（电力电子与电力传动专业论文）基于双向变流器技术的蓄电池充放电装置的研究.pdf

i n v e s t i g a t i o no f c h a r g e a n dd i s c h a r g ef o rb a t t e r y b a s e do n t e c h n i q u e s o fb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r a b s t r a c t w i t ht h em o r ea n dm o r ew i l d l y u s eo fs t o r a g eb a t t e r y i n e v e r y f i e l do f n a t i o n ，h o w t o c h a r g e t h e b a t t e r yq u i c k l y ，s a f e l y a n d e f f i c i e n t l y b e c o m e v e r y i m p o r t a n t d i r e c tr e e t i f y i n g o r r e c t i f y i n gu s i n gt h y r i s t o r i s a d o p t e db y m o s t t r a d i t i o n a lc h a r g ed e v i c e t h o u g hi t h a sc o m p l e t et e c h n i q u ea n dl o wp r i c eu s i n g t h a tt w om e t h o do f r e c t i f y i n g ，i t a l s oh a s m a n yd i s a d v a n t a g e s s o ，h i g h f r e q u e n c y , h i g he f f i c i e n c y a n ds m a l lv o l u m e a h i g h - e f f i c i e n c y , h i g h p o w e r a n d e n e r g y s a v i n gp w m s t o r a g eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g es y s t e m i s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r g i n gp e c u l i a r i t yo f b a t t e r y ，w ea d o p t et h ei n t e l l e c t u a lc h a r g ea n dd i s c h a r g em e t h o do fw o r k i n g m o d u l e a n dw o r k i n gp a r a m e t e re x p e d i e n t l yi n s t a l l e dt om a k et h ec h a r g i n gc o u r s es i m u l a t e t h eb e s tc h a r g i n gc u r v e t h i sp a p e rr e s e a r c h st h ep r i n c i p l eo ft h r e e - - p h a s ev o l t a g e - s o u r c er e v e r s i b l e p w mi n v e r t e r t h ec o n v e r t e rb a s e do nt h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) i s d e s i g n e d f o rt h er e q u i r e m e n to fr e a l c o n t r o l ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mi sw r o t ew i t h t h et i c o m p a n y s c o m m o m d i g r a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，s ot h e r e a l c o n t r o l 、a d j u s t a b l ep o w e rf a c t o r 、c o n s t a n tv o l t a g ea n dc u r r e n to u t p u ta n d t w o - w a yt r a n s t o r m a t i o no fe n e r g ya r er e a l i z e d i no r d e rt of u l f i l lw o r k i n gm o d u l e a n dw o r k i n gp a r a m e t e rc a nb ei n s t a l l e d ，m s p 4 3 0 f 1 4 9a l s om a d eb yt ic o m p a n yi s c h o o s e d i ta l s oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nw i t hp c y o um a y g e tt h eo p e r a t i n gs t a t eo f d e v i c eb yp c o nt h eb a s i so fd e d u c i n gt h er e v e r s i b l ec o n v e r t e r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e li sa c h i e v e d t h ec h o i c eo fc o n t r o ls t r a t e g ya n dd e s i g no f m o d u l a t e r f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ec o l w e c t n e s so ft h ep r o p o s e d c o n t r o ls t r a t e g ya n ds i m u l a t i o n k e yw o r d s ：b a t t e r y , c h a r g ea n dd i s c h a r g e ，a d a p t i v ef u z z yp i d ，b i d i r e c t i o n a l c o n v e r t e r ，p w ma c d cc o n v e r t e r i i 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金壁王些盍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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 雳乞蝴期溯啪g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 至些盔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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲锄疙毛 导师签名 签字日期：) 础年f 月6 日签字日期：肿月占日 学位论文作者毕业后去向： 主篡主呈? 左学蜘毒；i 硎6 j ：蓁 通讯地址： 衄编 致谢 两年多的硕士研究生生涯即将结束，回忆起这几年来走过的路，真是感慨 颇多。在此我要首先对导师张兴致以深深的敬意和感谢，在这两年多的学习期 间，导师严谨的科学研究态度，广博的理论知识，丰富的工作经验，务实的工 作作风，使我受益匪浅，是他们把我一步步带向科研的正途。张老师不仅在学 术上教导我，而且也非常关心我的生活，使我从他们身上不仅学会了许多科研 的方法，还学会了很多做人的道理，这些都是我终身难忘的。用词良多，难表 谢意。 在完成课题的阶段，还得到了很多老师的帮助，张崇巍教授、丁明教授、 杜少武副教授等都给予了很多帮助。 在此还要特别感谢许颇博士，从课题确定之初，到最后论文的定稿，跟他 的帮助都是分不开的。还有师兄张强、谢震，在硕士研究生阶段，他们一直给 予了我很多耐心的指导和无私的帮助，他们是我的良师益友。 感谢同一个实验室工作的同学杨淑英、倪华、姚丹等同学，在共同的工作、 学习、生活中，大家互相帮助，共同进步。并结成了我们涤厚的友谊。 特别感谢我的父母、哥哥、姐姐和女朋友，是他们在我多年的学习生涯中 时刻关心我的学习和生活，极大地支持我，使我能顺利完成学业。 最后，向审阅本论文的专家、教授致以深深的感谢! i i i 作者：杨孝志 2 0 0 4 年5 月l o 日 1 1 引言 第一章概述 蓄电池作为一种储能设备，具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛 应用于国民经济的各个部门，如电动交通车辆、煤炭矿山、不间断电源等。蓄电池的 充、放电技术是与蓄电池相伴而生的，与蓄电池的发展和应用有着密切的关系。充、 放电装置性能直接影响着蓄电池的技术状态、使用寿命，并决定着放电时对电网污染 程度。传统的相控整流充电机，虽然具有技术成熟、价格低廉的优点，但存在以下缺 点：( 1 ) 深控下网侧功率因数低，造成网侧电流畸变，从而污染电网，产生畸变功耗， 降低装置和线路效率。( 2 ) 调节周期长，动态速度慢。随着电力电子的发展，出现了 以全控型功率开关管代替不控和半控型开关管的充电装置，其功率因数高，对电网污 染小；开关频率高，动态速度快，滤波效果好，无静态噪声；输出电压与控制信号的 占空比成严格比例，调节精度高等优点。但实际中，蓄电池生产厂家要进行充、放电 及容量的校核，而用户则必须通过定期放电来消除极化效应。目前常规的蓄电池维护 大都分别采用充电器和放电器，放电器主要采用假想负载耗能放电，这样会大量浪费 电能，虽然有少数放电器采用可控硅有源逆变进行馈能放电，但深度调节时，不可避 免的会污染电网。针对上述这种情况，本文借助安徽省技术攻关项目“双向逆变技 术在新能源发电和节能装置中的产业化研究”，并和合肥阳光电源合作，发挥各 自优势，采用p 劂a c d c 变流器及控制技术，研究成功集充、放电于一体的蓄电池智 能充、放电装置，既能满足蓄电池厂家的要求，又能满足一般用户要求。