电动车用mhni电池快速充电系统的研究

电动车用mhni电池快速充电系统的研究

近年来，自动诱导车辆（agv）、高尔夫球场车辆和短程电动汽车等特殊电动汽车迅速发展。铅酸电池、Cd/Ni电池、镍锌电池、MH/Ni电池和锂离子电池等被选作动力源。电池需要考虑的因素除功率、容量、比功率和体积等外,还有充电时间和维护的方便程度。通常情况下,自动导引车等专用电动车对动力电池的要求是必须具备2C以上的短时间快速充电能力和一定放电深度下数千次以上的循环寿命。铅酸电池技术成熟、成本低廉,但不能进行快速充电,不适合在需要快速充电的场合使用;Cd/Ni电池可以短时间进行2C快速充电,寿命长、低温性能好且耐过充放电能力强,在需要快速充电的场合得到了广泛的应用,但Cd/Ni电池的比功率小,增加了车辆的质量和体积,电池需要较为复杂的维护。密封MH/Ni动力电池具有比能量高、比功率大、可接受大电流充电和维护简单的优点。由于耐过充、过放的能力差(相对于开口蓄电池),密封MH/Ni动力电池应用于电动车时,在电池充放电过程中需要进行过充和过放保护,这就对快速充电设备提出了新的要求。本文作者研制了适用于自动导引车的MH/Ni动力电池快速充电系统,并研制了PZDK-7智能快速充电机。1过充状态检测本系统的充电对象是MH/Ni动力电池。在充电过程中,电池的内部温度及压力会因为过充电而迅速上升,如果不及时停止充电,充电效率会下降,浪费能源,并可能导致负极贮氢合金氧化和正极膨胀、脱粉以及微应力机械损失等问题,使电池的使用寿命缩短;严重时,还可能会产生爬碱、漏液等问题,甚至发生电池爆炸等事故。为了防止电池过充,需要对电池的多个参数进行实时检测,并将数据提供给充电站控制系统进行运算和逻辑判断,以便对电池的充电过程进行实时控制。为了判断电池的过充状态和过充先兆,需要检测以下参数:电池组的电压Ub及电压变化率ΔUb;单体电池的电压Ubc及电压变化率ΔUbc;单体电池的温度tbc及温度变化率Δtbc;电池组在上次充电结束后放出的容量等。本系统采用的充电终止控制条件如下:①单体电池电压的最大值大于Ubcm(设定范围1.40～1.60V)及电压变化率ΔUbcm为负,m代表最大值;②电池组的电压大于nUbcm(Ubcm设定范围1.40～1.60V,n为串联的单体电池数目)及电压变化率ΔUb为负;此条件适用于单体参数抽样检测的情况。③单体电池温度的最大值大于tbc(设定范围44～46℃)及温度变化率最大值大于Δtcb(设定范围3～5℃/min);④充入容量大于上次充电结束后放出容量的K倍(设定范围1.0<K<1.5);⑤充电总时间大于设定值(根据充入目标容量设定);⑥充电电流小于设定值(设定范围0.05C10～0.30C10A)。同时,通过单体电池电压的一致性来调整恒压充电阶段的恒压值,以得到满意的充电效果。2整体设计2.1电池监测与保护本系统设计的智能快速充电系统,能实现以下功能:①可编程控制恒流恒压充电;②去极化放电;③对电池的参数实时检测,并进行数据运算、逻辑判断和分析;④充电系统故障和电池异常的保护以及报警;⑤具有友好的人机界面,便于参数设定与数据观察;⑥具有输出过压、过流、元件过热和熔断器熔断等多种检测与保护措施;⑦具有通信接口,便于与自动导引车或系统中央控制计算机交换信息和数据。2.2高频变压器电路充电主回路原理简图如图1所示。从图1可知,三相交流电输入经二极管整流桥变为直流,为降低网侧谐波电流并提高功率因数,直流侧采用LC滤波器(L1和C1)滤波。高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构,经变压器、输出整流环节、输出LC滤波器(L2和C2),最后到负载。