电动汽车充放电技术研究.ppt
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1、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
2、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,11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
3、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
4、+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
5、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
6、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
7、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=
8、IC,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,CCo,I=Io所以,a=,oCo。 从接受比口一IC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
9、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,
10、 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
11、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。,22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
12、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
13、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
14、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23V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。,222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
15、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
16、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
17、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 16 K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
18、间的15110,一般用于紧急充电。 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
19、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(state of charge)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
20、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
21、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
22、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(state of charge) 的变量作为输入使得输出随电池的充电状态变化而变化,
23、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
24、端电压标为v,通过库仑检测电 池的容量为C,那么i,dcdt,didc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,didc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 20 K安人学硕I:学位论文 后确定最佳方案。,321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
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