充、放电功 率可达6 0 研，该装置具有以下特点： ( 1 ) 实现了网侧电流正弦化及单位功率因数，大大降低了装置对电网的谐波污染 ( 2 ) 采用馈熊放电，将蓄电池电能回馈到电网，大大节省了电能 ( 3 ) 双向p 删a c d c 控制使该装置既能充电又能放电 ( 4 ) 蓄电池工作模式和参数设定非常方便 ( 5 ) 友好的人机界面 1 2 充电技术的发展 ( 1 ) 恒流充电：充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通 过改变可控硅的导通角来调整，这种方式实现起来比较方便，易于做的。这种 充电方式特别适合于由许多电池串联起来的蓄电池。当蓄电池组中有个别电池 电压、电解液密度偏低，全组电池产生差别时，能使蓄电池组中个别电池进行 完全充电，恢复其容量，这时最好用小电流长时间充电模式。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，整个充电时间一 般在1 5 h 以上，析出气体多，对蓄电池危害较大，能耗高。因此人们在恒流充电 方式的基础上进行了改进，及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。 ( 2 】恒压限流充电：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，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，充电电流自动下降，所以析出气体较少，充电时间较长，能耗较 低。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 仅危及充电装置的安全，也可能因过电流而损伤蓄电池；如果充电电压选过低， 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 电过程中相对落后的电池很难完成完全充电。为了克服恒压充电的缺点，在恒 压充电的基础上进行了改进，当充电电流过高时，这时因采取限流措施，保持 电流不超过某一设定值而使电压降低，待电流减小、电压升高后再稳压，这就 是恒压限流的方法。 一方面这些充电方法充电时间过长，不能适应现代化生产和生活的需要。 另一方面，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的 使用寿命。国内外多年来的实践证明，免维护铅酸蓄电池浮充电压偏差5 ，电 池的浮充寿命将减小一半。统计数据表明，国内通信设备和直流电源操作系统 中的免维护蓄电池很难达到规定的浮充寿命( 1 2 1 6 年) ，许多电池在使用几年 后即报废，造成很大的经济损失。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。一般采用恒流充电和恒压限流结合充电模式对免维护 铅酸蓄电池进行充电 i 2 3 1 。 通常采用图l 一1 结构，其工作原理：电压调节器是将电压给定与蓄电池的 充电电压相比较，产生一个电压控制信号。电流调节器是一个p i 调节器，其输 入是电流给定与蓄电池的充电电流，输出产生一个电流控制信号。这两个信号 通过最小值电路控制晶闸管。当电流控制信号低于电压控制信号时，d 导通， 电流控制信号起控制作用，蓄电池处于恒流充电状态；当电流控制信号高于电 压控制信号时，d l 导通，电压控制信号起控制作用，从而实现限压限流控制功 能。 图l l 充电机原理框图 2 ( 3 ) 脉冲快速充电、放电1 45 】：脉冲快速充电、放电去极化方式有很多种类型： 一、定电流、定周期脉冲快速充电法，采用该充电法时，充电放电脉冲的幅值、 宽度和周期在整个充电过程中均不变，控制较为简单，但在充电过程的后期， 即充电量接近饱和时，蓄电池的极化现象会越来越严重，容易过量充电。二、 定电流、定出气率脉冲快速充电法，在整个充电过程中，充电电流脉冲的幅值 和蓄电池的出气率始终保持不变，但充电电流的脉冲宽度由出气率来控制，由 于密封式蓄电池组检测出气率所比较困难，所以此方法不适用密封式蓄电池。 三、定电流、定电压脉冲快速充电法，蓄电池的出气率与它的端点压有十分密 切的关系，蓄电池经过一段时间充电后，出气率开始增加，端电压也开始上升， 当端点压达到某一值时，蓄电池开始冒气，因此可控制蓄电池端电压可以间接 控制蓄电池的出气率。但是这不是严格的成比例的。因此一般结合这三种快速 充电的方法。 图1 2 中采用的是一种分级、定电流、定周期、限电压脉冲快速充电法。 半桥式电路结构中，变压器原边绕组的一端接到串联电容器c ，c 2 中间的浮动电 位上，其值为v , 1 2 。绕组的另一端通过串联电容器g 与五发射极和不集电极的 结电相连接。变换器输入直流为，则当互导通时，变压器上端接k 产生幅值 为v , 2 的正方波。当互关断、互导通时，由于c ，接到零极，故变压器原边极性 反向，产生幅值为v , 1 2 的负方波。随着瓦五交替开关，这样就产生幅值为k 方 波电压，它们依次经过整流和滤波后，便可得到所需的直流输出电压。皿n 为 保护i g b t 五疋的钳位二极管。k k 为充电选择开关，实现浮冲和脉冲式快速充 电的转换。五为充电脉冲i g b t 管，五为放电脉冲i g b t 管。通过正和l 的交替 开关，实现脉冲式快速充、放电。 l 2+ 上j r 。