（检测技术与自动化装置专业论文）机车电池智能充电保护系统的研究.pdf

中文摘要 阀控铅酸蓄电池以其密封好、无泄漏、无污染及无需维护等优点得到了越来 越广泛的应用。我国铁路机车用蓄电池多采用此种电池，由于使用不当及缺乏相 应的智能管理设备，蓄电池过充电、欠充电现象严重，这使得阀控铅酸蓄电池的 优点不能得到充分发挥。因此，研制一种简单易行的机车电池智能保护系统成为 铁路运输部门亟需解决的一个重大课题。 本文总结前人多年来的研究成果，结合实际，对现有研究方法进行了改进， 设计出了针对阀控铅酸蓄电池这一特殊电池的智能快速脉冲充电系统，并在电池 组的管理当中引入模糊推理和计算理论。首先，通过放电检测蓄电池组中单节电 池内阻，测得的电池内阻值可作为同组电池组中各单节电池相对落后与否的判断 依据；之后，通过建立模糊控制器，加上放电电流这一电池内阻影响因素对测得 内阻值进行模糊推理，作出整组电池工况恶劣程度的判断，也就是电池状态的绝 对落后性判断。 现场试用结果表明：基于本文研究成果设计的机车电池智能充电保护器极 大改普了电池组的充电效率，有效的避免了过充和欠充现象，较好的解决了落后 电池的监测管理问题，延长了电池使用寿命，使机车电池的维护管理工作更科学 化、智能化。 关键词； 阀控铅酸蓄电池快速脉冲充电模糊控制落后电池 a b s t r a c t t h ev a l v er e g u l a t e dl e a d - a c i d ( v r l a ) b a r e r yh a sb e i n gu s e dw i d e l ym o r ea n d m o r eb yr i g h to fi t s s t r o n gs u p e r i o r i t yi na i r p r o o f , l e a k p r o o f , n o n p o l l u t i n ga n d m a i n t e n a n c e - f l e ec a p a b i l i t i e s m o s tl o c o m o t i v eb a t t e r i e si no u rc o u n t r ya l es u c hk i n d o fb a r e d e s b u tt h ep h e n o m e n o nt h a te i t h e ro v e rc h a r g i n go rn o tc h a r g i n gf u l l yo n s u c hb a t t e r i e si sv e r ys e r i o u s l yb e c a u s eo ff a l s eu s i n go rl a c k i n go fi n t e l l i g e n t m a n a g e m e n td e v i c e sr e l a t i v e l y , a n dt h i sm a k e si th a r dt ob r i n gt h ev r l a ss u p e r i o r i t y i n t op l a yf u l l y s od e v e l o p i n gak i n do fs i m p l ei n t e l l i g e n tp r o t e c t o rf o rt h ev r l a b a t t e r yh a sb e e nb e c o m i n gar a r i n gp r o b l e mt or e s o l v ef o rt h er a i l a g ed e p a r t m e n t s a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e ra m e l i o r a t e sc u r r e n tm e t h o d sa n d d e s i g n sa ni n t e l l i g e n tq u i c kp u l s er e c o v e r ys y s t e mw h i c ha i m sa tt h es p e c i f i cb a t t e r y - v r l a a n da l s o ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u z z yc o n s e q u e n c ea n dc o m p u t i n gt h e o r y i nt h em m m g e m e n to f t h eb a t t e r yp a c k f i r s to f a l l ，t h es y s t e md e t e c t se v e r ys i n g l eb a t t e r y sr e s i s t a n c eo f t h eb a t t e r yp a c k b yd i s c h a r g i n gt h eb a t t e r i e sw i t had e f i n i t ec u r r e n t t h er e s i s t a n c e sd e t e c t e de a r lb e r e g a r d e