（计算机应用技术专业论文）电动汽车动力电源充放电技术研究.pdf

摘要 铅酸蓄电池是目前上使用最广泛的一种电动汽车用蓄电池，但由于其自身技术发展 滞后于当前电动汽车的发展，成为当前制约电动汽车发展的瓶颈，由于电池技术不能在 很短的时间内有较大的提高，因此当前研究的主要方向就是通过别的方式间接的增加蓄 电池的容量，即缩短充电时间：延长行驶里程。因此，本论文针对目f j f 蓄电池的实际情 况将电机、电力电子技术、计算机技术、控制技术和蓄电池技术相结合，通过对蓄电池 充放电过程进行控制，达到缩短充电时间，延长电池寿命和增加行驶里程的目的，达到 蓄电池增加容量的目的。 本论文的研究方法和内容如下： 1 根据铅酸蓄电池的电化学原理和数学模型，详细分析了己有的充放电理论和方 法，对原有的快速充电法进行了改进，结合工程实际设计了一种模糊控制器，使系统能 根据电池的状态，根据充放电过程的物理、化学变化，对充电进行过程中加入了放电过 程来消除极化以缩短充电时间。 2 在此的基础上将蓄电池充放电过程和双向s p w m 整流逆变技术相结合，使得放电 深度实现可控性，进一步减小了极化对快速充电的阻碍，缩短了充电时间，节约了能源。 3 最终根据蓄电池的充放电特性，以保证蓄电池寿命和电动汽车正常制动为前提， 将能量回收和电动汽车制动特性相结合，对最大回馈功率、恒定制动电流和恒定回馈电 流的不同控制方式下能量回收的方法策略进行了分析和研究，仿真结果证实了相关分析 和研究是可行的。 关键词：电动汽车、充放电、s p w m 、模糊控制、能量回收 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，l e a da c i db a t t e r yi su s e dw i d e l ya sak e y p o w e r o fe l e c t r i c v e h i c l e s ，b u tt h ed e v e l o p m e n to fb a t t e r y i sh a r dt om a k eg r e a tp r o g r e s s b a t t e r yb e c o m e st h e ”b o t t l e n e c k ”t ob l o c ke l e c t r i cv e h i c l e sd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c ho ft h e s i sa i m e da tt h e p r o c e s so fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gb a s e do nt h el e a da c i db a t t e r yp h y s i c o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，b i n d i n ge l e c t r i cv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i cw i t hp o w e re l e c t r i ct e c h n o l o g y ，c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ep r o c e s so fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt o r e d u c et h ep e r i o do fc h a r g i n ga n de x t e n db a t t e r yl i f ea n dm i l e a g e 1 t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea s p e c to fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n go fl e a d a c i db a t t e r y a l s ot h ec h e m i c a lp r i n c i p l e so fl e a da c i db a t t e r yi sd i s c u s s e di nt h et h e s i s b a s e do n f o r e n a m e dp r i n c i p l e si m p r o v e ds y s t e m so fc h a r g i n gh a v e b e e ni n t r o d u c e d ，t h em e t h o da c c e d e f u z z yc o n t r o la n do p t i m i z ec h a r g i n gc u r v e t oe n s u r et h es a f ea n dr a p i d n e s so fc h a r g i n g 2 b i n d i n gt h ep r o c e s so fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gw i t ht h ec o n t r o lt e c h n o l o g yt or u d u c e t h eb a de f f e c to fl e a da c i db a t t e r y p o l a r i z a t i o n a n da c h i e v eu n i tp o w e rf a c t o r a n dt h e d i s c h a r g i n gc u r r e n to f l e a da c i db a t t e r yc a nb es e tf r e e l y ，i tw i l lg r e a t l yc u td o w np e d o do f c h a r g i n ga n d m a k et h ev o l t a g eo fb a t t e r yc h e c km o r ea c c u r a c l y 3 f i n a l l y , c o m b i n i n gt h ee n e r g yr e g e n e r a t i n g ，l e a da c i db a t t e r y ，a n db r e a k e r , t h ee n e r g y r e c y c l i n gr e s e a r c h i nt h et h e s i sa r et oe x t e n dt h em i l e a g eo fe l e c t r i cv e h i c l e a tt h es a m e t i m e ，w es h o u l de n s u r et h el i f eo fb a t t e r ya n dt h en o r m a lw o r ko fb r e a k e r t h i st h e s i sw a sm a k e b e t w e e nt h ep r o b l e m sa n dm e t h o d so fm a xr e g e n e r a t i v ee n e r g yr e c y c l i n gc o n t r o l ，c o n s t a n t b r e a k i n g c u r r e n tr e c y c l i n gc o n t r o l ，a n dc o n s t a n tf e e d b a c kc u r r e n tr e c y c l i n gc o n t r 0 1 t h e s i m u l a t i o nr e s u l ta p p r o v e dt h ea n a l y z ea n dt h er e s e a r c hw e r ea d v i s a b l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，c h a r g e - d i s c h a r g e ，s p w m ，f u z z yc o n t r o l ，e n e r g yr e c y c l i n g i v 独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：名挚莛矽。7 年f 月歹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：匆惫惹 导师签名： 贺羔曜 溯7 年多月歹日 2 舯7 年厂月日 长安人学硕i ：学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 目前，我国对石油资源的需求逐年上升，但是目前己经探明的石油主要集中在西亚 地区，中国的石油储量占世界石油储量的比重非常的小，同时对外石油依赖路径已经形 成且难以改变，中国石油安全问题日益显现。许多专家已经预言在未来的1 5 年中急剧 抬高的石油价格将会引发一场石油储备的战争，为了加强国家的能源安全，新的能源将 会被更加广泛的研究，而与我们生活息息相关的是当今社会随着汽车保有量的不断增加 其在整个国家的能源消耗的比重也在逐年攀升，近l o 年来我国汽车产量平均增长 率保持在1 3 左右，保有量平均增长率保持在1 2 左右，我国目前汽车保有量为1 6 0 0 多 万辆，年产量为2 0 0 多力辆。摩托车年产量平均增长率保持在2 0 左右，保有量近1 0 年来平均增长率为3 2 ，目前已达到5 0 0 0 万辆以上。预计今后相当长的一段时间内机 动车辆将保持较高的增长速度。根据我国的国情在未来2 0 年内中国的大部分石油消费 将由交通运输业的需求带动，在所增加的石油需求中，2 3 的石油消费将来自交通运输 业，中国交通业消耗的石油将从1 9 9 9 年占全国石油消费总量的1 3 增加到2 0 2 0 年的5 5 。因此，减小汽车对传统能源的依赖，积极的展开对新能源的研究就成为当前的一个 世界性研究的课题。 为了减小对石油的依赖，一方面人们尽可能的完善燃油汽车，提高燃油利用率，另 一方面更加致力于对电动汽车的研制和开发，可以说电动汽车的产业化已经是众望所 归，只是时间上的问题。