畢業(yè)設計汽車快速充電

1、畢業(yè)設計（論文）中期報告題 目：電動汽車快速充電模式專 業(yè) 自動化 學 生 張山 學 號 120210330 班 號 1202103 指導教師 王新生 日 期 2016-4-21 1論文工作是否按預期進行、目前已完成的研究工作及結果1.1 論文工作是否按預期進行本次設計具體進度安排如下1. 了解、研究鉛蓄電池快速充電原理及其充電方法（1-2周）（1） 研究鉛蓄電池的電化學基礎（2） 認識和分析鉛蓄電池的極化現(xiàn)象（3） 分析并介紹鉛蓄電池的容量及荷電狀態(tài)（4） 鉛蓄電池充電過程的基本分析2、 設計鉛蓄電池快速充電的模糊控制（36周）（1） 通過資料及所學知識熟悉鞏固模糊控制原理（2） 擬設計模糊

2、控制器（3） 對充電設計進行仿真3、 擬運用單片機系統(tǒng)進行軟件電路的設計（7-10周）1.2目前已完成的研究工作及結果 一極化現(xiàn)象的認識當電池有電流通過，使電極偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象，稱為電極極化。在電極單位面積上通過的電流越大，偏離平衡電極電位越嚴重。通電前和通電后電極電位的差叫作過電位。陽極電流產(chǎn)生的電極極化叫作陽極極化；陰極電流產(chǎn)生的電極極化叫陰極極化。平衡電極電位是一個沒有電流流過時，靜止的、相對理想化的狀態(tài)時的一個電極電位。電池極化就是由于電流的流動，而打破靜止狀態(tài)后，實際電極電位偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象。簡單來講，極化就是指所測得的電池電壓偏離實際電壓的現(xiàn)象，測得的電壓會隨靜置時

3、間加長而與實際電壓接近；極化包含歐姆極化、電化學極化以及濃差極化。電子流動的速度肯定大于電極反應的速度，所以極化不可避免。如果電池只是1C以內放電，其極化可以忽略；如果高倍率放電，放電時間則會急劇下降，電池本身發(fā)熱嚴重，甚至于發(fā)脹（放電結束冷卻后可能會恢復原狀），影響電池使用壽命。 消除極化是不可能的，只能通過改變工藝參數(shù)設計，來減輕其極化程度，例如適當提高極片導電劑含量、提高電解液中溶質含量、降低極片的涂敷量、極片壓實適中等等一系列手段。一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個方面的原因。1） 歐姆極化充電過程中，正負離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內阻。為了

4、克服這個內阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。2）濃度極化電流流過蓄電池時，為維持正常的反應，最理想的情況是電極表面的反應物能及時得到補充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應物的擴散速度遠遠比不上化學反應速度，從而造成極板附近電解質溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。3）電化學極化這種極化是由于電極上進行的電化學反應的速度，落后于電極上電子運動的速度造成的。例如：電池的負極放電前，電極表面帶有負電荷

5、，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時，立即有電子釋放給外電路。電極表面負電荷減少，而金屬溶解的氧化反應進行緩慢MeeMe，不能及時補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負電荷減少的狀態(tài)促進金屬中電子離開電極，金屬離子Me轉入溶液，加速MeeMe反應進行?？傆幸粋€時刻，達到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負電荷數(shù)目減少了，與此對應的電極電勢變正。也就是電化學極化電壓變高，從而嚴重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢變負。這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴重。二鉛蓄電池的容量及荷電狀態(tài)2.1蓄電池的容量蓄電

6、池的容量單位是 AH（安時） 也就是 電流與時間的乘積。 100AH容量得電池，充滿電后以100A的電流放電一小時就能把電量放完。50A電流就是2小時放完！ 20A就是5小時 ！當然這個是理論值，實際上是不可能以恒定電流一直放電的。因為電池內阻會隨著電池容量的下降而增大，端電壓會逐漸下降，放電電流減小，最后變成端電壓=0（這時候就已經(jīng)成為過度放電了） 過放電對電池的危害是終生的，放完電的電池如果不及時充電的話，幾個小時內附著在極板上的強酸就會把極板腐蝕掉最終導致電池報廢。所以一般電路中都有蓄電池保護電路，一旦電池電壓低于10.8V就會自動切斷用電，以防止蓄電池因為過放電而損壞。（標稱值12V的

