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电动汽车充放电技术研究 摘要 铅酸蓄电池是目前上使用最广泛的一种电动汽车蓄电池 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 即缩短充电时间以延长行驶里程 因此 本文针对目前蓄电池的实际情况 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SPWM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 一 铅酸蓄电池常规充电技术简介 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 电压的容量通常用Ah 安时 表示 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 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 1 2蓄电池充电过程中的化学变化蓄电池充电 使得蓄电池极板上的活性物质发生化学反应 它在整个充电过程中 化学反应总的反应方程式 2PbSO4 2H20 Pb02 Pb 2H2S04以上反应称为主充电反应 其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 正极板表面产生氧气 负极板表面产生氢气 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 1 3蓄电池充电过程中的物理现象主要表现为电池的两极会发生 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 结果是正极板更正 负极板更负 形成 极化 现象 它会对充电电流起阻碍作用 使电流趋于减小 极化现象可分为三种情况 1 欧姆极化即内阻所引起的欧姆压降 随电流的变化而变化 当充电电流停止时 它立即降为零 2 浓差极化未充电时 电池电解液中各处的离子浓度是均匀的 充电开始后 由于发生了电化学过程 会使得正负极处产生新的离子 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极化 此浓差极化会对充电电流产生影响 阻碍电流流入 如果想消除浓差极化 只需要停充一会儿 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 电化学极化由前面分析的电池过程可以知道 极板间会产生电子 但是由于电子传导的速度比化学反应速度要快得多 于是 电池反应进行的过程中 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 电荷的累积将使极板产生过电位 这种电压被称为化学极化 它也会阻碍电流 使充电电流趋于减少 放慢了电池化学反应 还会引起如下的影响 a 副反应 水解 加剧 产生大量气体 b 副反应 水解 将产生大量的热量 使电解液的温度升高 c 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 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 toe叫 2 12 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 Co I Io所以 a o Co 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 放点特性 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PbSO 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PbSO 的结晶条件 放电时 生成的PbSO 是疏松层 那么 充电时生成的PbO 就是租晶粒的坚固物质 放电时 若形成的PbS04是紧密层 那么 充电时生成的PbO 