基于种种原因的考虑，目前许多国家己经将电动汽车的发展作 为国家工业发展的一项重大决策。中国也已经制定了关于在“十一五期问重点发展电 动汽车的决策，并将电动汽车的发展作为“8 6 3 发展计划的重大专项进行了开发，力 争建立新一代电动汽车产业化技术平台。为我国走出环境污染、能源紧缺阴影，提升汽 车工业竞争力而努力。 但是要实现纯电动汽车的大规模应用和工业化必须解决成本和持续里程两个问题。 动力电池组是电动汽车中成本( 生产成本和使用过程中的维护成本) 最高的一部分，同 时也是限制纯电动汽车续驶里程的根本原因，所以纯电动汽车的推广应用很大程度上依 赖先进电池及相关技术的发展。电池在过去几十年的发展中，性能和价格并没有取得重 大突破，纯电动汽车的发展目前没有达到预期的目的。所以对于纯电动汽车来说，对动 第1 章绪论 力电池组的充、放电进行合理的控制显得尤为重要，它能使纯电动汽车在现有条件下更 合理的利用有限能量，增加续驶罩程，延长动力电池组的使用寿命【1 j 【孙。 但就蓄电池而言，目前的局面是铅酸、镍氢、锂离子、燃料电池多种电源并存，铅 酸电池占据了主要地位，而在铅酸电池中在正常使用时，它的浮充寿命可以达到1 2 - 1 6 年，如果浮充电压偏差5 n 使用寿命缩短1 2 ， 由此可见，充电方法的选择对这类电 池的使用寿命有着重大的影响，常规充电的方法采用小电流慢充方式需要7 0 h 以上，进 行普通充电也需l o h 以上。充电时间太长，不但会拉长充电监测的时间、造成电能的浪 费，还限制了免维护蓄电池的循环利用次数，并增加维护工作量。采用智能快速充电方 法，根据蓄电池物理化学特性对其充放电进行有效控制，可以缩短免维护蓄电池的充电 时间，提高充电效率，节约能源，并提高免维护蓄电池的循环利用次数，具有重大的现 实意义。在保持蓄电池的循环寿命的前提下对蓄电池进行快速充电就成为电动汽车的一 项关键技术；同时在电动汽车运行过程中，由于工作过程就是加减速、制动、运行的几 个状态，在这其中减速和制动占据了一定的比例，根据电动汽车的制动要求，合理的将 制动和能量回馈相结合，就可以在一定程度上增加电池容量，达到有效延长行驶罩程的 目的。 1 2 电动汽车的发展及其关键技术 1 8 8 1 年的法国诞生了世界上第一辆电动车，但是由于技术的原因，在不长的时间里 燃油汽车就占据了汽车市场的绝大部分市场份额。近年来，随着许多电动汽车关键技术 的不断发展以及全球汽车生产商对电动汽车发展的重视程度不断加深，现代电动汽车己 经作为一种全新概念的交通工具被提上日程，它自身将会承担更多的功能，正因为这样， 电动汽车在发展中，必须面对并解决以下关键技术 1 l 3 1 ： ( 1 ) 车身设计 车身设计的工作早在一开始就将实用性和外观性联系在了一起。尤其在现代汽车要 求速度越来越快的情况下，对于汽车的空气动力学、行驶平顺性等方面考虑己经成为车 身设计的主要工作。在设计电动汽车时，应该在车身设计上多下功夫，力争使电动汽车 的无功损耗降低到最低点。 ( 2 )动力驱动技术 电动汽车主要是依靠直流电动机来驱动的，但是由于目前直流电动机的转速转矩 2 k 安人学硕i ：学位论文 变化范围窄，并不能满足汽车行驶的需要，所以国际上已经开始了关于电动汽车用交流 电机的研制的热潮，其中开关磁阻电机的研制，高效永磁同步电机交流电机都已进入试 用阶段；控制技术矢量控制和直接转矩控制技术己经在理论界得到了充分的验证和 肯定，技术也同趋成熟。随着技术的发展，电机和电机控制器也越来越成熟，电机向着 高电压、小电流、大功率、小体积、重量轻的方向发展，直流电机已逐渐被交流电机所 代替。控制器也向着智能化、集成化的方向发展。 ( 3 ) 能源供应系统 现代电动汽车经过数十年的发展，其各项标准己经基本达到了人们用车的要求，但 是却迟迟不能占据市场，最主要的原因就是现在的电动汽车的续驶里程不能满足入们的 要求。如何寻找或者研制一种更加优良的能源是电动汽车发展的一个极其关键的问题， 目前的局面是铅酸、镍氢、锂离子、燃料电池多种电源并存，铅酸电池占据了主要地位， 针对目前的市场占有情况如何合理的使用提高铅酸电池的寿命和效率，就具有十分明显 的经济和社会价值，而且随着铅酸电池生产技术的不断更新，新一代的卷式铅酸电池能 量比将大大增强，其充放电将变得越来越简单，因此本论文的研究将围绕铅酸电池展开。 1 3 电动汽车充放电技术研究概况 电动汽车充放电技术就是对蓄电池的输入输出进行合理的控制，达到节能、延长设 备寿命的预期目标。电动汽车的充放电技术对电动汽车的能源存储源免维护铅酸蓄电池 的充放电进行合理的控制，达到行驶里程和蓄电池寿命的最大化。 电动汽车充放电控制系统如同电动汽车的总体控制中心，它具有功能多、灵活性好、 适应性强的特点，从而可以非常合理地利用有限的车载能量，达到电池寿命和行使里程 的最大化。根据目前国内外技术发展的情况，主要是实现充电时间的缩短，电池寿命的 延长和持续行驶罩程的最大化，因此，问题归结于两个方面，一、根据电池充放电原理 缩短蓄电池充电时间( 快速充电技术) ，二、电动汽车运行过程中在保证制动正常的条 件下结合充放电原理进行能量的回收。 常规的充电方式包括恒压充电、恒流充电和将两者组合起来应用于不同时问段的混 合充电方式。从本质上来讲都是一种充电电流无法随蓄电池充电状态自动调节的单一模 式充电法，所以无法实现充电过程的最优化。 