一些蓄电池管理系统组成框图。在第二章对铅酸蓄电池的充电方式进行讨论， 从电化学和麦斯理论出发，阐明了普通充电方式的不足和脉充充电对蓄电池有益的作用。并对脉 冲充电参数优化设计进行一些积极的探讨，在此基础上提出了变脉宽的脉冲充电策略。本论文在 第三章的一开始，提出了一套基于脉冲充电的蓄电池管理系统方案，并在第三章里对硬件的设计 作了详细介绍。论文的第四章在对铅酸蓄电池等效电路模型讨论的基础上，着重探讨了蓄电池 管理系统的智能管理控制部分的设计，包括程序流程图，人机界面，通讯接口等。最后，本论文 对蓄电池管理系统的改进和进一步应用作了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章铅酸蓄电池充电技术 第二章铅酸蓄电池充电技术 在负载和环境条件相同的情况下，充电管理的好坏，在定程度上决定了蓄电池的寿命。 因此充电管理是铅酸蓄电池管理系统里面最重要的组成部分之一。正如第一章指出的，许多文献 中提出的蓄电池管理系统并不包含充放电模块，这样的系统，其实不是一个严格意义上完整的蓄 电池管理系统，而称为蓄电池监控系统更合适。 第一节铅酸蓄电池充电控制方法 铅酸蓄电池的充电控制方法有很多，目前较为常用的充电方法有包括恒压充电，恒流充电 两阶段充屯( 恒压、限流) 三阶段充电( 恒压、限流、浮充) 以及脉冲充电等【2 3 】。 2 1 1 恒压充电 恒压充电是保持电池端充电电压恒定值的充电方法，其充电电流电压波形如图2 1 。对于 v i u a 蓄电池，恒压值一般取每单体电池2 4 5 2 5 v 。恒压充电的时候，充电初始电流很大。随 着充电进行，蓄电池电势和电解液密度逐渐上升。在充电末期充电电流较小。恒压充电较为容 易实现，且控制简单。但是由于电池等效串连内阻一般较小，初始电流很大，严重时可能引起极 板弯曲、活性物质脱落以及蓄电池温升过高，从而损坏电池；如果降低恒压值，虽然可以减小初 始电流大小，但是蓄电池并不能完全充满，造成充电不足，同样会缩短蓄电池的寿命。因此，恒 压充电一般用在小容量，低电压( 单体) 电池的充电。 2 1 2 恒流充电 l 盱# 日 图2 1 恒压充电的充电电流电压波形 恒流充电是用一个电流源对电池充电。充电电流保持在一个阶段恒定。它包括单一恒流充 电和分段恒流充电，如图2 2 。两者的区别在于，分段恒流充电的充电电流在一个充电周期中是 变化的，而单一恒流充电则保持恒定不变直到充电结束。单一恒流充电为了避免后期过大的充电 电流对电池损害，恒流值设定较低，因此充电时间一般较长，使得充电过程中蓄电池内部析气较 多，能耗高、效率低。分段恒流充电虽然可以根据充电状态调整，先以较大电流充电，并逐步减 j 3 浙江大学硕士学位论文第二章铅酸蓄电池充电技术 小，加速充电，电流趋势类似恒压充电，但是转换电流时机需要合理选择。目前常用的转换条件 包括电池电压和温升等，控制相对复杂，国外已经很少使用这种充电方法。根据恒流充电的特点， 其一般用在快速充电开始前的涓流充电或者串连电池组的小电流长时间充电。 列n 4时州 ( a ) 单一恒流充电( b ) 分段恒流充电 2 1 3 两阶段充电 图2 2 恒流充电的充电电流电压波形 为了避免恒压充电初始时的大的充电电流对电池的损害，大多数电池厂商推荐一种两阶段充 电( 也称恒压、限流充电) 的充电方法。即限制恒压充电的初始充电电流。等电池电压上升到恒 压值，再转入恒压充电，这个时候，充电电流逐渐减小，直到充电结束，其充电电流电压波形如 图2 3 。两阶段充电过程中，电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避 免损坏电池的极板。恒压限流充电是一种非常有效的充电方式，如果加上过充判断、浮充控制、 温度补偿等，就可以构成一个简单的电池管理系统。 2 1 4 三阶段充电 l 雌棚 图2 3 两阶段充电的充电电流电压波形 作为后备式的蓄电池，在很多时候处于不工作的状态，。事实上，即使在不使用的时候，蓄 电池也会通过内部等效并联电阻放电，容量随时间逐渐降低。只要在蓄电池两端加入恒定电压， 就可以补偿这种因为电池自放电而造成的容量损失，也即浮充。浮充的工作方式类似恒压充电， 从表明看，两者的区别仅仅在恒压值不同。