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PbSO 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PbSO 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PbSO 钝化层变成多孔的PbS04 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 快速充电的特性曲线如图中II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 13第2市铅酸蒂IU池快速充 乜技术图2 1快速充电曲线图2 1中II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 3V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 常规充电优缺点 1 特定曲线充电 特定充电曲线充电只是针对特定电池进行的充电工作 这种方式多使用在对电池特性进行测试的情况下 在实际的工业化生产使用中很少得到使用 不过可以为制定充电策略提供试验数据或者对电池进行性能测试 2 恒流充电 它是目前广泛使用的一种充电模式 主要适合于活化充电 优点 能对电池组中的落后电池完全充电 消除电池电压的不平衡 缺点 充电时间很长 析气严重 能耗高 对电池的损伤较大 3 恒压充电 一般用于电池中途的补给充电 优点 由于充电终期只有很小的电流流过 所以析气量小 能耗低 缺点 由于充电初期充电电流过大 容易对电池极板造成冲击 而损伤电池 4 两阶段式充电 在充电初期以一个较大的恒流值充电 当蓄电池端电压达到一定程度时而开始出现析气时 马上转入恒压充电阶段 充电电流随之减少 直至结束 优点 这是一种较好的充电方式 充电初期保证了蓄电池在无析气的情况下以一个较快速的方式充电 而充电末期 随着电池的端电压上升而自动限流充电 安全可靠 省时节能 缺点 本质上来说 它仍然是一种充电电流无法随蓄电池充电状态自动调节的单一16K安人学硕f 学位论文模式充电方法 所以就仍然无法实现充电过程的最优化 5 脉冲快速充电 对电池用一个大的脉冲电流充电 它的原理基于马斯第三定律 可以使电池的充电时问缩短倒常规时间的1 5 1 10 一般用于紧急充电 优点 增大放电容量 减少电池发热 提高充电效率 既大大的缩短了充电时间 又不产生大量气体和热量 缺点 能量转化效率低 出气率较高 对电池损害还是较大 第3章铅酸蓄电池的模糊控制与快速充电技术 1智能模糊与充电技术模糊控制是一种基于人的经验的 不需要知道被控系统数学模同理 对于蓄电池充电这种特殊的工作过程 模糊控制也是一种理所当然的选择 模糊控制可以根据在充蓄电池的一项或某几项特性来决定充电电流和电压的大小 并且随着蓄电池状态的改变而实时的改变 相对于常规充电模式而言 常规的控制方法只是对某项指标的精确控制 但对于在充电过程中 由于蓄电池参数模型不断变化 常规的控制方式就难以动态的根据蓄电池模型参数的变化调节给定信号的大小 从而无法实现冲电过程的最优化 而模糊化充电模式在整个充电过程当中 根据蓄电池的充电状态而动态的跟踪蓄电池的可接受充电电流 使得实际充电电流始终保持在可接受充电电流附近 从而保证蓄电池几乎在无析气的状态下充电 延长了蓄电池的使用寿命 13 该方法适用于对各种类型的 处于各种状态的电池充电 安全可靠 省时而且节能 根据国外有关文献 目前智能化充电模式的研究主要有如下两个方向 1 基于电池荷电状态 stateofcharge 检测的智能化充电模式 常规的充电技术之所以存在诸多缺陷 是因为它们都没有一套检测电池荷电状态的机制 蓄电池的充电状态得不到反馈 从而无法实现充电电流的调节与蓄电池的需要相适应 因此就谈不上充电过程的最优化 准确可靠的获得工作蓄电池的荷电状态是一个智能充电系统的首要任务 它不仅在被充电的时候为充电电流的选择提供了依据 在放电工作的时候 也为使用者提供了重要的信息 比如说电动汽车上的蓄电池的荷电姿态就可以预侧电动汽车的续驶里程 