相对于常规充电模式而言，智能化充电模式根据电池生产单位提供的技术数据对其 3 第1 章绪论 整个充电过程进行控制，根据蓄电池的充电状态而动态跟踪蓄电池的可接受最大充电电 流及后期充电电压的变化，使得实际充电电流始终保持在最优值附近，从而保证了蓄电 池几乎在满足自身理论特性的状态下的充电【4 l 5 1 。 对于智能充电可以概括为：根据蓄电池的充放电特性来找到一种最佳的充电方式， 并且用合适的电力电子装置来实现它。前面是针对蓄电池特性的研究，后者是针对电力 电子装置的研究。这里的最佳的充电方式就是最佳的充电电压和充电电流的选取。智能 充电的作用是给标准蓄电池充电，它的功能是要求根据不同的电池，控制不同的状态， 自动检测电池端电压和端电流的值，经过处理后产生电压偏差和变化率信息，再经过模 糊处理，输出电流和电压的控制信息，实时、精确的控制充电过程【6 1 ，目前不少研究者 在这一方面已经做了大量的研究，但大多是基于不可控整流方式和功率因素补偿来实 现，对电网仍有一定的污染，其控制方式有待于进一步的提高。 1 3 1 充电技术与电动汽车 充电系统是电动汽车系统不可或缺的一个重要的子系统，目前几乎所有投入使用的 电动汽车都是使用的蓄电池作为动力能源，当电池电量消耗完毕就需要进行充电。目前 充电系统一个发展的趋势就是逐步与能量管理系统整合，最终使两个子系统成为一个子 系统。 充电系统对于电动汽车而言是不可缺少的子系统，当蓄电池的电能用完之后，就必 须使用充电系统对电池进行充电。而充电器的好坏则会直接影响蓄电池的充电效率和使 用寿命。由于电动汽车技术的不断发展，对于充电系统的要求也越来越高，为了适应电 动汽车的快速发展，充电系统研究的主要目标： 充电快速化：这是目前众多研究者着重研究的一个课题。在目前动力电池不能直 接提供更多能量来延长续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，这样通过充 电站的建设类似于现在的加油站，从某种意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致 命弱点。 充电通用性：在未来的电动汽车市场中，各种电动汽车所采用的电池中有铅酸电 池、锂离子电池，以及其他种类的电池，所以为了节省辅助设备的投入，充电系统就需 要具有充电广泛性，能够针对不同的电池进行充电。 智能化：这种要求也是任何技术发展的必然要求，充电系统应该能够自动识别电 池类型、充电方式、电池故障等信息。 4 长安人学硕l j 学位论文 集成化：目前电动汽车充电系统是作为一个独立的辅助子系统而存在的，但是随 着电动汽车技术的不断成熟，本着子系统小型化和多功能化的要求，充电系统将会和电 动汽车能量管理系统以及其他子系统集成为一个整体，从而为电动汽车其余部件节约出 布置空间并降低电动汽车的生产成本。 网络化：对于一些的公共场合，例如大型市场的停车场、公交车总站等等，为了 能够满足数量巨大的电动汽车充电要求，就必须配备相当数量的充电器，如何对这些充 电器进行管理并执行充电程序是一个不可忽视的问题。基于网络化的管理体制可以使用 中央控制主机来监控分散的充电器，从而做到集中管理，统一标准，降低成本的目的【7 l 。 1 3 2 电动汽车能量回收技术 结合电池充放电原理，根据电动汽车的驱动设备电机特性，在电动汽车运行过程( 减 速和制动时电动机工作在发电状态) 对其能量进行有效的回收利用，可以有效增加汽车 行驶里程，根据日本本田公司研究数据，对电动汽车能量进行有效回收利用，可使汽车 在u d d s ( u r b a nd y n a m od r i v i n gs c h e d u l e ) 市区发电工况下延续行驶罩程2 6 左右，。 因此，结合蓄电池充放电特性对其充放电过程进行控制就具有明显经济价值。电动汽车 在运行过程中，其输出功率会随着路况、环境等多种因素的变化而变化，同时在减速和 制动过程中对电机能量进行回收，根据负载变化动态调节蓄电池充电电流的大小，达到 延长行使里程的目的。目前日本丰田、本田公司和美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学以 及美国的国家航空与航天管理局路易斯研究中心在此领域的研究较为深入，我国近几年。 也在此领域展开了研究，如清华大学、北京理工、武汉理工等研究机构。 1 4 电动汽车充放电技术存在主要问题 当前电动汽车产业迟迟未能工业化的主要原因电池问题，当前的电池容量和体积 质量的关系不能满足电动汽车的需要，也就是说一定重量的蓄电池只能提供给电动汽车 有限的能量，致使电动汽车行驶里程太短，由于电池技术不可能再短时间内取得突破， 所以只能在短时充电和延续汽车行驶里程进行深入的研究，一方面，随着快速充电技术 的深入，可以使电动汽车像在加油站加油一样，在较短时间内补充能源，也可以采取在 公共的充电站更换蓄电池组来补充能源；另一方面，我们可以对运行过程中的能量进行 部分回收，通过对对电池充电的方式实现减速和制动，一方面延续行驶里程，另一方面， 可以拉大充电站之| 日j 的距离，减少充电站的建设 5 第l 章绪论 1 5 论文的主要内容 设计包括以下几个方面： ( 1 ) 对比分析了恒流充电、恒压充电、两阶段式充电、脉冲快速充电等方式的优 缺点，根据免维护铅酸蓄电池的充电特性，针对其特点研究一种充电方式实现对免维护 铅酸蓄电池快速、高效的充电。 ( 2 ) 建立应用于智能充电控制的模糊控制器模型。提出了针对充电的模糊控制模 式，从模糊控制的角度分析了模糊变量的选取、模糊规则的确定、模糊控制算法的实现 等相关问题。 ( 3 ) 给出s p i 删i 双向逆变整流的控制方案，交流侧电网电压和电网电流的仿真整流 波形，对其控制效果进行了对比和分析。 ( 4 ) 对电动汽车能量回收进行了较为深入的研究和分析，经过分析和比较，给出 了最大回馈功率下能量回收动态的方法。 1 6 本章小结 本章主要对电动汽车充放电技术的研究意义，研究的概况、存在的问题和论文研究 的主要内容作了简要的阐述。 6 k 安人学硕 ! 学位论文 第2 章铅酸蓄电池快速充电技术 目前针对电动汽车的发展瓶颈解决的主要问题就是电源技术，现有的电源技术难以 满足电动汽车行驶里程的需要，电池的容量质量比太小，若要达到和燃油相近的功率， 电动汽车的电池重量体积就要大大的增加，难以实用，而电池技术又难以在很短的时 间内取得较大的进步，解决的方案只能围绕现有条件下如何利用好蓄电池，就目前而言 解决的思路有两个，一个就是对快速充电技术的研究，使得电动汽车的能量补给如同在 加油站加油一样短时完成；另外一个就是充电站的建设，在充电站完成对电池的充电， 汽车只需在充电站花费很少的时间更换蓄电池动力电池。因此我们的快速充电技术也将 围绕蓄电池的物理、化学特性及其数学模型展开 2 1 蓄电池特性 蓄电池作为一种特殊的负载，首先要对其特征参数和充电特性有一个广泛而又深入 的了解，我们的控制也将围绕其物理和化学特性展开，以下对其分别进行介绍。 2 1 1 蓄电池参数 蓄电池的五个主要参数为：容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。 电池的容量通常用a h ( 安时) 表示。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的 电荷量，而活性物质的含量则由电池的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，其 容量也就越高。 标称电压是指电池刚刚出厂时正、负极之间的电势差。标称电压是由极板材料的电 极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态发生变化时，单元 电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定的关系。 电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充、放电过程中，极板的电阻是 不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。蓄电池 充足电时，极板上的活性物质已经达到饱和状态，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放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后， 电池还继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这时，极板上形成的生成 物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压与放电率有关，放 7 第2 帝铅酸莆i 乜池快速充i u 技术 电电流越小，终止电压越高，这样在小电流放电时若还以正常的放电终止电压进行判断 就容易造成过度放电，对蓄电池造成损害1 8 1 。 2 1 2 蓄电池充电过程中的化学和物理变化 1 ) 化学反应 蓄电池的充电，是在外加电压( 由充电电源所产生的) 的作用下，向电池内部充入 电荷，使得蓄电池极板上的活性物质发生化学反应。下面以免维护型铅酸蓄电池为例， 它在整个充电过程中，化学反应按下述形式进行： ( 1 ) 在负极板上：p b s o , , 塑至骂p b v + s 0 4 - 堡坠3p b + s 0 4 z 一 ( 2 ) 正极板上： p b s o 。鱼盟塑p b 2 + + s 0 4 z j ! 查垫p b 4 * + s 0 4 2 - 量业! ：堡曼i + p b o ：+ h 。s 0 4 总的反应方程式：2 p b s o 。+ 2 h ：0 = p b 0 2 + p b + 2 h ：s 0 t 以上两项反应称为主充电反应。具有主反应的化学过程叫做电池过程，这是充电时 所必需的。除了主反应外，在电解液中，还进行着所谓的副反应，它包括两方面，即： 正极板表面：如果( o h ) 一直接与极板上的正电荷作用，亦即失去电子，就会在极板的 表面产生氧气：2 ( o h ) 一一2 e _ h ：0 2 塑缝虬h ：o + o ：f 负极板表面：如果h + 直接与极板上的负电荷作用，亦即得到电子，就会在极板的表 面处产生氢气：2 h + + 2 e 型虬h ：f 显然，这个副反应就是水解反应，它在充电过程中是我们不希望有的。 