7、蓄電池 內部六格電池格） 用電池的放電電流乘以放電時間來表示電池可以蓄存多少能量，是很形象的一個衡量方法。電池的安時值越大，說明電池可蓄存的能量越多。但是并不表示電池就可以使用這么大電流放電。2.2荷電狀態(tài)(SoC)的定義和測量方法一般SOC的定義是為了準確計算電池的容量，即預測電池的剩余能量。蓄電池的荷電狀態(tài)是不能直接得到的，只能通過對電池外特性電池電壓、電池電流、電池內阻、電池溫度等參數(shù)的檢測來推斷SOC的大小。以上這些參數(shù)與SOC的關系隨電池老化的過程而改變，這中間含有很多不確定因素，而且電動汽車的動力電池的工作狀態(tài)及環(huán)境隨電動車的行駛而隨機改變。三快速充電要求1992年國際先進蓄電池開

8、發(fā)聯(lián)合體ALABC制訂了電動車用鉛蓄電池的開發(fā)目標如表1 所示。表一、電動車鉛蓄電池的快速充電ALABC的開發(fā)目標項目 單位 開發(fā)目標比能量（C/3） Wh/Kg 50 55 50 比功率（80%DOD） W/Kg 150 165 15循環(huán)壽命（SFUDS） 周期 500 1000 500再充電 50%5min 50%3min 50%3min 80%15min 80%10min 80%10min 100%4h 100%30min 100%30mi*DOD(Depth of discharge放電深度)*SFUDS(Simplified Federal Urban Driving Schedul

9、e)從表1 所列數(shù)據(jù)可以看出, 為滿足電動車實用化的需要, 電動車用鉛蓄電池今后發(fā)展方向是: 在提高電池比能量和比功率的同時, 對電池的充電提出了特殊要求:第一, 充電時間特別短, 以往鉛蓄電池每次充電需用8 1 6 h , 現(xiàn)在要求30min 充完電; 第二, 允許每次充電不必充至額定容量的100 %。這樣的要求是否做得到? 這樣做對電池會有什么影響呢?3 .1充電過程分析恒電流充電曲線鉛蓄電池在開路狀態(tài)時, 其端電壓V 。是隨電池荷電態(tài)、電解液濃度和溫度而變化的。新的鉛蓄電池充足電后, 其穩(wěn)態(tài)開路電壓V 。可達到2.14 2.15 V。當電池放電深度達到80 % 時, 其V 。一1.96

10、1.97V。電池充電時, 端電壓V 會逐漸升高, 此時V = Vo+ V (1)式中的V 稱為電池的過電壓。圖為鉛蓄電池恒流充電時端電壓的變化過程。剛接通充電電流時, 電壓會突然升高, 接著就變化非常緩慢, 此時充入的電量基本上用于電池的電化學反應, 將電能轉化為化學能, .并且充電效率最高, 電池溫升不大。當電池電壓達到2.4 o V 之后, 電壓會迅速上升;:此時的充電電流除用于活性物質轉化外, 電極上同時發(fā)生了電解水反應, 正負極上分別產(chǎn)生氧和氫, 因而通常2.4 V稱為析氣電壓。當電池電壓迅速上升到2.6V 以上時, 電池大量冒氣, 溫度迅速升高, 此時的充電效率極低。為使鉛蓄電池充電

11、時間短、充電效率高并且不會縮短電池壽命, 最好將電池的充電電壓控制在2.4 V 以下( 舊電池還要低一些)。鉛蓄電池在端電壓達到析氣電壓時充入的電量取決于充電電流值: 充電電流越大, 充入的電越少, 反之亦然。因而欲提高電池充電效率達到快速充電的目的, 必須盡可能采取措施降低V。3.2 過電壓V 的組成理論電化學早已指出, V是由以下三部分組成的: 歐姆壓降Vo、濃差極化Vc和電化學極化Vo?，F(xiàn)就鉛蓄電池充電過程中出現(xiàn)的情況分述如下:( 1 ) 歐姆壓降Vo歐姆壓降是充電時電流流過電池的純歐姆內阻引起的, 它包括極柱、連接條、匯流排、板柵、活性物質、隔板、電解液的電阻; 這種壓降遵循歐姆定律:

12、Vo= I Rn(2)電池的型號結構一旦確定后, 其歐姆其分布情況閉, 電池內部連接部分的電阻內阻也就基本確定了表2 列出兩種容量約占歐姆內阻6%。的鉛蓄電池充足電后單格電池歐姆內阻表2鉛蓄電池歐姆內阻分布電池容量 極板 電解液 隔板 合計（Ah） ×0.0001 % ×0.0001 % ×0.0001 % ×0.0001 80 2.11 17.8 7.37 62.2 2.37 20 11.85 160 2.31 32 3.72 51 1.19 17 7.24我們以前測得1.05Ah 起動型鉛蓄電池單格歐姆內阻為0.6mn;中12v / 112 A h