同时可以根据各个电池的SOC值 识别电池组中各个电池的性能差异 并依此进行均衡充电 以保持电池性能的均匀性 最终达到延长电池寿命的目的 2 基于模糊控制的智能化充电模式 理论和实践研究证明 蓄电池的充 放电过程是一个十分复杂的电化学过程 它具有以下特点 19第3章铝酸莆I i池的模糊拧 j快速充I l技术 多变量 影响充电效果的因素很多 诸如电解液浓度 极板活性物质的浓度 环境温度等变量的不同 都会使充电效果产生很大差异 非线性 一般来说 电池的可接受充电电流随时问呈指数规律下降 不可以简单的采用恒压或恒流方式充电 本节中所提到的两阶段充电法实质就是一种简单的跟踪电池可接受充电电流曲线的充电方法 离散性 随着放电状态 使用和保存的历史不同 即使是两块相同工艺的电池也具有不同的充电特性 因此 对于这样一个非线性 多变量 强耦合的控制对象 很难按照一般的思维从它的数学模型出发 设计一个稳态和动态性能合乎要求的控制器 于是采用模糊控制的智能充电技术应运而生 它抛开对电池模型的研究 依据技术人员的知识和经验在不知道或有限知道电池特性参数的情况下 通过对电池充电过程中的某几项输入或反馈值的判断来决定充电电流的大小 从而实现高效无损伤的充电过程 将模糊控制用于充电关键在于解决如下几个问题 1 输入模糊变量的选择 它直接关系到模糊控制系统是否能够得到一个满意的输出 一般选取那些最能够快速 准确的反映被控对象状态的变量作为输入模糊变量 具体应用到充电器中时 就应该选择最能反映被充电池的荷电状态 stateofcharge 的变量作为输入使得输出随电池的充电状态变化而变化 从而实现安全 高效的充电 反映电池状态的参数有很多 比如电解液密度 开路端电压 在线端电压 库仑检测 以上方法的结合 需要注意的是以下几点 A 蓄电池的开路端电压与电解液密度呈线性关系 检测它实际上是问接检测电池电解液密度 因此它被广泛的认同为电池荷电状态的可靠检测参数 B 在线端电压在输入 输出 电流为恒定值的情况下 也和电液密度呈近似的线性关系 它也是库仑检测的一种间接方法 C 采用库仑检测 有负载时 和开路端电压 无负载时 相结合的办法是一种比较精确的方法 同时它也易于实现 它的缺点是需要以一定的时间间隔停止充电来检测电池端电压 这样就影响了充电的效率 如果把电池的在线端电压标为v 通过库仑检测电池的容量为C 那么i dc dt di dc等参数都可以作为模糊输入变量 在本设计中以充电电流和电池容量之间的关系作为决定控制量的标准 因此选择i di dc为模糊变量 2 模糊变量隶属函数的选择和控制规则的建立 隶属函数与控制规则一起作为模糊控制器的核心部分需要在技术人员经验积累的基础上不断的通过实验加以修证 最20K安人学硕I 学位论文后确定最佳方案 3 2 1模糊化方法 模糊化是把精确量转换为模糊量的变换过程 它是模糊控制重要的工程方法 在模糊化的具体过程中需要进行量化 模糊划分 模糊表达 量化是指把连续输入精确值的范围离散化 模糊划分就是对论域范围确定模糊量的个数 模糊表达就是对模糊量的隶第3章铅睃莆电池的模糊控制 j伙速充I l技术属函数进行定义11 1轮域的量化 执行量化的一般方法如下 设有连续域k b 而量化后得离散论域为 一t m l 1 o 咒一1 咒 亦即将连续论域分为2n段 则存在系数口 q I生 q称为量化因子 3 1 口一口如果在连续论域 口 b 中有值y 并且有口 V 6 则自在离散论域 n 一以 1 0 l一1 n 可以找到元素与之对应 W 口 一半 We 毗一彪 卜 o 以一1 珂 3 2 二离散论域中元素个数与量化相关 在量化过程当中 从一个连续论域量化成一个离散论域 则离散论域中的元素个数也称为量化级数 量化级数一般要求满足下列要求 量化级数应足够多 以满足隶属函数的逼近表达 实践证明量化级数一般的有一个界限 超过这个限定值后 级数的增加对系统的逼近影响将很小 量化级数少 存储空间小 控制效果差 模糊划分 在模糊控制当中 无论是输入论域 或是输出论域 都要选取恰当的模糊量 模糊量数量的选取以利于进行模糊处理 利于提高推理的准确度和正确性的角度来考虑的 在执行模糊划分时 主要考虑数量的选择以及划分的宽度 1 糊量数量的选择原则 