da st h eg i s t sw h i c hw i l lb eu s e dt oj u d g ew h e t h e rt h es i n g l eb a t t e r yi sd e l a y e d r e l a t i v et ot h eo t h e r so f t h es a n l eb a t t e r yp a c k a n d t h e n ，t h es y s t e mu s e sf u z z yc o n s e q u e n c et op r o c e s st h er e s i s t a n c e sd e t e c t e d a n dt h ed i s c h a r g ec u r r e n tw h i c hi n f l u e n c e st h eb a t t e r yr e s i s t a n c eg r e a t l yb yb u i l d i n ga f u z z yc o n t r o l l e r t h u si tc a ng e tt h ej u d g e m e n tc o n c l u s i o na b o u tt h ew h o l eb a t t e r y p a c k ss t a t e t h ef i e l dp r o b a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n tl o c o m o t i v eb a t t e r y c h a r g e p r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt h et h e o r yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e rc a l li m p r o v e t h ec h a r g ee f f i c i e n c yo f t h eb a t t e r yp a c ka n da v o i dt h ep h e n o m e n o ne f f i c i e n t l yw h i c h t h eb a t t e r i e sa r ee i t h e ro v e rc h a r g e do rn o tb e e nc h a r g e df u l l y a n di tc o u l dp r o l o n g t h eb a t t e r y sl i f eo b v i o u s l y a l l & t h i sm a k e st h em a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tw o r k o f t h e b a t t e r i e s o n t h e t r a i n m o r es c i e n t i f i c a n d i n t e l l i g e n t k e yw o r d s ：v a l v er e g u l a t e dl e a db a t t e r y , f a s tp u l s er e c o v e r yc h a r g e ，f u z z y c o n t r o l ，d e l a y e db a t t e r y 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。也不包含为获得鑫鲞盘茎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匐山寒、 签字日期： 西 年，月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基建盘茔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) 导师签名： 签字日期：口，年厂月，口日 隶一 日 ， ， ) 月 、融一， 孙 年 链以 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 第一章绪论 i i 引言 第一章绪论 铅酸蓄电池以其性能良好、原材料丰富及价格低廉等优势长期在蓄电池行 业中独占鳌头。但是开口式电池存在三大缺陷：一是充电时，水分解为氢气和氧 气溢出，失水失容，维修作业量大；二是板栅腐蚀，寿命太短；三是容易漾漏， 酸雾弥漫，故障率高，且污染环境。这些缺陷导致了铅酸蓄电池市场的萎缩，正 是这种挑战，客观的加快了阀控铅酸蓄电池问世的历史性进程。1 9 7 1 年美国盖 茨公司首先推出了f 鼹 空铅酸蓄电池( v r l a ) ，蘸着8 0 年代初大容量阀控电池的 生产和应用，阀控电池迅速进入固定型电源、汽车、摩托车、动力牵引以及铁路 机车等领域，并已在某些领域取代干电池和碱性蓄电池。到2 0 世纪9 0 年代中期， 阀控电池的销量已经占据行业主导地位【5 】。 我国研制、生产阀控电浊始于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代中期洱控电池已在 通讯、电力、汽车等部门铺开，生产和使用都有了相当的规模，也为铁路部门展 现了明朗的运用前景。