2 ) 物理现象 随着充电化学反应的进行，还有一些物理现象产生，主要表现为电池的两极问发生 “过电压 ，即电池两极板间的电位差在充电过程中要比不充电时高一定的数值，该现 象对于每一个极板来说，就是指其电位偏离了平衡电位( 即空载时两极板的基本电位) ， 结果是正极板更正，负极板更负，形成所谓的“极化 ，所以过电压现象也称“极化” 现象。充电过程中的极化过电压，对充电电流来说是起阻碍作用的，它将使电流趋于减 小。因此，若从阻碍充电电流的角度来看，极化现象可分为三种情况： ( 1 ) 欧姆极化 指的是电池内部各个导电部分( 极板、隔板、电解液) 和外部连接部分( 柱头、连 线条) 上充电电流所引起的欧姆压降，此压降随电流的变化而变化。当充电电流停止时， 它立即降为零。 8 长安人学硕i ：学位论文 ( 2 ) 浓差极化 未充电时，电池电解液中各处的h + 与s 0 4 2 一离子浓度是均匀的。充电开始后，由于发 生了电化过程，其反应式子为： 负极：p b s 0 4 + 2 e p b + s 吼扣 正极：p b s o 一2 e p b o j + s 0 4 2 + 4h + 可以看出，在负极板附近生成了新的s 吼2 一离子，在正极板附近生成了新的s 0 。2 一和h + 离子，这就使得两极板附近的离子浓度升高，造成与其它地方( 如极板之间) 的电解液 的浓度发生差异，这就是所谓的浓差。根据电化学的详细分析，只要出现浓差，则电极 就会发生过电压。在充电时，正极电压会更正一点，而负极电压会更负一点，而在放电 过程中恰好相反。 由于充电过程中的电解液浓度差所造成的过电压，称为浓差极化。浓差极化对充电 电流所产生的影响，显然也是阻碍电流流入的，如果想消除浓差极化，只需要停充会 儿，让离子利用布朗运动进行扩散，或利用瞬间大电流的放电，使得电化学反应朝相反 的方向进行，达到新的平衡。 ( 3 ) 电化学极化 由前面的分析电池过程可以知道，溶解在电解液中的铅离子只有从极板上得到或失 去相应数量的电子之后，才可能在极板上生成新的活性物质，储备电能。铅离子与电子 是等电量消耗的进行化学反应，一个铅离子对应两个电子。电子传导的速度接近于光速， 比起化学反应速度来说要快得多，于是，在上述电池反应进行的过程当中，传导到极板 上的电子一定消耗不完而过剩，形成电荷的累积。极板上电荷的累积将使极板产生过电 位，正极电位更正，负极电位更负，这种电压被称化学极化。 电化学极化的过电压对于充电电流来说，当然是一个阻碍性的东西，它会使充电电 流趋于减少，这和浓差极化过电压的效果是相同的。由于极化反应产生的过电压，除了 阻碍充电电流，放慢了电池化学反应以外，还会引起如下的影响： 1 ) 副反应( 水解) 加剧，产生大量气体。在j 下极将产生大量的氧气，这些氧气除 部分排出电解液以外，其它部分吸附于正极板周围，形成一层栅栏，阻碍新的( o h ) 一与 p b 4 + 进行电池反应；同时，还因为氧气覆盖了未作用的p b s 0 4 的部分面积，降低了p b 弘的 溶解速度，从而阻碍了充电过程。 2 ) 副反应( 水解) 将产生大量的热量，使电解液的温度升高，而电解液温度的升 高，反过来又降低了电解水位，致使氧气和氢气更容易产生。 9 第2 章铅酸蒂i u 池快速充l 也技术 3 ) 副反应( 水解) 消耗的能量全是无谓消耗，降低了充电过程的能量、效率指标。 从以上分析可以看出，极化所产生的阻流、气泡、温升、能耗等等都是对电池极为 有害的，是阻碍电解反应的重要因素。此外，充电电流越大，则极化也就越快、越厉害， 对电池也就越不利。由于极化现象的存在，使蓄电池固有的可接受充电电流的特征曲线 具有以下局限性： 初始电流，。有一定的限制。 初始电流，。维持时间很短，并以一定速率衰减。 所以，要想提高充电电流的数值，必须想法消除极化现象。只有消除了极化现象， 才可能大幅度的加大充电电流，缩短时间，达到快速充电的目的1 9 1 。 2 1 3 电动汽车蓄电池组的数学模型 蓄电池的数学模型【加l1 1 1 对电动车用铅酸蓄电池，忽略电池极板的过电为，蓄电池组放电的外特性为： “= 舷一厶， ( 2 一1 ) 式中，为电池组负载时的端电压，邑为电池组开路电压，厶为电池组的放电电 流，r 为电池内阻。 由欧姆电阻和极化电阻组成的玩，r 均是放电深度d o d ( d e p t ho fd i s c h a r g e ) 的 函数，不同类型的电池其毛，r 对d o d 的关系曲线由放电试验获得。 一般规律为：随放电深度的增加，瓦缓慢下降，r 缓慢上升，接近电池放电中期， r 迅速上升。对电动车辆，d o d 的一般定义为： 。o d 。譬 协2 ， 式中c 为电池组4 小时率a h 容量。电池组的输出功率，输出功率效率为： 吃，一u b 厶一邑i b 一厶2 ， ( 2 3 ) ，小蕞 浯4 ， 电池的容量受放电率、电池温度的影响很大，在活性物质总量不变的条件下，电池 容量随放电电流的增大而降低。以a h 容量或w h 容量表示的电池容量。均是指某一放电 率下的容量。以铅酸电池为例，其放电电流与可放电时间的关系常用p e u k e r t 公式近似 表达： k 安大学硕i ：学化论文 l ”t k ( 2 5 ) 式中n ，k 为常数，n 在1 3 5 1 7 之间，k 由放电实验测得，t 为放电时间，温度对铅 酸电池容量的影响较大，在- 3 0 。