在一个论域中 模糊量的划分一般取5 10个较为合适 在实际应用中 模糊划分和量化是有直接关系的 对于考虑量化的场合 如果论域量化后含2疗 1个离散元素 而模糊划分的模糊量为m个 如离散元素的个数是模糊量的P倍 即 2 l 1一P m 3 3 一般情况下 P应该取值为1 5 2 0 2 划分宽度的选择 划分宽度是指在论域中一个模糊量所涉及的元素的多少 划分宽度的选择是以量化之后论域的0元素为原点开始考虑的 划分宽度以0元素的处的 零 模糊量开始 分别往正 负方向对称非线性的增大 划分宽度的非线性要和控制中人们的经验值要比较接近 在控制中 如果偏差大 则用大控制量 如果偏差小 则用小控制量 这时需要细一些 所以 模糊量划分的宽度是随模糊量离0元素的距离22K安人学硕Ij学位论文增大而增加较为恰当 3 模糊表达在论域中模糊量的隶属函数的形状称为该模糊量的模糊表达 模糊表达的目的在于取得最适合于控制目的的隶属函数以是三角形的 梯形及其它形状 目前 尚未能证明什么形状的隶属函数对某一控制目标是最优的 因此 隶属函数大多依赖经验或考虑处理方便而选取 模糊表达一般采取的原则是 模糊量采用对称等腰三角形或者等腰梯形 最正 或 最负 的模糊量一般采用不对称梯形 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出 因此 它实际上是模糊控制器的输入接口 其主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量 基于上述原因 我们在设计模糊表达时采用三角形模型构造隶属函数 同时 在论域的 最正 和 最负 的模糊量处恒为值 1 的不对称梯形 图2 3是采用7个语言值 NB NM NS ZO PS PM PB 论域量化值 3 一2 一l O 1 2 3 之间的三角形表达 我们在设计中就采用这种类型的模糊表达 定义了7个语言变量 PB PM PS ZO NS NM NB和隶属函数表达就可以根据它们的隶属度 求出相应的论域赋值表 为模糊控制提供参考 模糊控制规则 模糊控制规则采用的是形式逻辑中的条件语句的格式 它和形式逻辑不同的是 条件语句的前后件都是模糊量 即这种条件语句是模糊条件语句 在模糊控制中 模糊控制的规则有两种最主要的形式 彳八百一e结构和彳八后一C f a b 结构 这两种形式在模糊控制中大量采用 在实际应用中 一般把这些控制规则做成表的形式 用控制规则表来表示控制规则 比用一系列的条件语句表示更为简洁了 而且 还可以直接从控制规则表中看出输入模糊量和控制量之间的变化趋势 这23第3章铅酸莆lU池的模糊控制1jCJ 速充I I投术给控制规则的优化带来了方便 模糊控制规则是根据人的思维方式对一个被控系统执行控制而总结出来的带有模糊性的控制规则 虽然取得模糊控制规则有各种不同的途径 但是主要是两种最基本的方法 一种是根据人对被控系统的实际操作求取控制规则 另一种是根据对象的特点通过数学处理求取控制规则 12l 在本文中采用的模糊控制规则共49条模糊规则 各个模糊语句之间是 或 的关系 由第一条语句所确定的控制规则可以计算出U 同理 可以由其余各条语句分别求出控制量H1 一 U 则控制量为模糊集合U 可表示为 U 髓1 2 H49 反模糊化方法 在模糊控制系统中 模糊控制器的输入量是模糊量 输出也是模糊量 对于实际被控对象 它所需的控制信号是有 定物理意义的精确值 为了使模糊控制器的输出能对被控对象进行控制 要把它输出的模糊量转换成精确量 这个过程称为反模糊化 反模糊化的方法有很多 本论文控制上所使用的反模糊化方法是重心法 重心法使目前应用很多的反模糊化方法 特点是全面的考虑模糊量的有关信息 同时执行运算较为容易 因此受到人们的广泛应用 重心法也称力矩法 它对模糊量所含有的所有元素都求取其重心元素 这个重心元素无疑是对模糊量反模糊化后得到的精确值 当模糊控制器输出的模糊量I有如下隶属函数时 121 C2 1 1 声 u2 u2 0 h 3 5 翌竺则重心元素的求取公式如下 荟 r 3 6 重心法在本质上是通常所讲的加权平均法 其加权系数取对应是元素的隶属度 3 3充放电控制主电路 该电路为双向SPWM逆变整流电路 