1 9 9 5 年1 1 月铁路机务部门召开了可行性研讨会，拉开了 阀控电池开辟新领域的序幕。阀控铅酸蓄电池优越的性能及良好的综合经济效益 使其逐渐取代了传统的涂膏式硅胶蓄电池及碱性镉镍蓄电池等，成为内燃机车 用蓄电池的酋选【l ”。 阀控电池性能的发挥，需要一个良好的运行环境条件，这是由于阀控电池的 贫液、阀控、紧装配等基本特点，也伴生着一些十分娇气的毛病( 负面效应) ， 从而对阀控电池的运行条件提出一些具体要求，显然，这是可靠发挥阀控电池内 在优势的必要前提。 贫液，就怕失水( 失水则引起失容，内阻大过热) 、怕过放( 硫酸盐化极板， 在酸度过低条件下，容量很难恢复) ； 阀控，就怕过充( 容易大量逸气、失水、正极板腐蚀) ： 紧装配，就怕过热失控( 氧循环去极化作用会使浮充电电流提高而散热条 件又远比开口电池差) ： 在上述三者以及制造工艺性差、使用不当( 如温度高、浮充电压高时的过充 电，导致正极板腐蚀) 等因素的共同作用下，落后电池的产生也是必然。 另一方面，阀控铅酸电池在机车上运用环境条件十分恶劣，既要受机车运行 第一章绪论 地域( 温度与振动条件不同) 的影响，更要受阀控电池在机车上运用时间、运行 工况以及维护条件变化的左右。 另外，在阀控铅酸蓄电池的维护充电过程中的不合理操作也会造成蓄电池的 故障与损坏，多年的应用过程中，安全阀压力偏低引起失水，进而导致失容或热 失控故障、正极板栅过充腐蚀故障、过充电故障等均有发生，而且，就阀控电池 报废数量而言，也支持“十几年来，国产阀控电池不是用坏的，而是充坏的”这 一流行论点，下面两个典型事例也充分说明了这一点。 1 电力机车电池热失控。郑州机务段，s s 8 型机车电池发生膨胀故障。解 剖发现缺水，个别的极板长大，碰到负极板的汇流条，有的极板变形，下部短路。 造成这种状况的原因是夏天电力机车的机器间温度高达5 0 6 0 ，而电力机车 的浮充电电压规定为( 1 1 0 v 5 v ) ，少量浮充电电压为1 1 5 v 的机车，阀控电池 出现失水、进而发生热失控故障。 2 武昌机务段现场试验的电池。1 9 9 8 年6 月进行容量检查，充电规范是2 4 v 节充电，电流降到5 6 a ，两小时保持不变。但有的机车有2 4 v 抽头，相关厂 家提出应允许以小电流单独补充一些。某厂人员由于对阀控电池不了解，以较大 电流做较长时间的充电，结果，容量检查结束时，发现这组电池漏液，随后由于 整组容量不足，被迫更换。造成这种故障的原因是利用老式地面充电设备，对阀 控电池进行补充电，容易出现过充故障。这部分阀控电池的确是充电充坏的，而 不是用坏的【1 7 】。 此外一些因充电方式不合理及阀控铅酸电池管理落后等造成的蓄电池过早 报废等故障也屡见不鲜，表l l 列出了我国内燃机车阀控铅酸蓄电池常见故障。 因此，研制一种新型的针对内燃机车阀控铅酸蓄电池的智能保护器成为当前 铁路运输部门亟篙解决的问题，通过表1 2 所列内容可以看出当前内燃机车阕 控电池的现状和亟待改善的迫切要求。 表l 一2 所列事实及分析也充分说明： ( 1 ) 现有的电压调接器是为机车上的众多电器服务的，其任务仅仅是提供1 1 0 v 直流电源而已根本没有考虑，也不能满足表1 2 所列的复杂智能要求。 ( 2 ) 必备的运行环境条件是阀控电池优良性能发挥的前提，而机车现有条件却 不具备，这种矛盾只有借助完善的接口技术才能解决。因此，专门设计为蓄电池 服务的智能电器，全面创造发挥阀控电池性能的运行环境条件是一个刻不容缓的 问题。 2 第一章绪论 表1 1 五项典型故障及其原因分析 序故障种类主要原因次要原因或说明 1 南方夏季存在过充，安全阀压 由于机车浮充电压 失水力普遍偏低( i l o v 2 v ) 全路一致，而 南方夏天环境温度很高所致 后天引发因素： 后天引发因素； 浮充电运行的规律性 季节性欠充失容( 北方冬 规律性失容失容：失水失容；器质性老化 天) ；2 4 v 抽头电池失容；停 2与落后电池 先天内在因素；制造工艺离散 放及机车备用时自放电失容 性( 空载电压差大，容量不均， 硫酸盐化及其它故障 自放电率不均等) 3 检修照明机车维修过程，照明用电过量过量放电，p b 9 0 4 转化为不 用电时失容 可逆的大型晶粒 电力机车热先出现失水，进而发展为热发生在机器间温度高达5 0 4 失控失控事故6 0 。c 时，浮充电电压为1 1 5 v 的少量机车上 5过充膨胀地面过充；浮充电压过高持续时间很长 表1 2 阀控电池的运行要求和工作环境 项目对环境要求机车条件评价与注释 浮充电内燃机车 基本满足( 含机车充电线 充电电压2 1 2 2 5 v ，节 2 2 5 0 0 4 v r 5 自路降压2 v 左右) 环境均衡充电无不能满足 2 4 0 v 节 充电电流( 另： 不能满足( 电解液密度不 检测环境起动电功率工作参数轻载电压可以入 能测，轻载电压不准，且 为测量) 非工作参数) 环境湿度一4 0 + 4 0 ( 最好一柏+ 6 0 不能满足( 必须适用，故 2 5 左右) 充电电压须有温度补偿) 运行振动 能自行适用( 贫液、紧装 环境不高振动较为强烈 配特点，能更好适应运行 条件) 维修环境 希望有自动维护要求无 不能满足 第一章绪论 1 2 国内外电池能量管理系统方案及进展 针对蓄电池的能量管理系统主要有以下几个功能： ( 1 ) 电池状态的监视和估计，特别是对剩余容量的估计； ( 2 )电池的充放电控制，根据电池当前的状态决定充放电的电流及截止时间， 避免对电池的损害； ( 3 ) 电池状态的监视和报警，监视各个电池单元的状况，必要时进行报警和自 动实现平衡充电等； ( 4 ) 监视管理各种用电装置，调配各仪器装置的用电量。 