但是和恒压充电的目的并不相同，它并不以恢复电池 容量为目的。浮充更准确地说应该是蓄电池的一种运行方式。它是直流电源系统中，与整流器设 1 4 浙江大学碗j ：学位论文 第二章铅酸蓄电池充电技术 各并联，作为支持系统工作的后备电源的蓄电池工作方式。蓄电池在浮充工作方式下，充放电循 环次数少，自放电和深放电的容量又能及时补足，活性物质利用率高，使用寿命长。浮充使用时 蓄电池的充电电压必须保持恒定值，在该电压下，充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电而 损失的能量。同时。应保证在相对较短时间内使放过电的电池充足电，这样就可以使蓄电池长期 处于充足电状态，不会由于欠充电造成容量损失。另一方面，该电压的选择应使蓄电池因过充电 而造成的损坏达到最低程度。因此，选择恰当的浮充电压对于蓄电池的使用寿命来说是至关重要 的。在两阶段充电的基础上再加入浮充充电阶段，就构成了目前蓄电池充电器常用的三阶段充 电( 也称恒压、限流、浮充充电) 【6 】，如图2 - 4 。 对于v r l a 电池的浮充电，当前无论国内还是国外均采用大致相同的办法，浮充电压通常 选取2 2 3 也2 8 v 。而且，修正浮充电压值对延长u a 蓄电池的寿命十分重要，浮充电压增加 0 1 v ，v r l a 电池的寿命将减少近半。因此，选取浮充电压一般选取厂家推荐值的下限，且要根 据温度进行补偿，补偿方法与均充电压温度补偿一样，以一4 m v o c 作为补偿系数。 li 叫削 图2 4 三阶段充电的充电电流电压波彩 为了减小浮充电压不当，造成的电池的过充电或欠充电，一个新的间歇性浮充( i n t e n n i t i e n t c h a 唱i n g ) 的概念被提了出来【2 4 】。间歇性浮充过程中蓄电池周期性地以恒流方式充满然后开路 一段时间，直到电池电压降到预设的下限值( 一般为9 7 荷电状态s o c ) ，下一个浮充周期开始。 电池开路期间，可以减小连续的电化学反应对电池损害。间歇性浮充的障碍还是充电参数的选择， 包括电压阀值和电流样式等【2 5 2 7 】。 图2 5 间断式充电一个充电周期电压( 上曲线) 电流( 下曲线) 波形 1 5 浙江大学硕士学位论文 第二章铝酸蓄电池充电技术 文献【2 8 】提出了对间歇性浮充改进的浮充方式一一间断式充电控制( i n t e m l p t e dc h a r g e c o n t r o l i c c ) 。间断式充电在恒流浮充后面，加入一个脉冲充电过程，如图2 5 ，保证电池不会 过充电或者充电不足。 2 1 5 脉冲充电 周期性脉冲电流旋加在蓄电池上的充电方式称为脉冲充电。它有两种类型，一种是只有正 脉冲，如图2 - 6 ( a ) ，另一种是在一个正脉冲后面，加入一个放电脉冲，构成正负充电充电，称 为r e 日e x 充电或b u r p 充电【2 9 - 3 2 ，如图2 - 6 ( b ) 。 ( a ) 正脉冲充电 ( b ) 正负脉冲充电( r e n e x 或b u r p 充电) 图2 6 脉冲充电电流波形 2 1 6 充电模式对蓄电池容量、循环寿命以及充电速率的影响 文献 3 3 用实验方法研究了两阶段充电和三阶段充电方法中，充电电流和电压对蓄电池循环 寿命的影响。这里，三阶段充电的第三阶段不同于前面提到的浮充充电，而是用一个小电流补充 充电。 实验结果表明，不管两阶段还是三阶段充电，最初的恒流充电电流越大，负电极容量越小， 循环寿命也越短( 图2 - 7 ) 。这种现象是由于负极板上硫酸铅到铅的转化不完全造成的，因此造 成的影响是可逆的。造成两者转化不完全的机理可以描述为：大电流充电，造成了极板孔隙中和 电解液主体的电解液浓度差，孔隙内高的硫酸浓度使硫酸铅的溶解度降低。从而引起充电反应所 需的铅离子浓度降低，降低了负极板的电流接受能力。 差 号 鬟 图2 - 7 初始充电电流| 1 对蓄电池负电极循环寿命的影晌 浙江大学硕士学位论文第二章铅酸蓄电池充电技术 图2 - 8 示出了第二阶段恒压充电电压对蓄电池负电极循环寿命的影响。显然，当负极板电 势低于- 1 1 v 时，蓄电池循环寿命减小了。