它采用电压型逆变主电路 其功率开关器件为绝缘栅型双极晶体管 IGBT 采用电流控制方式 该电路适用于单相电网 适用于家庭和宾馆饭店等一般生活区对电动汽车进行充电 其BP端与BN端分别接蓄电池的正极和负极 电阻R 为软启动电阻 以防止在合闸瞬间由于滤波电容的初始零电压 由于电容上的电压不能突变 在启动的瞬间相当于短路 从而引起产生大的短路冲击电流 在软启动完毕后 电容上的电压达到额定值容许范围内 接触器KM 闭合 短路R 采用SP删技术的蓄电池充放电维护装置 由于其可以方便地实现并网充放电电流的正弦波形和高功率因数控制对电网无污染 在充电时功率因素可以接近 1 在放电时 功率因素可以接近 一1 达到电流和电压的同相序或反相序 因此是高效节能的绿色电源 14 0511161 工作状态分析 当变流器运行于连续导电模式 并忽略其开关过程 即认为开关动作是瞬时完成的 这样一个工作于连续导电模式下的PWM变流器可以用两个线性非时变电路来表示117I 1Sl 他们与一个周期中的两种开关状态相对应 使其状态空间方程分别为在时间间隔DT 0ststo 孟 AlX 在时问间隔 1一D r tostsT 戈一A2工 其中r为P1 l M开关周期 D是占空比 x是状态向量 A1 A 为系统矩阵 将上述两个开关模型综合为一个平均模型为戈 DAl 1一DM2扛 3 18 25 3 3 3整流器的数学模型 忽略电感中的等效电阻 在用理想开关S来代替实际器件 并把与开关器件并联的快恢复二极管融入到理想开关中 当其中之一导通时 即认为i该理想开关导通 用以下方式来定义开关函数1191120 1211 S 一1 S 一0 上桥臂理想开关导通 下桥臂理想开关关断S ocs 一1 I 桥臂理想开关关断 下桥臂理想开关导通考虑到单相电路的对称性 把单相电路看作两个双桥臂单元 相应地把单相电源分为两个电源 U 一一 U 2 电感也分为L k 工 2 这样就可以得到基于开关函数的单项PWM整流器的状态方程 对于a相Ld出i LzUa DN UNo 3一19 当Sl一1 S1 一0 D 一U万当Sl O S1 L D 一0因此式 i 可以写成三鲁maUa s 讥 肋 3 20 同理可以得到 d出i LmUb s2ud RNo 3 21 式 2 和式 3 相加 并注意到 ib O u 6 0可以得到26长安人学硕 j学位论文 加一丢 s峨渺d 3 22 这样式 1 变为L鲁钱一丢 sI S2矽d 3 23 这样式 2 变为 idiIUb 三 s 一S 炒d 3 24 对于直流侧则有c等ffiioSl ibS2 鲁洚25 这样就得到了单相PwM整流器关于开关函数的状态方程 缓冲电路设计 前面对整流器的数学模型进行了分析 这是基于理想开关状态下进行的 而实际工作在硬开关方式下的IGBT 若不断的提高其工作频率会引起以下问题 开通时 开关器件的电流上升和电压下降同时进行 关断时 电压上升和电流下降同时进行 电压 电流波形的交叠产生了开关损耗 该损耗随开关频率的提高而急速增加 反映在电动汽车中一方面 造成能量的损失 另一方面 器件散热部件体积大为增加 当器件关断时 电路中的感性元件感应出尖峰电压 开关频率越高 关断越快 感应电压越高 此电压加在开关器件两端 易造成IGBT器件击穿 当开关器件在很高的电压下开通时 除存在开关器件结电容的能量将以电流形式全部耗散在该器件内 频率越高 开关电流尖峰越大 从而会引起IGBT器件过热损害 另外 二极管由导通变为截至时存在着反向恢复期 开关器件在此期间的开通动作易产生很大的冲击电流对电路造成损害 下面图3 3就是在图3 2的基础上设计的具有开通和关断缓冲功能的电路 在无缓冲电路的情况下 IGBT开通时电流迅速上升 dildt很大 关断时幽 出很大 并出现很高的过电压 在具有缓冲电路的情况下 IGBT开通时缓冲电容G先通过B向IGBT放电 使电流之先上一个台阶 接下来再Jm J醴 di dt抑制电路的k使电流fc上升速度减慢 在关断时 负载电流通过俘 向G分流 减轻了IGBT的负担 抑制了砌 出和过电压 谐振电容和谐振电感及阻容电阻的选择在选择谐振电容前 应首先根据负载确定IGBT驱动的负载电流的最大值 Gmax 