13、水平密封鉛蓄電池單電池內阻小于0.3 mn。上述電池用I C 電流充電時, 前者會產(chǎn)生63 m V 的歐姆壓降, 后者的歐姆壓降只有34mV。顯然, 水平式密封鉛蓄電池的快速充電性能會優(yōu)于起動用鉛蓄電池。( 2 ) 濃差極化Vc蓄電池充電時, 在正和負極板上分別進行氧化和還原反應( 放電時則相反) , 使電極附近液層中各種參與電化學反應的離子濃度跟原來溶液中的濃度有所不同, 從而引起電極電位發(fā)生變化, 這種變化稱為儂差極化爪。理論電化學已經(jīng)導出:式中dI 為極限擴散電流,R 為氣體常數(shù),T 為溫度, F 為法拉弟常數(shù); 整個電池的濃差極化V。應當是正和負極濃差極化的代數(shù)和, 且正極的濃差極化大

14、于負極。由于蓄電池的正負極均為多孔性電極, 它比理論上的平板電極要復雜得多; 電池充放電時又包含了多種傳質過程, 并且傳質過程與電化學過程在相互交錯的區(qū)域內同時進行, 再加上多孔電極的物理模型在當前還很不成熟, 因而從理論上計算出電池的濃差極化是比較困難的。實驗得出,正常充電過程的中前期,Vo只有20 一30mV。當充電到后期時, 極板上存在的活性PbSO 已不多了, 而且溶液中的HZSO4含量已很多時, 那么由極板上PbSO溶解而生成的Pb + 濃度就相當?shù)? 極限擴散電流dI 就會減小, 致使I/ dI 值增大,V。就會迅速上升, 導致充電電壓上升, 直到發(fā)生電解水反應。( 3) 電化學極

15、化Ve蓄電池充電時, 正負極板上都要發(fā)生電化學反應, 使正極電位向正方向偏移, 負極電位向負方向移動。這種由電化學反應而引起的電極電位的變化稱為電化學極化爪, 它在數(shù)值上等于:式中的I。為交換電流密度。整個電池的電化學極化V。應當是正負極反應電化學極化的代數(shù)和。由于鉛蓄電池正極PbO2 / Pb5O4體系的交換電流密度遠大于負極體系PbSO 4 / Pb 的交換電流密度, 因而鉛蓄電池充電時發(fā)生的電化學極化Vo實際上主要是由負極反應引起的, (4 ) 式中的I?？梢杂秒姵刎摌O體系的交換電流密度來代替, 其值約為1。一3A c/mZ ( 真實電極面積)。由于鉛蓄電池極板是多孔性的, 其真實面積為

16、表觀面積的數(shù)百倍, 那么真實的充電電流密度也就很小, 其值一般為1·S X l o 一6一S X l o 一A c/ m Z , 所以很容易算出V。很小, 一般只有6一7m V。四實現(xiàn)快速充電的技術途徑為了縮短充電時間, 必須合理地加大充電電流, 并且要在電池電壓達到析氣電壓前充入盡可能多的電量。如何實現(xiàn)這一目標呢?4.1 改進電池設計降低歐姆內阻按照ALABC規(guī)定的快速充電目標,若要求100Ah起動用鉛蓄電池在5min內將電池容量由20%充至50%, 即充入電量為100*(0.5一0.2 ) = 30A h , 則充電電流應不小于30/(5/60 ) = 360A, 即3.6C2。

17、( A ) , 此時電池歐姆360*6*0.00001=0.216V, 電池電壓達到1.97 +0.216 + 0.030+ 0.006=2.23 V, 未到析氣電壓, 電池可以安全充電。水平式密封鉛蓄電池歐姆內阻更小,112A h 單格電池只有0.3mn, 則電池容量在5min 內由20 %充至50 % 需要充電電流為112x (0.5 一0.2 )/ (5/60 ) = 403A , 用此電流充電時的電池歐姆降為403*3X0.00001 =0.121V, 它比起動用電池要低。顯然, 水平密封鉛蓄電池在充至析氣電壓時可以充入更多的電量, 即它的快速充電性能更好。鉛蓄電池若采用銅拉網(wǎng)負板柵,

18、 則會顯著地降低板柵電阻; 這不僅有利于提高活性物質利用率和電池比功率, 而且還改善了電池快速充電性能?？磥聿捎勉~拉網(wǎng)負板柵的鉛蓄電池會給電動車帶來很大好處。4.2 提高反應離子擴散速度這是為了提高鉛蓄電池的擴散電流密度, 也就是推遲電池在充電過程中極限擴散電流出現(xiàn)的時間, 即延遲電池電壓達到析氣電壓的時間, 從而允許加大充電電流,快速充電。減薄極板厚度、增加活性物質孔率、增加板柵跟活性物質的接觸面積, 這些措施均有利于反應物和生成物的擴散過程, 減小濃差極化, 提高了允許的充電電流值, 實現(xiàn)快速充電。但從電池壽命考慮, 極板也不能做得太薄。4.3 改革蓄電池的充電方法脈沖快速充電方法的理論基