文献 3 3 认为，造成这一现象的原因是恒压充电中的析 氢反应。 罢 号 删 杖 图2 8 恒压充电电压p ( 负极电势) 对蓄电池负电极循环寿命的影响 第三阶段补充充电电流对蓄电池负电极循环寿命的影响如图2 9 。在补充充电阶段，负极 板的硫酸铅完全转化为海绵状铅。实验结果表明，太大的补充充电电流使蓄电池负电极循环寿命 减小了。 图2 9 补充充电电流1 2 对蓄电池负极循环寿命的影响 针对这几种充电方法，文献【2 3 】对不同充电方法的充电效率进行了实验比较。用4 节2 6 a h 的铅酸蓄电池进行充电试验。实验的结果如表2 - 1 表2 4 。 表2 1 恒压限流充电电流与时间 i 充电电流( a ) 0 4 c0 5 c0 6 co 7 c0 8 co 9 c1 c i 充电时间( 分钟) 1 1 38 76 96 24 84 l3 7 表2 2 普通脉冲充电电流与时间 i 脉冲电流( a ) 1 5 - 31 8 4 2 1 4 1 2 4 52 7 53 0 6 浙江大学硕士学位论文 第二章铅酸蓄电池充电技术 l 等效电流( a ) 1 0 1 21 2 6 11 4 2 61 4 7 6 1 7 5 7 1 8 _ 3 l 充电时间分钟) 6 34 53 73 32 73 1 表2 3 普通脉冲充电工作频率与充电时间 工作频率( h z ) 充电时间c 分钟) 1 21 0 i 2 0 l 3 04 05 06 0 3 0 0 | 6 0 0 9 0 0 2 7 l 2 5 l 2 6 i 3 1 l 2 9 l 3 0 l 3 l l 2 42 12 5 表2 - 4 带负脉冲的脉冲充电占空比对充电时间的影响 时间 t l _ 0 5 t 2 = o 1 t 2 = o 1 t 2 = 0 2 t 2 = o - 3 t = 0 4t l - 0 5 t l = o 6 “= o 7 t l = 08 等效充电1 1 1 51 1 6 71 1 5 81 1 4 51 1 1 51 2 71 4 8 91 6 8 9 电流 ( a ) 充电时间 5 0 5 2 5 35 4 5 04 84 5 4 2 ( 分钟) 从上面的试验数据可以看出，影响充电速度的决定因素是电流的大小。而脉冲充电比恒压 限流充电充电速度快的原因是，脉冲充电由于给了蓄电池“歇息”的时间，能让电池内部发生化 学中和反应，从而能够允许在充电阶段能够用比较大的电流充电，加快了充电速度。而带负脉冲 的脉冲充电方法在相同等效电流情况下，对提高充电速率贡献不大，但是这种充电方法在充电过 程中给电池放电，削弱了电池在充电过程中极化现象，抑制电池温升，从而允许更大的脉冲电 流，并能有效延长电池寿命。 在电池充电的研究中，很多人认为大电流充电对电池的寿命会带来损伤，其实这种说法是 片面的。大电流充电本身不会影响电池的寿命，而是大电流充电引起的温度升高真正影响电池寿 命。因此在有一定冷却措施的情况下。在电池允许的电压范围内，采用大电流充电，并没有坏处。 采用脉冲充电，给了蓄电池降低温度的时间，从而能够允许大电流充电，大大提高了充电的速度。 脉冲充电是一种新型的先进充电方式，它的具体机理分析和应用将在本章第二节阐述。 第二节脉冲充电和蓄电池修复 通过对不同充电方式的比较可以发现，脉冲充电是一种先进的充电方式。本节将对脉冲充 电的机理进行阐述。 2 2 1 麦斯理论和蓄电池可接受充电电流曲线 脉冲充电最早的理论基础可以追溯到麦斯理论。1 9 6 7 年，美国人麦斯( j a m a s ) 研究了 充电过程中的析气问题，发现了析气的原因和规律 3 4 ，他以昂低析气率为前提，找出了蓄电池 能够接受的最大充电电流，和可以接受的充电电流曲线。 图2 1 0 为蓄电池在充电过程中，只持续产生微量气体的充电特性曲线。在充电过程中任 一时刻，蓄电池可以接受的充电电流为： 1 8 浙江大学硕士学位论文 第二章铅酸蓄电池充电技术 - i ，e l f 其中，i 。一一当卢0 时的最大起始电流： i 一一任意时刻t 时蓄电池可以接受的充电电流 a 一一衰减率常数，也称充电接受比 式2 1 图2 1 0 蓄电池充电电流接受特性曲线 这条曲线的现实意义在于表明了在充电过程中，实际充电电流超过这条电流接受曲线的部 分并不能转化为蓄电池的化学能存储起来，而只会促进电解水的反应，产生气体和温升，并不能 提高充电速率。