呼1 恺l l k 剂h t l 【j o 鲁 c2 i ；酵：辆j l i 图i 一2 脉冲式充放电主电路原理图 1 3 基于双向变流器技术充放电装置的系统结构 图l 一1 拓扑结构功率开关管二极管不控整流，不足之处是网侧功率因数低， 造成网侧电流畸变，有较大的无功损耗，并且调节周期长，不能实现放电功能。 图1 2 这种拓扑结构采用二极管整流，同时采用电感进行功率因数校正，但由 于此电感的设计是基于工频的，所以电感的体积很大：虽然可以放电，但它不 能实现电能回馈电网，造成电能浪费。本文将双向p w m 变流器技术应用于蓄 电池充、放电装置中，充分地利用了双向p w m 变流器的优点，如实现网侧电 1 流正弦波、网侧功率因数可控、电能双向传输和较快的动态控制晌应等。在控 制方法上采用双环结构，电流内环采用基于网侧电压前馈无差拍电流控制，实 现的电流的快速跟踪。外环采用电压环和电流环切换的方式，当系统处于恒流 充、放电模式时，电流外环工作：但系统工作在恒压或浮冲模式时，电压外环 工作。由于交流器是非线性对象，并且变流器工作在不同模式时，负载的扰动 量非常大，因此外环调节器采用模糊自适应p i 调节器。由于双向变流器控制策 略采用双环控制，并且采用1 0 k 的开关频率，因此选择t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 高速的数字处理芯片作为系统的核心控制器。为了满足智能化和人性化的要求， 同时使用了t i 公司的另一款单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，实现液晶显示和面板按键读 取，并完成和d s p 及p c 机的通讯。通过p c 机主界面和查询历史记录非常方便 的了解装置的当前及历史运行状态，通过面板按键可以灵活的设定工作模式和 工作参数。本装置的结构图如图l 一3 所示。充电方法采用恒流充电、恒压充电 和浮冲结合的方式，放电时采用恒流放电，在第二章做了具体分析。 图i 一3 双向变流器的系统结构 具体实现的功能如下： 1 实现对蓄电池恒流充放电、恒压充电、浮冲功能，放电时电能回馈电网 2 可以通过上位机或液晶实时监控蓄电池运行状态( 模式及参数) 3 具有设定充、放电参数掉电保护功能 4 可以通过面板按键在线对充、放电模式和参数进行设定 5 具有输出过压、过流、短路等保护措旌，带有故障报警指示等，并且可在液 晶和p c 机显示故障类型 l 。4 本文所作的工作 本文所作的工作包括以下几个方面： 4 ( 1 ) 设计三相电压型整流桥的硬件电路及控制电路，给出了结构图及原理图， 具有一定的通用性，它是各种控制策略实现的基础 ( 2 ) 分析双向变流器控制策略，采用了模糊自适应p i d 外环调节器，并给出了其 实现的软件流程图 ( 3 ) 提供了主电路关键参数电感及电容参数值的选择方法 ( 4 ) 在分析数学模型的基础上建立了双向变流器的m a t l a b 模型，并给出了部分 仿真结果 ( 5 ) 试验调试，对文章所提出的控制方法进行了试验研究及分析 全文共分六章，各部分主要内容简述如下： 第一章绪论，阐述了课题的背景及意义，当前在这方面的研究现状及本文 所作的工作。 第二章介绍了蓄电池的充、放电特性及本文所采用的充、放电方法。 第三、四章重点阐述了主电路和控制系统的设计，系统建模及仿真 第五章给出了控制方法实现的软件流程图 第六章对系统试验波形进行了简要分析 第二章铅酸蓄电池基本理论及充放电特性 2 1 酸蓄电池的基本概念 由于蓄电池的充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，本节将介绍铅酸蓄电池有关的一些知识1 6 “ 1 电池容量 电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，它指蓄电池充足电后放电 到终止电压时所放出的电量，也就是在一定的放电条件下，可以从蓄电池获得 的电量。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，因此，电 池越大它的容量越高。电池容量用c 表示，其单位用a h 、m a h 表示。 2 充电速率和放电速率 为了对不同容量的电池进行比较，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，称为蓄电池的放电 速率或放电倍率。例如一个额定容量c 为1 0 0 a h 的电池，充电2 个小时后，电 池完全充满，则它的充电电流为 1 = c 2 = o 5 c ( a ) ( 2 1 ) 即它的充电速率为0 5 c 、若用1 0 小时就达到充满状态，则它的充电电流为 i ：c i o ：o 1 c ( 爿) 。 ( 2 2 ) 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。 3 充电终止电压和放电终止电压 蓄电池充足电时，极板上的活性物质已经达到保护状态，再继续充电，蓄 电池电压也不会升高，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，蓄电池两端电压会迅速下降，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。 4 电池的过充电压 当高速充电而又不能及时地在充满后结束充电过程，电池则很容易存在大 电流过充的问题。