c 至3 0 ( 2 范围内，电池温度每增减i 摄氏度，容量近似 增减百分之一 充电时，式( 2 1 ) 仍然成立，此时厶为负值，同样瓦、厶随着充电过程的进行而 变化，变化规律有实验方法获得。 电池组的能量利用效率常用电池的a h 效率和能量效率来衡量： 2 甓 浯6 ) 舞 浯7 ， 式中1 1 、互、u i 为电池放电参数；1 2 、互、u 2 为电池放电参数。 电池的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ) 是描述电池电量状态的一个重要参数。通常 把一定温度下蓄电池充电不能再吸收电量是的荷电状态( s o c ) 定义为荷电状态为 s o c = 1 0 0 ，而将电池不能再放出电量时的荷电转台( s o c ) 定义为s o c = 0 ，介于这两个 ， s o c 。二2 1 0 0 ( 2 8 ) 式中，e 为某时刻蓄电池的剩余电量： g 为蓄电池以某一放电电流放电时的初始总容量 由于c ，受到未来放电制度荷放电状态的影响，而未来的放电制度和放电状态在当前 时刻是无法预测的，因此，一般采用一个更加实用的s o c 定义： 恒流放电时，舳c 1 ；( 1 一l q e ) 1 。 ( 2 9 ) 变流放电时：舳q = s o c 一。一亳) 1 0 0 ( 2 - 1 0 ) 充电时：s o c 一如c 一- + 石方冬西) 1 0 0 ( 2 - 11 ) 式中：s o c 为电池第n 次放电后的荷电状态 第2 市铅酸莆l u 池快速充l 【i 技术 s o c 一。为电池第年次放电后的荷电状态 q 为电池第n 次所接受的电量 c f f ) 为电池已电流i 恒流放电的放电容量 q 为电池第n 次放电时所消耗的电量 q 2 ， 矽f + i r p 矽r ( 2 1 2 ) 其中，为蓄电池放电电流，r 为再生制动所产生的电流。 2 1 4 蓄电池的充电特性 如果在充电过程当中，以不产生气泡或微产生气泡为前提，亦即尽量减少极化，可 以写出蓄电池的允许充电特性( 即在不产生气泡或微产生气泡的前提下充电电流随时间 的变化曲线) 为： f ；t o e 叫 ( 2 - 1 2 ) 式中：卜一电池可接受的充电电流( 不会产生气泡) ，即允许充电电流； ，。t = o 时允许的最大充电电流，它由蓄电池的使用状态决定； q 称之为电池的充电电流接受比，又称固有接受比，它等于口= i c ，图2 - 4 中，为任意一种充电状态下，电池接受的充电电流，而c 为电池所需要充入的容量。例 如，对于全放电电池，当t = o 时，c c o ，i = i o 所以，a = ，o c o 。 从接受比口一i c 的定义可以看出，接受比意味着蓄电池允许充入的电流和应该充 入的容量之比，这个数值越高，表示电池的接受能力越强，充电的时间也越短。图2 - 1 中i 线所示为蓄电池的允许充电特性曲线，只要充电电流不超过这条曲线，电池就不会 产生气泡，否则就会产生大量的气泡，危及电池的安全。 严格的按照指数型的固有充电特性充电，在技术上有一定的困难和不便，只要充电 电流调整不及时，超出这条曲线所限定的数值，马上就会导致电池产生的气泡和温度升 高。产生气泡和温升的原因仍然如前所述的那样，是由于电池发生了极化的缘故，固有 充电特性是电池在充电过程中发生极化与否的分界线，充电电流的数值一旦超过它，极 化就严重起来，马上就引起电池产生气泡和温升。常规充电时，由于充电电流远远小于 固有特性的数值，所以基本上不会产生极化，自然电池也不会产生气泡和温升，但是， 充电时间却拉的很长。所以目前所用到的充电方法都是取一个折中，电流既不能太大， 不然就会损伤电池，也不能太小，否则耗时太长。 1 2 长安人学硕i ：学位论文 2 1 5 铅酸蓄电池放电特性 蓄电池在使用的过程中，无论是大电流的放电或小电流的放电都会对铅酸蓄电池造 成损害，大电流放电易造成正活性物质脱落，实际上就是p b s o 。晶体从板上脱落下来， j 下极活性物质的使用寿命决定于放电时生成的p b s o 。的结晶条件。放电时，生成的 p b s o 。是疏松层，那么，充电时生成的p b o ，就是租晶粒的坚固物质，放电时，若形成 的p b s 0 4 是紧密层，那么，充电时生成的p b o ，将以树枝状晶体生长，这种晶体在充电 末期和放电开始由于微观和宏观的热应力的影响易脱落。根据蓄电池当时状况，适当降 低蓄电池放电电流，可以有利于疏松的p b s o 。晶体的生成，延长蓄电池的寿命。 当蓄电池进行小电流放电时，容易造成蓄电池的放电终止电压过高，此时若还根据 正常的放电终止电压进行判断，就容易造成过放电，蓄电池达到正常的放电终止电压时， 极板上的p b s o 。大量形成，堵塞了大部分反映孔道，这是若继续放电，正极极化作用加 大，电位大幅度降低，此时暴露在电解液中的板栅覆盖层的p b s o 。钝化层变成多孔的 p b s 0 4 ，电解液浸过这些孔使铅板接触而腐蚀，引起蓄电池寿命的下降。 2 2 快速充电技术 从充电器的发展来看，主要经历了以下几种充电模式1 4 1 1 2 i ： 特定曲线充电( 针对具体蓄电池类型制定的特定充电曲线) 、恒流充电、恒压充电、 恒流限压充电( 充电到限定电压后，通过减少充电电流限制电压上升) 、恒压限流充电 ( 充电电压恒定，充电电流始终小于限定值) 、先恒流后恒压充电( 先恒定电流充电， 当充电到指定电压时转为恒定电压充电，即两阶段充电方式) 、脉冲快速充电。 