机载蓄电池快速充电控制研究

机载蓄电池快速充电控制研究

1能量补充环节存在问题飞机充电是飞机的应急准备电源。如果主电源出现故障，它将执行飞机的必要任务，并承担起安全返回飞机的责任。目前,机载蓄电池的能量补充环节存在着诸多问题:一是充电效率低,按常规的保障方法,机载蓄电池的能量补充过程一般需要几小时到十几小时不等,严重制约了飞机的再次出动速度,满足不了战时高强度、快速出动的要求;二是充电方法不当,导致了机载蓄电池提前报废,影响了训练和作战任务的完成。采用合适的快速充电方法,既可以提高充电效率,缩短蓄电池的充电时间,又可以减少充电过程对蓄电池寿命的影响,对机载蓄电池具有重大的现实意义。2快速充电和蓄水的原理2.1加速了蓄电池的使用寿命从蓄电池的原理可知,充电电流越大,蓄电池正负电极在放电时所消耗的有效物质就恢复得越快。但是,这只是实现蓄电池快速充电的一个方面,如果充电电流大于蓄电池可接受的充电电流,将会有部分电能不能通过正负电极的化学反应转变为化学能,这部分电能就会电解水,产生大量气体,使电池内部的压力、温度升高,加速了蓄电池正负电极间隔膜的损伤,缩短蓄电池的使用寿命。研究表明,蓄电池可接受的充电电流可以用图1所示的指数曲线来表示,其函数表达式为:式中,I0为t=0时蓄电池可接受的充电电流;a为蓄电池的充电接受率,它决定了充电过程中蓄电池可接受电流的衰减速率。因此,要实现安全的快速充电,就必须使充电电流始终接近蓄电池可接受的充电电流。2.2蓄电池充电时,正电极电子的流速垂直,有电流通过电极时,电极电位偏离平衡电位的现象称为电极的极化。产生电极极化现象的根本原因是,电流通过电极时,电极反应释放或吸收电子的速度小于流出或流入电子的速度。例如,在蓄电池充电时,正电极电子被迫移向负电极,而正电极释放电子的氧化反应速度和负电极吸收电子的还原反应速度却不能及时增大到与正电极电子的流出速度和负电极电子的流入速度相适应。因而正电极电子不足,电位升高,负电极则电子多余,电位降低,正、负电极间的电位差升高,阻碍了蓄电池的充电。极化现象是影响充电速度的重要因素。电极的极化对蓄电池充电的影响主要表现在以下3个方面。2.2.1膜电阻和电解电阻蓄电池具有一定的内阻,它包括极板电阻、正负极板间隔膜电阻和电解液电阻。在充电过程中,它一方面阻碍了充电的进行,降低了充电效率,另一方面,充电电流通过内阻产生热量,造成蓄电池在充电过程中的高温,损伤蓄电池。2.2.2离子液体辅助的电解液在没有电流通过蓄电池时,电解液中各处的离子浓度是均匀的,但是,在蓄电池充电时,离子浓度将会变得不均匀。因为电极反应会消耗或产生一部分离子,消耗的离子要由电解液中的离子依靠扩散作用来补充;新产生的离子也要依靠扩散的作用迁移到远离电极的电解液中。而离子的扩散需要一定的时间,这就使得消耗离子的电极附近相关离子的浓度降低,产生离子的电极附近相关离子的浓度升高,电极附近的电解液出现了浓度差,这就是浓差极化。浓差极化的程度与电极电流的大小和离子的扩散条件有关,充电电流大、电解液粘度大(低温时)以及离子的扩散路径长(充电后期,化学反应深入到电极内部)等,都会加重浓差极化的程度。浓差极化阻碍电极化学反应的进行,影响蓄电池的充电速度。2.2.3充电温度对蓄电池放电后负电极电势的影响电流通过电极时,电极上的电化学反应产生或吸收电子的速度低于电极上电子流出或流入的速度,这种现象就是电化学极化。例如:蓄电池在充电前负电极表面所带负电荷与附近溶液带有的正电荷数量相等,处于平衡状态。充电时,在充电电源电动势的作用下,立即有电子从外电路转移到负电极,负电极表面负电荷数量增加,原来的平衡状态被打破,促使负电极进行还原反应,吸收电子,而这种化学反应进行缓慢,不能及时吸收电极表面增加的电子。随着充电的进行,逐渐达到新的动态平衡,但与充电前相比,负电极表面的负电荷数目增多,导致电极电势变低。同样,蓄电池的正电极表面所带正电荷数目增加,电极电势变高。充电时,这种由于电化学极化而使正电极电位升高、负电极电位降低而产生的电化学极化电压阻碍了正常的充电电流。2.3放电效率和放电速度中放电电极内循环电路设计的研究从以上电极极化产生极化电压的机理可知,极化电压的产生,阻碍了极板上化学反应的进行,降低了充电效率。要实现蓄电池的快速充电,就必须采取措施消除或减小极化电压。极化电压的大小与充电电流的大小和变化有关,实验研究表明,在对蓄电池进行充电的过程中,适时地暂停充电、加入放电脉冲,可有效地消除或减小各种极化电压,加快电极活性物质的反应速度,提高充电效率,从而加快蓄电池的充电速度。在停止充电时,欧姆极化消失,浓差极化和电化学极化也逐渐减弱;放电脉冲作用时,浓差极化和电化学极化将迅速消失。放电脉冲还可以有效地防止极板结晶,击碎已经出现的结晶颗粒。同时,由于极化现象的大大减弱甚至消失,电极充电化学反应可以深入到极板内部进行,激活电极内部的活性物质,从而大大提高蓄电池的有效容量。