国外很早就开展了深入相关的研究，随着现场总线技术的成熟和相关芯片的 问世，国外迅速推出了功能全面、适应性更强的新一代能量管理系统。本田公司 在其开发的电动车电池管理保护系统上综合考虑了电池自放电、温度、电池老化 等因素的影响，但需要对铅酸电池有较多的经验知识；日本c h u g o k ue l e c t r i c c o i s l e 技术研究中心开发的铅酸电池状态指示器，结合安时法和内阻法来估计剩 余容量；韩国s a m s u n g a d v a n c e di n s t i t u t eo f t e c h n o l o g yc o r er e s e a r c hc e n t e r a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sl a b 开发的s o c 指示器，采用的是p u k e r t 方程结合安时 法；香港大学d e p t e l e c t r i e a le l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 研制的智能电池管理系统，与 韩国人的方法相比，考虑了温度和老化的因素。 目前国内对蓄电池智能保护器及其管理系统的相关技术尽管探讨的很多，但 研究的方法和手段相对比较落后，工作比较粗浅，尚无真正达到可实用的系统。 国内也曾开发成功过类似系统，终因商业前景不佳而消亡。当前国内针对内燃机 车阀控铅酸蓄电池的智能保护装置多数功能单一。或者功能虽多但是体积过于笨 重，雨且价格过高。因此，研制一种简单有效的针对机车阉控铅酸蓄电池的智能 充电保护系统就显得很有必要。 1 3 本课题研究的内容和创新 本课题所要研究的主要内容是针对铁路内燃机车阀控铅酸蓄电池组的集充 电及落后监测管理于一体的智能充电保护系统。对于阀控铅酸蓄电池组的充电 用智能化的动态跟踪电池状态的方法，选择符合电池充电曲线的充电电流和充电 电压，采用快速脉冲充电的方式，大大缩短充电时间，提高充电效率；对于蓄电 池的管理，首先通过检测蓄电池内阻方式得出蓄电池组中各单节电池内阻，对电 池组中各单节电池相对落后性作出判断，找出本组电池中相对于其它电池落后的 第一章绪论 单节电池 然后综合放电电流，建立模糊逻辑推理模型，结合实践经验和专家数 据，对测得的数据作出合理科学的评价，从而判断电池组电池的工况。同时，系 统中还留有同上位机通信的r s 2 3 2 接口及打印机、i c 卡等，用以进行各种数据 的传送及存储，使电池的监控和管理更加科学化、智能化。 本课题所要研究的主要内容有： 1 阀控铅酸蓄电池充电方法的确定和研究； 2 阀控铅酸蓄电池组各单节电池内阻的测量； 3 模糊推理模型的建立： 4 电池工况的评价。 本课题的创新点有； 】针对内燃机车阀控铅酸蓄电池，设计一种集快速充电及智能保护于一体 的智能化装置； 2 精确数据与模糊推理相结合，通过建立模糊推理模型对电池状态进行判 断，对电池做双向比较，运用模糊规则对电池最终状态作出科学判断。 1 4 本褓曩研究的目的和意义 针对国内铁路内燃机车阀控铅酸蓄电池充电及保护相对较落后的现状，研制 一种集快速充电及智能保护于一体的智能化充电保护装置，更大程度的发挥阔控 铅酸蓄电池的优势，提高蓄电池的管理水平和维护手段。 本课题的研究意义在于利用先进的模糊推理理论，建立模糊规则对蓄电池状 态进行判断，并在充电过程中采用快速脉冲充电技术，大大缩短了充电时间，较 有效的防止了蓄电池的欠充、过充现象；优化了蓄电池状态的监控手段，使得蓄 电池的管理工作更加科学有效。 电池的管理工作更加科学有效。 第一二章蒯控铅酸蓄电池的充电系统没计 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 2 1 阀控蓄电池的原理及结构特性 在进行课题的研究之前，先对阀控铅酸蓄电池的原理和结构作一简单介绍。 2 1 1 两控铅酸蓄电池的电化反应原理 1 主反应 铅酸蓄电池放电和充电过程是通过电化学反应来完成的，其主电化学反应如 下： 放电 正极；p b s 0 4 十2 h 2 0 p b 0 2 + h 2 s 0 4 + 2 一+ 2 e 负极：p b s 0 4 + 2 h + + 2 e 一p b + h 2 s 0 4 充电 正极：p b s 0 4 十2 h 2 0 一p b 0 2 + h 2 s 0 4 + 2 h + + 2 e 负极：p b s 0 4 + 2 一+ 2 e 一p b + h 2 s 0 4 铅酸电池充电时会同时进行下面的副反应： 正极：h 2 0 - - 1 20 2f + 2 一+ 2 c 。( 充电到7 0 容量，电池电压达到2 2 7 v 开始析出氧气) 负极：充电2 w + 2 e - - h 2f ( 充电到9 0 容量，电池电压达到2 3 5 v ，开 始析氢) 。 2 副反应 副反应就是“电解水”反应，仅发生在充电过程。阀控电池的理论突破就是 从控制副反应开始的。 充电时，负极板上还原的铅，活性很好，具有充分吸收氧的能力，这就是“氧 循环理论”的源头。