相反，低于此电流接受曲线的充电将延长充电时间。 图2 1 l 中将这条充电接受曲线和前面介绍的几种充电方法进行比较。可以看出，这些充 电方法都会发生不同程度的析气现象( 图中阴影部分) ，造成蓄电池的寿命减少。当充电参数( 充 电电流和充电电压) 取不同时，这种析气现象的程度也不同。因此前面介绍的一些充电方法，都 不能做到即实现高效率充电，又不对电池造成损害。 时矧时m 甜剃时闷 图2 一”常见充电方法的充电电流曲线和充电接受曲线比较( 阴影部分为析气反应) 如果充电过程完全遵循充电曲线，对其进行时间的积分，可得到某个时刻t ，已充入电池的 电荷容量c s 。 浙江大学硕士学位论文 第_ 二章铅酸蓄电池充电技术 c = f 西= “e 一出= 鲁( 1 一e “) 式2 2 完全充满后，充入的总电荷容量c ，也即先前放掉的容量，得到充电接受比n 、初始充电 电流i 。和总充入电荷容量关系： 口：皂 式2 3 c 。 联立式2 2 和式2 - 3 ，消去1 0 ，则可以得到充入电荷容量c s 所需要的时间t 为： 一盟 船4 由于充电接受曲线的指数特性，使得充电后期，蓄电池可以接受的电流很小。这时，如果 想要充入更多电量，必须花费很长时间。 图2 1 2 给出了相同充电总充电电量下，不同充电接受比的充电电流接受特性曲线，充电 接受比a 越大，初始充电电流i o 也越大，相应充电接受曲线越陡。显然，最佳的充电方法是保证 充电电流完全遵循充电接受曲线。然而，如果充电接受比a 太小，初始充电电流i o 就比较低，则 需要较长的充电时间。为了提高充电速度，在总的所需充入电荷容量c 一定的情况下，同时不产 生析气反应的一个方法是提高充电接受比a 。 时渊 图2 - 1 2 不同充电接受比的充电电流接受特性曲线( c 一定) 充电接受比n 与多个因素有关。麦斯根据大量实验数据提出了关于蓄电池充电接受比的三 大定律，根据这三大定律，可以获得提高充电速度、防止过充电以及减少极化的最优的充电方法。 ( 1 ) 第一定律：蓄电池在经历任一放电电流后，其充电接收比n 与放出电荷容量的平方根 成反比，即： 口：垒 q c 其中，i ( o 为常数，又因为 ，o = c 口 式2 5 式2 6 浙江大学硕士学位论文 第二章铅酸蓄电池充电技术 所以， 厶：c 鲁碱厄 吖l 比例系数l ( o 可以用实验的方法获得。他的意义可以用下面的运算看出。 对蓄电池充电接受曲线在t _ o 处取导数，并代入式2 5 ，式2 7 ，得 ( 乳= 驴) i = o = 一砜一。2 式2 7 式2 8 式2 8 表明，i ( 0 实际表征了蓄电池在以一定电流放电后，充电接受曲线在充电初始点处的 斜率a 麦斯第一定律定量表明了，随着放电深度的不同，充电接受能力的变化。如果以相同大小 电流放电，则放出电量越大，充电接受比q 越高，可接受的充电电流越大。 ( 2 ) 第二定律：对于任何给定的放电深度，蓄电池的充电接收比n 与放电电流的对数成 正比关系，也就是： 口= 嘉l g ( 虬) 又因为，o = a c ，所以，第二定律可以写成 ，o = k i l g 厶) = x 石( 1 9 ( 七) + l g ( l ) ) 式2 9 式2 1 0 上式定量表明了，在放电容量一定的情况下，最大可接受的充电电流和放电电流的对数呈 线性关系上式还表明，蓄电池的充电接受比取决于它的放电历史，主要为放电电流大小和放电 深度。根据该定律可知，以小电流长时间放电的蓄电池，充电接受比低，相反，以大电流短时间 放电的蓄电池，充电接受比高。 ( 3 ) 第三定律：一个蓄电池经几种放电率放电，其充电接受电流是各种放电率下接受电 流之和，即： 同时满足 i l = i i + i ：+ 1 3 + 嘶= 鲁 其中：i t 一总接受电流 c t 一总放出电量 式2 1 1 式2 1 2 a t 一总的充电接受比 放电可以使全部放掉的电量c t 增加，但是同时使总的充电接受电流i t 增加，适当的放电， 将使i t 的增加比c t 的增加快。所以蓄电池在充电前和充电过程中，适量放电，将增加充电接受 2j 浙江人学硕