过充电会使蓄电池的内部温度和压力都急剧上升，造成对蓄 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 增大电池内部的压力，同时由于氧气的产生和吸收都是热反应，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 周围散发，基本上不会对蓄电池造成损害。 5 电池的内阻 6 当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出的电阻称为蓄电池的内阻，这 个内阻与其它电源的内阻有历不同，它包含两个部分，即： 五= r o 十r ( 2 3 ) 其中风为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量；r 。 是由于电流流过蓄电池时，两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为 极化电阻，其值与流过的电流强度有关，电流越大，r 。越大a 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： f a ) 当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两级问的电压称为电池的开路电 压： ( b ) 当蓄电池充电所测得的电压称为电池的充电电压； ( c ) 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，而随着充电时 间的增加而略有升高；放电则低于开路电压，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，它便堆积在正极板上，使得电池的 内部压力增大，电池温度升高，同时缩小了电池正极板的面积，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，充电所产生的氧气可 以被及时吸收，因此电池的极化现象较轻，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 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n 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。 8 循环寿命 循环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循环的 次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命。根据前面介绍的放电深度的概念中可 以看出，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电 池浮充供电的时间，称为浮充寿命。 7 9 自放电现象 当电池处于闲置不用时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质 与电解液闯自发静反应却一直在进行，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 自放电= ( 蜴一q ，) q o 】1 0 0 ( 2 4 ) 其中，鼠为蓄电池在规定条件下的容量，g 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。但环境温度较高时， 电池的自放电现象比较明显。所以蓄电池应在适宜的温度和湿度下保存。自放 电现象一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池 的自放电相对镍镉电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后， 自放电到3 0 左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电装置时，应在电池长时 间不用的情况下对电池进行补充充电。 2 2 铅酸蓄电池基本的电化学反应 铅酸蓄电池由正极板( 二氧化铅) 、负极板( 海绵状铅) 以及电解液( 硫酸) 组成。充电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中 的硫酸浓度增大：放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸 反应，生成硫酸铅，电解液中的浓度降低【8 引。 在充电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产生 负离子形成电流，称为成流反应。 正极的成漉反应为 ，6 d 2 + 3 h + + h s o ；+ 2 e jp b s 0 4 + 2 月j d ( 2 5 ) 负极的成流反应为 尸6 + h s o ；铮p b s 0 4 + 2 e + h + ( 2 6 ) 电池的总反应为 p 6 0 2 + 朋+ 2 哎s o ；2 p b s 0 4 + 2 h 2 0( 2 7 ) 反应的中间过程可以表示如下公式，式中左方向为放电反应，右方向为充电反 应。 p b p b “+ 2 p f 2 8 ) 鼢“+ h s 0 2 p b s o , + h +( 2 9 ) 对于老式铅酸蓄电池。其中电解液中的水分，在浮充末期都会产生电解分 离反应丽被电解成氢气和氧气，这些氢气和氧气将慢慢消失在空气中。