“氧循环理论”的原意是：充电后期正极板出现水电解时， 产生的氧气经由可靠的传输途径，到达负极板，为活性铅所吸收，并进一步还原 为水的循环过程，也就是说，阀控铅酸蓄电池的主要技术为氧循环理论【1 7 】。 3 氧循环理论 充电过程后期，氧循环的关键，在于阴极对氧的吸收，有两种机理： 居主导地位的是阴极海绵状铅吸收机理( 如图2 1 所示) ，氧气扩散穿过未 6 第二章瞄控铅酸蓄电池的充电系统设计 饱和电解液的超细玻璃纤维隔板，到达负极，与海绵状铅发生化学反应，生成氧 化铅；氧化铅又与硫酸反应生成水合硫酸铅( 使负极荷电量减少，电位降低，具 有抑制氢气析出的效应) ；新生的硫酸铅在充电状态下，再次被还原为海绵状铅。 这就是著名的氧复合原理，电化反应如下1 1 ：r l ： 正极 v b s 0 4 马p b 0 2j 翌塑塑l 堕琴o ：f 充电i 气相扩散 p p b s 0 4 _ p b0 2 f 亡j 一 。l 负极| b h ：o j l h 2 s o + p b 0 2 图2 一l 氧气的阴极吸收反应原理 其次，不排除氧扩散到负极后，由于充电状态下的负极扳充斥着电子，氧直 接还原。与一离子结合生成水，如下式所示： 1 2 0 2f + 2 i - g + 2 e 一h 2 0 由此可见，正极板由于电解水产生的氧气，被负极板活性物质吸收，并在充 电过程中还原咸水，从总体上看。电池的化学组份并没有变，但正极生成的氧气， 却被阴极吸收回归于水，完成了循环过程，这个理论正是密封电池的基本原理。 a g m 隔板、贫液、紧装配、a b s 强力材料等技术则使氧循环理论的工程实 现变为现实，因而使得密封电池技术进入了产品化阶段。 2 1 2 两控铅t 譬电池的结构特性 1 开路电压与荷电容量、硫酸密度 阀控电池的保有容量测量，已经无法再用测量硫酸密度的方法，只能沿用 测量开路电压的方法，由于电池的实际状态变化很大，因此，这种测量的推导结 论只能是近似豹( 对容量判断的准确率约为5 l o ) ，如表2 一l 所示，但对 于进行电池质量问题分析，基本是有效的f 。 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 表2 1 开路电压与祷电容量、硫酸密度关系 实测参数推导参数 开路电压( v )保有容量( c 5 )硫酸密度d ( g c m 3 ) 2 。1 4 51 0 0 8 1 3 0 ( 3 9 7 1 2 1 2 58 8 8 1 2 8 ( 3 7 4 、 2 1 0 57 6 8 l 。2 6 ( 3 5 0 ) 2 0 8 56 4 81 2 4 ( 3 2 5 8 ) 2 0 6 55 2 8 l 。2 2 ( 3 0 1 3 1 2 0 4 54 0 8 1 ，2 0 ( 2 7 6 8 1 2 0 2 5 2 8 81 1 8 1 9 9 51 6 8 1 1 5 ( 经验公式)c 5 1 0 0 一6 ( 2 1 4 5 一v 测) d v 一0 8 4 5 2 放电的时间与电压关系 实际就是放电曲线，以1 5 ( 5 小时放电率) 放电为例，放电曲线可以划分为 三个特征不同的阶段，如表2 - 2 中所示。 表2 - 2 放电过程三个阶段的不同特征 放电阶段起始点 初始中期后期 持续时间 o0 0 4 0 4 44 5 ( h ) 稳定迅速下降 平稳下降快速下降 微孔与极板表面 酸浓度下降与外部扩散补反应向深层扩 电压变化隔板中与微孔内充速度接近，但活性物质消 展，微孔口阻塞， 特征的酸浓酸浓度迅 耗。反应的实际面积减小，生成的p b s 0 4 导 度相同速下降电流密度加大，超电势( r 1 )电不良，内阻 渐渐加大( r 1 ) 加大 关系式v o =v = v o i r r v 为电池放电时的端电压，v o 为电池开路电压， d + o 8 4 5i 为放电电流，r l 为表现电阻) 在电池放电过程中，正、负极上的电荷各有独立的变化规律，两者的电压 可以使用氢电极、镉电极等参比电极进行测量，通常： ( 1 ) 电池电压随着酸的减少程度而下降，放电电流越大，下降越快； ( 2 ) 电池放出容量6 0 左右，正极分压下降率开始加大； 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统醴计 ( 3 ) 电池放出容量9 0 左右，负极分压上升率开始加大； ( 4 ) 电池放电到终止电压对，电压下降o 3 o 4 v ，其中，正极分压下降韬度占 主要比例者，说明电池容量主要受正极限制；反之，负极上升幅度占主导地位者， 说明电池容量主要受负极限制。 2 2 阀控铅酸董电池充电系统的设计研究 阀控铅酸蓄电池的特性与普通铅酸蓄电池相比既有相同点，也有其特殊之 处，这决定了对阀控铅酸蓄电池的充电方法与普通方法相比要有其针对性。在展 开此研究之前，需要先了解铅酸蓄电池的基本参数。 2 2 1 蓄电池的参数和定义 1 容量 放电期间蓄电池释放能量，放出能量的大小用容量表示。一般容量用下列方 程来表述： c w h = 【e ( t ) ( t ) d t ( w t ) ( 2 - - 1 ) 其中e - - 电压( v ) i 一放电电流( a ) t 一放电时闯( h ) 它描述了蓄电池的输出能量。实际上通常只测量电流的输出，因为它更方便， 并且在大多数情况下足以进行比较。