另外,脉冲电流充/放电有加强电池极板韧性的作用,有利于提高蓄电池的循环使用寿命。3蓄电池可接受的充电电流平衡蓄电池的充/放电是一个复杂的电化学变化过程,在充电过程中,充电电流只有遵循图1所示的指数规律变化,充电效果才能又快又好。但是,在传统的充电过程中,不管是采用恒流充电方式还是恒压充电方式,充电电流经常偏离蓄电池可接受的电流值,或者说充电电流该大的时候不大,该小的时候不小。此外,由于蓄电池存在个体的离散性,即随着放电状态、使用和保存的历史不同,即使是两只工艺相同的蓄电池,其充电电流、最大容量和最佳充电方式也不会完全相同,也就是说,蓄电池可接受的充电电流曲线会随蓄电池的不同或蓄电池状态的不同而变化。为此,我们基于机载蓄电池的充/放电特性、结构、保障程序、保障标准和保障技术,对影响机载蓄电池快速充电的各种因素及描述方法进行了研究,确定了预充电、快充电、补充电和涓流充电的四阶段充电模式。3.1开始使用快速充电对长期不用、新电池或温度较低(T<10℃)的蓄电池,如果一开始就采用快速充电,就会损伤蓄电池。这种情况下,应先用小电流充电,使其满足快速充电所需条件,这个阶段称为预充电。预充电的充电电流一般不超过1/10C(C为蓄电池的额定容量)。3.2脉冲放电去极化充电过程当T≥15℃时自动转为快速充电。在快速充电阶段,可通过相关状态参数的监测和控制,消除或尽量减轻蓄电池正负电极的极化现象,最大限度地加快蓄电池的化学反应速度和深度,迅速恢复蓄电池的容量。快速充电的速率一般在1C以上,根据前面所讲的蓄电池快速充电的原理,采用了脉冲充电、脉冲放电去极化的方法。这种方法的特点是,在充电的全过程都适时加有去极化的放电脉冲。充电工作周期包括正向充电、反向脉冲放电和停止充电维持3个阶段,如图2所示。正向充电使蓄电池充入电量;放电脉冲减轻快速充电过程中电极的极化程度,使充入电池的大部分电能都转变为化学能,而不会转变为气体和热量,大大提高了蓄电池的充电效率;而停充维持阶段可使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气重新化合而被吸收,减少了析气量,提高蓄电池的充电电流接受率。在快速充电过程中,连续检测蓄电池的电压、电压变化率(dV/dt)和温度等控制参数,当出现以下情况时,自动转入下一个充电状态:电压达到析气电压;两次测试之间,电池电压变化率为零或者变为负值;电池温度达到最高允许值。由此可见,这种充电方法,一方面能够提高蓄电池充电接受率,打破了蓄电池常规充电接受曲线的限制;另一方面能够适时跟随蓄电池可接受的充电电流曲线的变化,大大提高了充电速度。3.3防止蓄电池过度充电补充充电是在蓄电池快速充电结束后,以较小的电流继续充电的过程。它一方面可有效地防止蓄电池过量充电,避免蓄电池过充损伤,另一方面,又可保证蓄电池充入100%的电量。对航空蓄电池,补充充电速率一般不超过0.3C(通过调整充电电流的占空比来实现)。战时,该阶段可省略。3.4蓄电池特殊维护阶段涓流充电也称维护充电,它主要用于补充充足电后存放的蓄电池因自放电而损失的能量。其充电速率一般在0.1C以下。在不对蓄电池进行特殊维护时,该阶段可省略。机载蓄电池快速充电过程如图3所示:4蓄电池使用控制措施通过适时监控蓄电池的充电状况,采用了定时控制、温度及温度变化率控制、蓄电池端电压及端电压变化率控制的联合作用,保证蓄电池充足电而又不过量充电,同时有效防止了快速充电过程对蓄电池造成的损伤。4.1充电时间设定对于常用的机载蓄电池而言,采用上述的四阶段充电模式,初始容量为0的蓄电池,在1.25C充电速率下,蓄电池1h可充足;用2.5C充电速率,30min可充足。因此,根据蓄电池的容量和所需充电电流,即可确定充电所需的时间。这样,只要预先设定好充电时间,充电时间达到设定时间,定时器就发送信号停止充电或选择转为下一个充电状态。定时器由单片机承担其功能。这种方法较为简单,但由于被充蓄电池存在个体差异或起始充电状态不完全相同,存在过充电和欠充电的风险。4.2温度及其变化状况为克服单纯以时间指标进行控制存在的问题,同时满足充电过程对温度的要求,在时间控制的基础上,采用了4种温度控制方法:最高温度(Tmax)控制、温升变量值(ΔT)控制、温度变化率(ΔT/Δt)控制、最低温度(Tmin)控制。正常充电时,蓄电池温度变化得不是十分明显,但是,当蓄电池过量充电时,其内部温度却会快速上升。因此,通过监控蓄电池内部温度及其变化状况,就可判断蓄电池的充电程度。当温度或温度变化率达到设定值时,即发出停充信号。在温度降低到一定值时,可自动转入下一充电阶段。4.3充电进行程度判断在蓄电池的充电过程中,其端电压及其变化具有如下特点:(1)随着充电的进行,蓄电池端电压逐渐升高,充电末期电压最高;(2)充电初期电压上升快,中期上升慢,中后期又上