因此每 个一段时间必须对蓄电池进行定期补水，以补充电解液中水的损失，否则蓄电 池中电勰液的浓度将大大超过规定值。 对于免维护铅酸蓄电池，它采用了先进的阴极吸收式密封技术，可把这种 8 定期补充水的间隔时间延长到五年以上。生成的氧气在电场作用下移向电池组 的阴极，在阴极催化剂的作用下，重新和氢气化合成水。在理想的工作状态下， 它可维持蓄电池的电解液中水的含量保持不变，为了使得电池内部的这种气体 阴极吸收方式能够充分进行，它要求在电解过程中水的电解反应要尽可能进行 的缓慢，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体通过 和传输。因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电 池所允许的最大充电电流的规定，过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命 2 3 铅酸蓄电池的充放电过程的分析 2 3 1 充电过程中电压的变化 铅酸蓄电池的电源在充电过程中会不断变化，以恒流对铅酸蓄电池充电， 其端电压随时间变化的规律即充电电压特性曲线，如图2 一l 所示【l “1 1 ”j 从图2 一l 中可以看出，充电初期电池的端电压上升很快，如图中曲线o a 段。这是因为充电开始时，电池两极的硫酸铅分别转变为二氧化铅和铅，同时 生成硫酸，极板表面和活性物质微孔内的硫酸浓度骤增，又来不及向极板外扩 散，电池的电动势迅速升高，所以端电压亦急剧上升。充电中期，如图中曲线 a b 段，由于电解液的相互扩散，极板表面和活性物质微孔内硫酸浓度增加的速 度和向外扩散的速度逐渐趋于平衡，极板表面和微孔内的电解液浓度不再急剧 上升，所以端电压比较缓慢地上升。这样，随着充电的进行，活性物质逐步转 化为二氧化铅和铅，孔隙逐渐扩大，孔率增加至曲线的b 点( 此时端电压约为 2 3 v 左右) 时，活性物质已经大部分转化为二氧化铅和铅，极板上所剩余的硫 酸不多，如果继续充电，则电流使水大量分解，开始析出气体。由于部分气体 吸附在极板表面来不及释出，增加了内阻芳且造成正极电极电位升高，因此电 池端电压又迅速上升，如曲线中b c 段。当充电达到c d 段时，因为活性物质已 经全部还原为充足电时的状态，水的分解也渐接近饱和，电解液剧烈沸腾，而 电压则稳定在2 7 v 左右，所以充电至d 点即应该结束。以后无论怎样延长充电 时间，端电压也不再升高，只是消耗电能进行水的电解。如果在d 点停止充电， 端电压迅速降低至2 3 v 。随后，由于活性物质微孔中的硫酸逐步扩散，微孔内 外的电解液浓度趋于相同，端电压亦缓慢地下降，最后稳定在2 0 6 v 左右，如 图2 1 中曲线的虚线部分。 9 图2 一l 铅酸蓄电池充电时端电压的变化曲线 试验表明，充电末期的终了电压和充电电流的大小有关。如果降低充电电 流，电池内电压降降低，水的分解减少，吸附在极板周围的气体相应减少，充 电末期的终了电压也略低。相反如果充电末期电流过大，不仅要毫无意义的消 耗大量的电能，而且由于析出气体过多，会剧烈地冲刷活性物质使之脱落，而 影响电池的性能，所以在充电末期采用较小的充电电流是有益的。同时由于充 电末期电流大小会使充电终了电压发生变化，所以不能通过硬性规定一个固定 的终了电压值( 例如2 7 v 单体以上) 来判断蓄电池是否完全充电，而是要根 据充电电压的上升率和终了电压值等情况综合判断，才能得出正确的结论。 2 3 2 放电过程中电压的变化 充足电的铅酸蓄电池以恒流进行连续放电，其电压变化的特性曲线如图2 2 所示。放电前两极活性物质微孔中的电解液浓度与极板外部的主体电解液 浓度相等，此时电池的端电压即开路电压等于电池的电动势。放电一开始，活 性物质微孔中的硫酸被很快消耗，同时又生成水，加之主体电解液的扩散速度 缓慢，来不及补偿微孔内所消耗的硫酸，所以微孔中电解液的浓度迅速下降， 导致电池的端电压也急速降低，如图中曲线o a 段。随着活性物质表面电解液浓 度与主体电解液浓度之间的差别不断扩大，促进了硫酸向活性物质表面的扩散。 在放电中期，单位时间内活性物质表面和微孔内放电丽消耗掉的硫酸可以得到 硫酸扩散的补充，两者取得动态平衡，所以活性物质表面和微孔内的电解液浓 度比较稳定，电池的端电压也比较稳定。但是，由于放电过程中硫酸不断被消 耗，整个电池内电解液中的硫酸含量减少，浓度降低，活性物质表面和微孔内 的电解液浓度也缓慢下降，从而电池的端电压呈缓慢降低的趋势，如曲线a b 段。到放电末期，电池两极的活性物质已经大部分转变为硫酸铅，因为硫酸铅 的体积大于二氧化铅和铅，活性物质的孔隙小，孔率降低，而且随着放电反应 的进行，硫酸铅不断地向活性物质深处扩展，主体电解液向活性物质微孔内的 扩散越来越困难微孔中已经稀释的电解液由于得不到硫酸的补充，其浓度逐 步降低。同时硫酸铅的导电性能不好，增大了极板的电阻。电解液浓度降低也 1 0 增加了电解液的电阻。这些因素的综合影响，最后导致电池的电压迅速下降， 如图中曲线b c 段，放电至c 点时，电压已经降至1 8 v 左右，放电便结束。此 时如果停止放电，则铅酸蓄电池的电源立即回升，随着活性物质微孔内浓度很 低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩散，最后端电压将稳定在2 v 左右，如曲线的虚线部分c e 所示。