IGBT开关频率选择为20kHz。该电源的输出为大电流。为降低损耗,输出整流电路采用全波整流结构,且整流二极管采用低导通压降的肖特基二极管。由于二极管电流容量的限制,必须采用多只元件并联;为使输出二极管能够自动均流,减小分布电感的压降,高频变压器采用3只小变压器原边串联、副边并联的结构。充电主回路输出端连接到安装在地面充电板的正负极上,电池的正负极连接到位于自动导引车底部的充电靴正负极上。当自动导引车需要充电时,会自动定位于充电板上方,使充电板和充电靴对接,实现充电站与车载电池的连接。2.3放电时电池的充入过程MH/Ni电池充放电时,内部发生如下的化学反应:负极反应:充电时,正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH,H2O在负极上放电,分解出氢原子吸附在电极表面,这样就会减小极板的有效面积,使极板的内阻增大。由于极板的有效面积变小,充入全部电量所需的时间增加。放电时,NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2,MH内部的氢原子扩散到表面形成吸附态的氢原子,再发生电化学反应。加入放电脉冲后,负极上的氢与负极板上的OH-复合,这个去极化过程减小了电池的内部压力、温度和内阻;同时,充入电池的大部分电荷都转换为化学能,而不会转变为气体和热量。采用充电去极化放电脉冲,可提高充电效率并允许大电流快速充电。为了保持较高的充电效率,设计了去极化负脉冲放电回路,如图2所示。当需要去极化时,将图2中的晶闸管VT导通,电池经过VT向电容C充电,直至电容C充满电,充电电流为零,VT截止;然后导通功率管V,电容通过VT对电阻RL放电,为下一次去极化放电脉冲的形成做准备。2.4电气系统结构本系统的控制电路,实际上是一个实时的检测和控制系统,作为智能快速充电机的监控中心,完成电池充放电过程的控制操作。它包括中央处理单元及外围电路,电压、电流和温度等参数的采集电路,人机对话界面,电流、电压调控电路,开关量输出电路和通信接口电路等部分,可实现参数的设置以及显示、调控等功能。系统结构框图如图3所示。本系统采用西门子公司的S7-200系列可编程控制器(PLC)作为控制单元,模拟量输入采用EM231模块,模拟量输出后利用S7-200系列PLC的PWM端口输出脉宽调制的脉冲信号,经有源滤波电路输出模拟给定信号;扩展了智能键盘的液晶显示器为人机对话界面、红外通信接口和RS-485串行接口,根据现场条件可选择采用红外接口和自动导引车通信,也可通过Mod-bus接口和系统中控计算机通信。3系统的主程序设计本系统采用S7-200系列PLC的CPU226模块作为主控制单元,采用STEP-7组态软件进行编程,除了实行逻辑控制以外,还进行模拟量采集,模拟量给定,充电电流的PID调节及串行口通信功能。充电系统的主程序流程如图4所示。充电电流的控制采用带过程仿真的PID控制算法[如式(4)],M(t)为高频整流充电电路的设定值,M(t)=Ke[1+1·e(t)·dt/Ti+Td·de(t)/dt)](4)通过在PZDK-7智能快速充电机样机上进行实验和调试,电流调节器的增益Ke取1,积分系数Ti、微分系数Td分别取0.65和0.35。4自动导引车系统采用该充电系统为配置有QNFG90型24V/90AhMH/Ni电池(江苏产)的自动导引车进行快速充电,初期充电电流200A,最高充电电压限制为31.5V,充入容量为18～20.7Ah,每次充电时间为6～8min。用该系统每充电一次,自动导引车工作50～70min,每天的充放电次数为13～19次。自动导引车运行60d后,对电池进行容量核对放电,电池的SOC从70.0%