这样的容量定义是： c w h = 【i ( t ) d t ( a h ) ( 2 - - 2 ) 要推导出能量输出值，必须要指出有关电压来补全上述定义的“a h 容量”。其相 应的参数是： 初始放电电压： 接遇负载那一时刻的电压。对于铅酸蓄电池，一般定义为放出电量达1 0 容量之后的电压，此时已经通过了不规则的初始电压，即“电压瞬降”阶段。 放电终止电压t 放电终止时的电压。为测定蓄电池的放电性能，由电池生产者规定放电终止 电压。也可以由电池用户按使用要求指定。比较任何容量数据一定要考虑放电终 止电压。 平均放电电压： 在整个放电期间电压的平均值( 平均放电电压电流= 放电能萋) 。 第二章阀控钳酸蓄电池的充电系统设计 中点放电电压： 放电放出5 0 容量之后的电压( 一平均电压) 。 标称容量或额定容量z 蓄电池的标称容量或额定容量是由电池生产者规定的表征电池特性的标准 值。般规定用恒定电流在2 0 或室温下的放电容量作为额定容量。 剩余容量； 高倍率放电很大程度是由相对较慢的扩散过程决定的。为了均匀一致，放电 需停止一段时间，在此之后可以用低倍率继续放电，或者一定限度下以高倍率继 续放电。蓄电池在第二阶段所放出的电量被称为剩余容量。 2 充电参数 充电过程主要是由三个参数决定的t 充电电流 4 2 充电电压 蓄电池温度 ( 1 ) 充电接受能力，充电一电流效率 “充电接受能力”或“充电一电流效率”表述了蓄电池实际所能接受的电流 份额，并且可以在随后的放电中放出来。它是由充电反应动力学参数和同时发生 的副反应动力学参数之间的制衡来决定的。充电接受能力不是一个常数，其大小 主要取决于蓄电池的状态。 ( 2 ) 充电效率 由于存在着副反应，蓄电池的充电效率从来没有达到过1 0 0 。通常使用既 能达到完全充电又有好的充电效率的充电方法，充电时间是一个重要参数，效率 用下式表示： 安时效率q a h = 可用容量a h 需要输入的电重a h 或者其倒数： 安时充电系数aa l i = 需要输入的电量州可用容量a h 对于许多领域，蓄电池放出的能量是更重要的参数。可用下式表示： 瓦时效率nw i l = 可用能量( w h ) 需充入的能量w h 或它的倒数： 瓦时充电系数ow h = 需输入的能量w l l 可用能量啪 ( 3 ) 充电的时间与电压关系 实际就是充电曲线，以1 5 充电为例，充电曲线可以划分为几个特征不同的阶 段，如表2 - 3 所示。 l o 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 总的说来，充电电流越大，电池电压上升越快，充电时间越短，同时充电后 期保持的电压也越高，消耗在两极极化，内阻压降( 生热) ，特别是电解水更是 有害无益，都明显的加大了充电能量损失，因此，充电后期改为小电流充电。不 过，极板硫酸盐化或在低温条件下充电，充电电压上升很快，并不表示电量已经 充足，只是表示活性物质难于转化【4 】。 表2 - 3 一般充电过程三个阶段的不同特 正 充电起始初期中期后期 阶段点 析氧点析氢点充足 持续时间 oo o 50 5 4 5 4 5 以上5 5 以上6 5 ( h ) 低，稳迅速平稳上 加速上升快速上升逐步稳定 定上升升 进入充电后负极扳上极板上的 微孔反应向外部期，正极板p b s o 更少，相p b s o + 已 与隔生成扩散效上p b s o + 不 应溶解并提供 经很少， 板中酸，极应使酸 多，相应溶给电化学反应相应溶解 的酸板表浓度缓 解并提供给 的p b 2 + 匿乏，反 并提供给 电压变化浓度面与慢上升电化学反应应极化更强，当电化学反 特征相同檄孔的p b 2 + 开始充入电量达9 7应的p 铲+ 内酸匮乏，反应，电压2 4 5 v更少，反 浓度极化增强，时( 开口电池电应的极化 迅速充入电量达量为9 0 ，电很大，以 上升7 0 ，电噩压2 3 3 v ) ，阀h 2 0 分解 2 1 7 v 时，控电池的析氢 成 1 2 、0 2 析氧副反应副反应开始发为主导反 开始发生 生应 v 0 =v = v 0 一i1 0 f v 为电池放电时的端电压，v o 为电池开路电压，i 关系式 d + o 8 为放电电流，r t 为表现电阻) 4 5 2 2 2 铅酸蓄电池的充电方式 常规方式可分为恒流充电或恒压充电及其变型。常规充电制度是依据1 9 4 0 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 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 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，这个现象对蓄电池充电所必须的最短 时间具有重要意义。 一般来说，常规充电有以下3 种【“。 1 恒流充电 图2 2 为恒流充电曲线图。充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电， 该电流是用调整充电装置的办法来达到。这种维持电流的方法，从直流发电机和 硅整流装置中都能得到实现，其操作简单、方便，易于做到。这种方法特别适合 于由多数电池串联的电池组，落后电池的容量容易恢复。 但是恒流充电有它的不足之处，即开始充电阶段电流过小，在充电后期充电 电流又过大，整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗商。