此时如果继续放电，由于活性物质微孔至电 解液浓度已经很低，又得不到极板外主体电解液的补充，将使微孔内的电解液 几乎变成水，使电池的端电压急剧下降，如曲线的虚线部分c d 所示。放电完成 后，会在极板上形成粗大结晶得硫酸铅表面，使电池出现极板硫酸化或反极现 象，部分或全部丧失其容量，这就是所谓“过放电”现象。而且从图上还可以 看出，电池放电至c 点后再继续放电，实际上可以再给出的容量很少，意义不 大。综合以上两个方面的原因，铅酸蓄电池放电至端电压降低至1 8 v 左右时即 应停止放电，把放电截止时的电压称为放电终止电压。 很明显，铅酸蓄电池放电至终止电压后，还存在部分残余容量。如果放电 终止电压规定得太高，会降低电池的使用效率。如果规定得太低又会造成电池 过放电，影响其使用寿命。因此，必须两者兼顾，合理地确定一个恰当的值。 放电率时影响人们对放电终止电压考虑的一个重要因素。一般用大电流放 电时，由于硫酸的扩散跟不上放电的进程，端电压下降很快，即使放电到相当 低的电噩，生成的硫酸铅数量也很少，对极板不会有什么损害，充电时容易恢 复，所以规定的放电终止电压比较低。相反，如果用小电流长时间放电，生成 的硫酸铅量明显增多，极板深处的活性物质已经反应比较充分，若放电至终止 电压还继续放电，会在极板深处形成粗大结晶的硫酸铅，充电时难以恢复；再 者，负极活性物质铅转变为硫酸铅时，因为铅的密度远大于硫酸铅，所以放电 后负极活性物质的体积膨胀很多，产生应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落， 进而降低电池的寿命。所以用小电流放电时所规定的放电终止电压比较高一些， 如牵引用铅酸蓄电池用5 h 率放电时所规定的放电终止电压1 7 0 v ，而用o 5 h 率放电时所规定的放电终止电压仅为1 5 0 v 。 图2 - 2 铅酸蓄电池放电时端电压的变化曲线 对于不同类型的铅酸蓄电池，由于其极板种类、电池构造和使用特性均不 同。放电终止电源也不一样。如汽车启动用铅酸蓄电池的电解液浓度较高而电 解液较少，使用时又主要用大电流放电，所以放电时电解液浓度变化比较大， 即使活性物质转变为硫酸铅的数量不多，电池端电压的下降以比较大，所以选 用较低的放电终止电压值。而固定用铅酸蓄电池的电解液量多为浓度较低，多 为小电流下使用，放电过程值电解液密度变化很小，即使活性物质大量转变为 硫酸铅，电池的端电压下降也不多，所以规定比较高的放电终止电压，以防止 电池过放电，生成多的硫酸铅而损坏极板。 2 4 本文采用的充放电方法 2 4 1 铅酸蓄电池对充电工艺的要求 在6 0 年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充放电过程做了大量的 试验和研究，并提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接收的充电电流曲线， 如图2 3 中的曲线a 所示【9 】，试验证明：如果充电电流按这条曲线变化，就可以 大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命影响晟小。原则上，我们就把这 条曲线作为最佳充电瞌线。蓄电池的最佳充电曲线并没有一个明确的定义，它 是人们在对蓄电池的研究过程中总结出来的一个概念。具体的工艺要求主要包 括以下几点。 f 厶 图2 3 蓄电池最佳充电曲线 1 充电电流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 ，这样既延长了工作时间， 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蓄电池温度不超过一定的温度。 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，应定期进行活性充电。 4 防止过充电，过充电时有大量气体析出，这是正极板活性物质要遭受气 体的冲击，这种冲击会使活性物质脱落；此外，正极板合金也遭受严重的阳极 氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使寿命缩短【7 钔。 2 。4 2 蓄电池的充电过程 对于免维护锚酸蓄电池来讲，常用的充电方式有恒流限压和恒压限流两种 充电方式，然而，单独采用其中的一种充电方式，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，对免维护铅酸蓄电池的充电效果不是很理想。 鉴于免维护铅酸蓄电池的充放电特性，我们采用键盘结合微机控制的智能充放 电方法对免维护铅酸蓄电池充电，这种方法是在模拟图2 3 所示最佳充电曲线 的基础上，动态跟踪电池可接受的充电电流，应用蓄电池端电压和d 叫d t 技术 结合的方式，采用恒流、恒压和浮充三个阶段进行充电。充电系统由充电装置 和蓄电池组成，充电装置根据电池的状态确定充电参数，充电电流自始至终处 在电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电， 做到既节约电能又不损伤蓄电池。整个充电过程如图2 4 所示。 1 恒流充电 当系统检测到蓄电池亏电时，首先采用恒流充电方式充电。为了避免产生 剧烈的化学反应而影响蓄电池的寿命，恒流充电时采用的充电电流一般用0 。1 倍率制 l s = o 1 c( 2 1 0 ) 我们知道，充电电流f 扩充电电压u 。