外施电压U的最大值以及要求的开关管电压上升时间C 根据所选器件手册 缓冲电容C 大小可以根据下式计算 c 之丝 3 26 2U根据器件手册 所选IGBT的电压上升时间为230ns 计算e 20 x23 0 x10 9 460 10 F 因此可以选择0 47蜥 耐压值为10v的电容 2505 一由电容k G组成的谐振电路在IGBT开通后工作 其谐振电流为 3 27 IGBT开通时缓冲电容G先通过R分流 使电流fc可以较为缓慢的的上升 减小了开通时刻电压电流的曲线重叠区域 选择电阻时 应使若电阻电容的充电时间常数1 r小于开关器件的电压上升时间c 1 f 去s 尺 C 风 坠坠 Q芸 2Q3230 10 928长安大学硕Jj学位论文考虑到电阻上消耗的功率不能太大 因此可以选择电阻30Q 1w的电阻 4基于模糊控制的智能充放电过程 智能充放电过程的作用是对给蓄电池进行充放电控制 它的功能是要求根据不同的电池 控制不同的充电状态 自动检测电池端电压 端电流 的值经过处理后产生电压 电流 偏差和变化率信息 再经过模糊处理 输出电流控制信息 实时和精确地控制充电过程 根据蓄电池自身物理特性 准确检测电池是否充满 提示用户 同时充电器自动进入浮充维护状态 如图3 6所示 整个充电系统是由主电路和控制电路组成 主电路包括充电电源和负载即蓄电池组 控制部分包括信号采样以及模糊控制环节 充电电流调节环和充电电压调节环 控制部分如图中虚线框内所示 整个控制系统全部数字化 通过软件来实现 使得整个硬件系统简单 可靠 方便 灵活 为了便于比较 图中的开关K 是为了方便控制系统描述而加入的 实际上并不存在 通过K 的通断来就可以实现两种不同的充电模式 分别为 1 K都闭合 大电流模糊充放电模式 此时的充电电流给定t 由模糊推理环节决定 它随着蓄电池的充电状态变化而变化 29第3章铅酸莆l乜池的模糊拧制 j快速充I乜技术2 K 断开 恒流充放电模式 此时的充电电流给定值f 可以在充电开始时或充电过程中随时给定 根据电池的温度或电压的某一项指标控制电流的通断 3 4 1模糊控制器设计本装置的模糊控制算法是基于S函数 通过封装与SIMULINK进行连接 Simulink是TheMathWorks公司推出的在MATLAB环境下建立系统框图和仿真的模块库 Simulink环境下可以使用的电力系统仿真模块库 PowerSystemBlockset 其功能非常强大 可以用于电路 电力电子系统 电机系统 电力传输等领域的仿真 在该模块库中有很多模块组 主要有电源 元件 电力电子电机系统 连接器 测量模块组等 本文中的仿真就是建立在Simulink的基础上 将m文件通过S函数进行封装 实现控制方式和电气关系的连接从模糊控制的角度看 从反馈输入到控制信号输出需要经过如下几个步骤 1 将反馈输入的信号蓄电池电压信号和电流信号的实际精确值归算到断续的模糊论域中 同时进行输出量的模糊化 模糊论域的划分根据蓄电池生产厂家所提供的参数所决定 电动汽车标称电压180V 蓄电池标称电压12V 由15组蓄电池串联形成180V 3组串联蓄电池组相互并联组成180V 42Ah的蓄电池组 蓄电池极化电压 单体13 8V 归算到蓄电池体电压为15 13 6V 207V 蓄电池放电终止电压 单体10 5V 归算到蓄电池体电压为15 10 5V 157 5V 蓄电池模糊充电阶段最大电流 蓄电池额定Ah数 42A 2 根据经验数据编写模糊控制规则 3 根据输入信号的模糊化和控制规则以及输出量的模糊化结果 通过重心法进行反模糊化 求出电流给定值 一厂 1 l 厂 2 2 7 7 3 26 挫净27 磊厂 L 3 4 2铅酸蓄电池SPWM双向充放电过程仿真过程及分析 单相PWM整流器的控制目标根据充电原理 可分为两个过程 电压控制过程和电流控制过程 在充电的不同阶段 分别以不同的电压和电流为控制对象 实现整个充电过程的最优 221 231 241 控制原理图如下 首先系统根据蓄电池的荷电状态 判定蓄电池要进入的状态是需要对蓄电池的电压进行跟踪控制 预充电阶段和浮冲阶段 还是要对电流进行控制 大电流快速充电阶段 参考电压玑 与直流侧输出电压玑的差值经电压调节器VR调节后 产生蓄电池充电电流给定信号 枣