充电时间 不超过6 5 。尤其对于免维护阀控铅酸蓄电池不寅使用该方法。 图2 2 恒流充电曲线 2 恒压充电 恒压充电方法是每只单节电池均以某一恒定电压进行充电，如图2 3 所示。 因此，充电初期电流相当大，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。此方法较简单，因为充电电 流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达 8 0 ，如充电电压选择得当，充电时间在8 h 左右。 恒压充电也有其缺点： ( 1 ) 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电 器的安全，电池也可能因过流而受到损伤； ( 2 ) 若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间长，不适宜串联数 量多的电池组的充电，对于本课题的研究对象- 4 8 只阀控铅酸蓄电池串联而成 第二章阀控铅酸蓄电池羽充电系统设计 的电池组来说，此方法显然不合适； ( 3 ) 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电狠难完 成。 恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。 图2 3 恒压充电曲线 3 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 ( 1 ) 二阶段法：采用恒电流和恒电压相结合的充电方法，如图2 - 4 所示。首先， 以恒电流充电至预定的电压值。然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段 之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 ( 2 ) 三阶段充电法：在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。 当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减 到最少，但作为一种快速充电方法，使用受到一定限制。 图2 4 二阶段充电法曲 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 2 3 阀控铅酸警电池充电方式的确定 在了解了阀控铅酸蓄电池的基本参数和充电方式之后，可以看到，内燃机车 用阀控销酸蓄电池由于其本身不同于普通铅酸蓄电池，加之工况复杂恶劣，要求 较高，故而采用传统的充电方式不但不能充分发挥阀控铅酸蓄电池的性能优势， 甚至会适得其反，加速阀控铅酸营电池的老化，显然这与初衷背道而驰。 2 3 1 智能充电方式 在传统的充电技术中，没有动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流大小 的技术。智能充电就是动态跟踪电池可接受的充电电流，应用d u d t 技术。充电 系统由充电器与被充电电池组成二元闭环回路，充电器根据电池的状态确定充电 工艺参数，充电电流自始至终处在电池的可接受充电电流越线附近，使电池几乎 在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损伤。d u ，d t 检测，就 是在充电过程后期。检测蓄电池端电压单位时间的变化量，如图2 - 5 所示为铅酸 蓄电池的充电特性曲线畔】。 图2 - 5 铅酸蓄电池的充电特性曲线 对于铅酸蓄电池，在充电后期d u d t 很小，越是充电完全，d u d t 越小，只 要确定了d u d t 值，充电的深度就基本确定。 2 3 2 快速脉冲充电原理 在短时间内将蓄电池充足电，既不能用恒流大电流，也不能用较高的恒定电 压。否则会使电池很快升滠，损伤电极和浪费电能。快速充电是使电流以脉冲方 第二章阀控钳酸蓠电池的充电系统设计 式输给电池，并随着充电时间的延续，电流有一个瞬时间的大电流放电( 称为负 脉冲) ，使电极去极化。 1 9 6 7 年美国人j a m a s 以最低析气率为前提，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，如图2 - 6 所示，方程见式2 - 3 ： i=ioe(2-31 式中 i 一任意时刻t 时蓠电池可接受的充电电流 i o 一最大初始可接受充电电流 a 一衰减率常数，也称充电接受比 圈2 - 6 铅酸蓄电池充电接受曲线 图2 - 6 所示是一条自然充电接受特性曲线，超过这一充电接受曲线的任何充 电电流，不仅不能提高充电速率，而且会增加析气，小于此接受曲线的充电电流， 便是蓄电池具有的储存充电电流【3 0 】。 由式2 - 3 可知充电至某一时刻t 时，蓄电池所得电量c t 一【i d t = 【f o e “d t = i o ( 1 一e _ 砒) a ，则完全充电电羹c 即先前放掉的电量( 也称放电深度) ，有： c = l h - m r o ( 1 一e 1 ) a = v ( 2 - 4 ) t - - m 由式2 - 4 可得： a = i o ，c m a s 由实验提出：蓄电池以任一绘定电流放电， 最c 的平方根成反比，即： = k 4 c 式中k 为比例常数。