2 2 1 快速充电原理 快速充电的特性曲线如图中i i 所示，它是通过改造蓄电池固有的可接受充电电流的 特性曲线。尽可能地延长蓄电池可接受的大电流时间曲线来达到缩短总的充电时间的目 的。 1 3 第2 市铅酸蒂i u 池快速充| 乜技术 图2 - 1 快速充电曲线 图2 - 1 中i i 线超出了蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线( 斜线部分) ，按照 马斯理论，超出部分的电量将用于产生气体析出，造成蓄电池极板活性物质脱落损坏。 发生这种现象的根源是伴随着大电流的介入，电池的极化现象严重地阻碍电解化学反应 的进行，最终将导致蓄电池的不可逆反应，为了使持续大电流能顺利地进行充电，就必 须对蓄电池充放电过程进行控制，在一定程度上消除大电流引起的极化现象。解决极化 问题是大电流快速充电技术的关键，也是当前条件下电动汽车能否推广的瓶颈问题。 大电流充电与极化现象是一对矛盾，这对矛盾将存在于蓄电池充电的全过程。极化 现象破坏了蓄电池化学反应的可逆性。消除极化现象主要采取的方法有： ( 1 ) 强制消除。可逆电池是指当电解池中电流反向时化学反应亦随之反向。在大 电流充电过程中，强制电流反向，即对蓄电池实施瞬时的一定深度的放电。在这个过程 中、蓄电池j 下负极板上尚未参加化学反应的多余电荷各自向着与原来充电相反的方向运 动，极板上原来积累的多余电荷将迅速减少。因而电化学极化将被消除或减弱。同时， 在放电过程中，电解质中的正负离子也会向着与原来充电相反的方向运动，起到了搅拌 电解质溶液的作用，可以有效地控制浓差极化，蓄电池将把一部分因欧姆极化而形成的 热能转移到负载上，也可以有效地控制蓄电池的温升。 ( 2 ) 自然消除。在大电流充电过程中、让蓄电池瞬时停止充电，欧姆极化将迅速 消失。同时，对由于电荷运动、离子迁移和化学反应速度而引起的差异而产生的电化学 极化和浓差极化起到缓冲作用。 ( 3 ) 反馈控制。抑制出气和温升是快速充电所要解决的两大主要问题。而实践表 明，两者与蓄电池在充电过程中所产生的端电压有很大关系。在消除极化的前提下，单 格电池电压达到2 3 v 以前，其出气量和温升并不显著。因此，通过检测蓄电池在充电 过程中所产生的端电压，并以此为反馈指令来控制充电电流是适宜的。反馈的目的在于 持续大电流充电一段时间以后待蓄电池处于出气阶段适时地降低充电电流，使之按指数 函数衰减，可以在充电后期有效地抑制出气和温升。 2 2 2 快速充电方法 快速充电是通过尽可能地延长蓄电池所固有的可接受初始电流的持续时间来 实现的。在这段时间里，所要解决的问题是消除极化，而消除极化的主要手段是对蓄电 池实施放电，放电量一般为窄而深的放电脉冲。采取的具体方法有 9 j ： 1 4 k 安人学硕i j 学位论文 按引进放电脉冲的时刻不同分为充电后期引进放电脉冲法和充电全过程引进放电 脉冲法；按引进放电脉冲的具体方案不同，又分为固定电阻为负载实施放电方式和逆变 放电法。 1 充电后期引进放电脉冲法：采用这种方法，是在充电前期以恒定的大电流进行充 电，当反馈系统检测出蓄电池的端电压达到一种“极化点 时，实施放电。 2 充电全过程引进放电脉冲法：采用这种方法，是在充电全过程实施放电脉冲去 极化。整个充电过程按照“充电停充放电停充充电 这一既定的程序 周而复始。 权衡这两种方法，显而易见第二种方法更为合理、科学。这是因为： 第一，极化电压是伴随大电流的介入而产生。在大电流充电的初期，极化电压 就已严重存在，不及时予以处理，大电流充电在其初期就难以进行。 第二，采用第一种方法，反馈系统检测出的蓄电池的端电压包含有整流叠加电 压的成份，该值随充电电流大小而异，以此作为指令控制充电过程并不能真实地反映出 蓄电池电动势的增长状况。 第三，经验表明，所谓“极化点 并不是一个固定的量值，不同容量的蓄电池，以 及蓄电池的残余容量不同，其极化点也不尽相同。 3 以固定电阻为负载实施放电法：这种方法的具体电路如图2 2 所示，充电装置 中设置一个固定电阻r ，开关k 闭合，蓄电池组e 对负载r 放电。 k r 图2 2 以固定电阻为负载的放电电路 4 逆变放电法：逆变放电法所用电路如图2 - 3 所示，蓄电池组e ，通过开关k 闭合向 交流电网逆变放电。 图2 3 逆变放电电路 比较上述2 种方法，可以发现电阻放电存在的弊端有： ( 1 ) 放电脉冲量的最佳点无法确定。放电脉冲既然存在一个量的最佳值。放电脉 1 5 第2 节铅酸蒂i 乜池伙速充i 【l 技术 冲的深度和宽度对消除极化的效果影响甚大，其值太小难于消除极化，而其值太大不但 降低充电效率同时又会引起新的极化电压。理论上来计算这个最佳值是十分困难的，加 之蓄电池的型号、规格、新旧程度、充电速率等各种因素各异。各个生产厂家的试验数 据表明放电深度以1 c 为宜( c 为蓄电池当前的额定容量) 。而电路中的电阻值尺一经确 定，放电深度即随之确定，充电装置将难于与各种型号、规格的蓄电池组相匹配，即难 于寻求放电量的最佳值。 ( 2 ) 放电脉冲的深度无法满足。 经过对比分析，在本设计中采用s p l i r m 技术用于技术对蓄电池充放电控制，达到快 速充电的木的采用该技术的装置对电网产生污染很小，并网电流波形是完美