、蓄电池反电动势e 和充电回路总电 阻( 主要是电池电阻) r 之间具有以下关系： i a = ( 一e ) 俾( 2 1 1 ) 由于回路电阻r ，一般保持不变，电池反电动势e 变化缓慢，因而，在某一时 刻，改变充电电压，也就改变了充电电流l 。 恒流充电刚开始，反电动势占较小，电压不需要很高电流就能达到稳定值。 随着充电的进行，反电动势不断升高，电池的端电压不断升高。一般当电池电 压升高至2 4 0 v 单体时，就不能再升了，否则可能造成过充而损坏电池。所以 需要不断检测电池的端电压，通过和按键设定值最大电压值比较( 注意此最大 值可根据不同的蓄电池设定相应的值) ，当超过设定的最大电压值时，充电过程 进入下一个阶段。 2 恒压充电 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，恒压充 电来消除电池之间的差别，以达到全组电池的均衡。 试验表明，以恒流方式充电到限压值时。只能冲进8 0 的容量。此后要利用恒 压充电方式来进行补充充电，此时的恒压值一般取 圪= 2 4 0 n ( 2 1 2 ) 式中n 一蓄电池的节数 图2 4 蓄电池三阶段充电曲线 随着恒压充电的进行，电池电流也随着逐渐减小。 电流，。时，电池已经基本充满，其中： i f = o 0 0 1 c 当充电电流降低到浮充 恒压运行一定时间后( 时间值可由用户通过键盘设定) ， 阶段。 ( 2 1 3 ) 装置自动转入浮充 3 浮充 低电压小电流充电阶段，以补充电池的自然放电。浮充时，须将充电电压稳定在 蓄电池的额定电压附近( 比恒流充电最高限压k 要低) 。因而充电电流与恒流充电 时电流相比要小。但是，由于工作情况的复杂性，恒压充电和浮充时也有电流较高的 可能( 如电池漏电和负荷变重等) 。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、电压升高后在稳压，这就是恒压限流的含义。浮充电 压大小如下： = 2 2 5 n( 2 1 4 ) 在整个充电过程中，检测蓄电池的端电压和d r a t ，在充电后期端电压比较高， 但d v l d t 很小。越是充电完全a v d t 的变化越小，同时保证端电压不超过设定值，通 过两者判断充电终止是比较科学的。 当蓄电池的型号不同，充电要求也不完全相同。在设定恒流充电、恒压充电和浮 充等参数时，要经过反复试验才髓达到最佳充电效果，使蓄电池的使用寿命得到延长。 2 4 3 蓄电池的放电过程 放电时采用恒流方式工作，放电电流采用0 1 倍率制，不能过放，一般满容量蓄 电池放电8 小时为合格。当充放电装置工作在放电方式时检测蓄电池的端电压，当端 电压小于设定值时，自动停止放电，并且给予报警。 1 4 第三章系统硬件构成 蓄电池充电装置是直流电源系统的核心部件之一，其性能的优劣直接决定 了直流电源的水平。考察充电装置技术指标主要有两个方面：其一是要有较高 的性能指标，如可靠性，稳压稳流的精度，动态响应速度及纹波系数等；其二 是有完善的自检测与控制功能，有较高的智能水平，可以根据蓄电池的特性和 用户的具体需要，灵活地选择最佳充电参数，以提高蓄电池的容量和使用寿命。 并能对蓄电池电压和电流进行实时显示，在初次对蓄电池进行充电时，甚至需 要对充电电量进行计算。 3 1 装置硬件电路的设计 本智能充放电装置主要由三相全桥、面板、液晶及上位机等几部分构成。 其系统结构图如l 一3 所示其中液晶显示部分，显示交流侧和直流侧电流和电 压的有效值，并且通过面板可以对装置的每种充放电模式( 恒流充电、恒压充 电、浮充及恒流放电等) 的电流、电压和时间进行灵活设置，对应于每种模式 的电流和电压值的含义是有区别的，这一点在附录中的按键使用说明书中有详 细的说明。p c 机显示当前的工作状态，包括运行模式、交流侧和直流侧的电压 和电流和功率等。m s p 4 3 0 完成和d s p 及p c 机之间的通讯，并且处理液晶显 示和读取面板的按键。d s p 完成三相交流电压、电流检测，直流电压及负载电 流检测，电网电压同步信号检测，产生s p w m 调制信号，故障报警及工作状态显 示和通讯。 3 1 1 主回路部分硬件设计 充放放电主回路结构图如3 一l 所示，当装置工作在充电状态，空气开关q 合上，压敏电阻防止网侧电压过高，保护装置，当空开合上时，足组三个电阻 减小电网对变压器冲击。当装置工作在放电状态时，空气开关q z 合上。曩、冠 为滤波器。r n , 为变压器，既调整电压又隔离电网。三相桥采用i p m 智能模块。 图3 1 主电路结构图 1 主电路智能功率模块的选取“3 3 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e mp o w e rm o d u l e s ) 是先进的混合集成功率器件， 由高速、低功耗的i g b t 芯片和优选的门极驱动及保护电路构成。与其他功率 模块相比，选用智能功率模块，可以简化系统硬件电路，减小尺寸，提高可靠 性，并缩短系统的开发时间。由于i p m 通态损耗和开关损耗都比较低，使得散 热器减小，因而系统尺寸也减小。尤其i p m 集成了驱动和保护电路，使系统的 硬件电路简单可靠，并提高了故障情况下的自保护能力。 i p m 内置保护功能有：控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保 护。如果i p m 中有一种保护电路动作，i g b t 栅驱动单元就会关断电流并输出 一个故障信号f r o ) 。各种保护功能简单介绍如下。 ( a ) 控制电源欠压