由式2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 可得： ai o = k 2 对式2 - 3 在t = 0 处求导，得到下式： 譬k = ( i o e ) 酽k 2 i 一”7 9 旷。 于是有： ( 2 - g ) 其充电接受率a 与放电容 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 _ 8 ) 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 k = 厢 ( 2 9 ) 由式2 - - 9 可知常数k 的意义为充电接受特性起始点( 产o ) 处的负值方根。 以上分析可以看出，a 随放电深度丽变，如以同样电流放电，则放出电量 越多，a 值越大，那么充电接受电流也越大。而要提高充电速度缩短充电时间， 就要相应增大蓄电池可接受的充电电流，而增大电流要防止出气率和温升超出指 标，就只有想办法提高蓄电池的充电接受率a 。 m a s 还指出：对于任何给定的放电深度，蓄电池的充电接受率a 与放电电 流的对数成线性关系，即 d = k l g ( k i a ) 4 c 佗1 0 ) 式中k 、k 均为常数，可由实验取得。由式2 - 5 和2 一l o 可得； i o = k 4 clg(kl。)(2-11) 可见，充电接受率a 取决于其先前放电率以及放电深度。当以小电流长时 间放电，n 值低；丽以大电流短时间放电，a 值高。 因此，蓄电池在充电过程中采取电量相对很小，面幅度较大且时间很短的放 电措施，将恢复或提高蓄电池的充电接受率，从而增大了充电电流，加快了充电 速率，也就是说在快速充电中，进行短暂的停充，在停充中加入放电脉冲，这就 是脉冲快速充电的基本方法【3 ”。 2 3 3 阀控铅奠蓄电池的充电制度 如图2 7 所示为一种常见的阀控铅数蓄电池充电制度。控制电流阶段和随后 的控制电压阶段是主要部分，然后是用高的电压进行附加充电和可选择的均衡充 电【4 】。 如图所示，起初，使用恒定电流进行充电，直到平均电压达到2 3 5 v 。电流 大小约，0 7 1 5 ；当电流降至0 0 6 1 5 ，开始进行“附加充电”，方法是恒流脉冲充电， 特征是脉冲时间逐渐递减。在此期间，电压的高低不受限制，并且会升高至2 6 v 左右。这个期间的充电一定程度相当于均衡充电，其目标是使电池全部充满电。 电流大小约为o 1i s ，但不要超过内部氧循环速率，尽可能使失水量保持在最小 值。 图中所示的最终的“均衡”充电是可选择迸行的，用于再充电后并不使用的 蓄电池。 锥形充电部分： 1 6 第一二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 锥形充电的充电电流随着蓄电池电压的增加而下降，充电曲线里“锥形” ( 如图2 - 8 所示) ，充电方法由此得名。若使用无调节装置的充电器，主电路电 压的波动会引起充电电流相应的波动，甚至是更为强烈的波动，为简化电路，对 本课题对象f 圉控铅酸蓄电池来说此段过程改为脉冲充电。 电流( l ) 锥形充电 脉冲附加 充电时间 充电 充电 图2 - 7 阔控铅酸蓄电池充电程序 充电时间 图2 - 8 锥形充电电流和充电电压 电( 选择) 对于本课题，要实现对电池的智能充电，图2 7 所示充电程序中锥形充电部 耵 抽 拈 “ = ： ” ：； 抽 抽 第章阀控铅酸蓄电池的充l 乜系统设计 分就不太合适了，需要做适当改进，具体内容见2 3 5 充电控制规律的确定一节。 2 3 4 运用过程的充电特征与状态检测 蓄电池起动功率、容量检测的运用管理标准，是维修保养制度的核心，影响 因素很多，但机车的使用工况与充电特征，对阀控电池质量动态的影响，无疑占 据主导地位。 阀控电池在机车上运用，容量变化规律相当复杂，去除机车运行地域( 振动 与温度等条件不同) 的影响，主要是随蓄电池在机车上使用工况相应变化，表 2 - 4 是机车电池组一般充电机制持续充电时的特征和规律【l ”。 表2 - 4蓄电池在机车上的使用工况与充电特征 电池充电前充电工况充电接受持续时间或充电电流特点 的使用工况能力规律实际电流 起动柴油机 1 浮充电马斯曲线约十几分钟初始电流可达百余安 2 2 3 2 3 0 v 培 浮充运行一均衡充电智初始电流不大，逐渐 个月或发现 2能保护器： 正态曲线数小时上升( p b s 0 4 比例减 落后电池时 2 4 0 v 小) 到最大值，再沿 马斯曲线下降 3均衡充电( 5 0正态瞳线电流小于同上 长时间照明c 。以内) 0 8e 。 用电 均衡一小恒 电流为 4 流充电( 7 0指数曲线 1 2 1 4c 。 电流始终不大 c 。以内) 地面充电( 恒 附：落后电压限流2 4 0 v 池单节 5至2 5 0 v 或 指数曲线数十小时 电流始终不大 小恒流监护 充电) 在了解了机车电池的工况及充电要求后，就可以确定最终的充电方案了。 第二章阀控铅酸蓄电池的充电系统设计 2 3 s 充电控制规律的确定 根据m a s 的充电曲线，理论上充电起始电流应尽可能大，但实际由于蓄电池 内部结构参数及充电装置和供电系统的限制起始电流不能过太；其次，充电末 期电流也不要太小，以免延长充电时间。 反映蓄电池内部状态和接受能力的特征参量很多，如出气率、温升、电解液