19、礎就是通過在充電電流中疊加一定頻率、寬度、高度的負脈沖或短時間的中停充電, 使參加反應的P b + 離子來得及生成并提高其濃度, 又使生成的H + 和H -離子來得及從電極表面附近移開, 其綜合效果是降低了濃差極化, 允許加大充電電流縮短充電時間。應當指出, 鉛蓄電池在充電過程中端電壓是不斷升高的, 也就是說在不同的充電階段蓄電池的極化分布情況是不同的,因而在設計脈沖充電裝置時, 應當根據(jù)電池充電時允許達到的電壓值來自動調節(jié)充電電流時間; 同時還必須按照負脈沖放電過程中電池電壓下降值來自動調節(jié)負脈沖的寬度和高度。這樣雖然充電電流很大,但由于適時地有效地采取了降低濃差極化的措施, 蓄電池電壓上升

20、就慢, 使蓄電池充入更多的電量。目前開發(fā)的智能化充電裝置就是考慮到這些情況后進行設計的。4.4 快速充電對電池壽命的影響大電流快速充電對電池壽命的影響是好還是壞眾論紛紜; 出現(xiàn)這種不同的看法不足為怪。這首先是由于電池壽命不是一致的, 在我們的試驗中觀察到, 即使是從生產(chǎn)線上同時抽取的一批電池, 其循環(huán)壽命甚至可相差1 倍; 再者, 長時期的壽命試驗過程中, 很難保證各批電池的試驗條件完全一致。雖然一般認為大電流充電會縮短電池壽命, 但在文獻中卻報道了在有適當冷卻的情況下, 閥控式密封鉛蓄電池的循環(huán)壽命卻因大電流充電而有改善。我們的試驗表明, 在保持電池充電電壓低于析氣電壓的條件下, 大電流快速

21、充電并沒有給電池壽命帶來不利影響。電動車電池在使用過程中, 可以不必每次充電都充至額定容量的100%， 但每隔一星期( 最好不超過半個月) 應將電池充足電。尤其在不使用電動車時, 更應當將電池充足電后保存。這樣會有利于延長電池的使用壽命。 智能充電特性曲線五模糊控制器設計 模糊控制器1 I(t)- d/dtddD為d/ddt蓄電池主電路ir +模糊控制器2ur + -uj Soc 模糊控制充電系統(tǒng)結構5.1模糊控制器的設計當蓄電池的單格電壓小于2.40，采用大電流充電，采用恒定電流控制，模糊控制器的兩個輸入分別為和，i(n)ir(n)，為充電電流給定值與實際值之差，e(n)-e(n-1)，為誤

22、差的變化率。當蓄電池單格電壓充至2.40V時，采用恒壓控制，這時模糊控制器的兩個輸入分別為電壓給定值和蓄電池實際電壓值的差值U(n)-Ur(n)，及誤差的變化率e(n)-e(n-1)。在恒壓控制過程中，充電電流下降，當電流小于第二段充電電流值時，又采用小電流充電的恒流控制，控制過程類似第一段。按上述三段控制要求設計模糊控制器，即完成恒流恒壓恒流的充電過程。兩種方式下模糊控制器的輸入均為e(n)和e(n)。模糊控制器的輸出采用速度式，其輸出為：z(n)z(n)-z(n-1)式(1)中，z(n)為控制量z(n)的變化率。定義模糊子集各量：NBNegativeBig（負大）；NMNegativeMe

23、dium（負中）；NSNegativeSmall（負小）；ZOZero（零）；PSPositiveSmall（正?。籔MPositiveMedium（正中）；PBPositiveBig（正大）。和 的論域取為-3,-2,-1,0,1,2,3；的論域為-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6；和的模糊子集取為，；的模糊子集取為，；、和 的隸屬函數(shù)均取三角形。根據(jù)對蓄電池充電的控制過程和操作經(jīng)驗，可得模糊控制規(guī)則如表所示。根據(jù) 和在各點的隸屬度，再進行極大極小合成推理運算，可以獲得模糊控制查詢表，即模糊推理的過程。利用加權平均法去模糊化，得出各輸出控制精確值。 的隸屬函數(shù) 的隸屬函數(shù)5.2模糊控制器的設計模糊控制器同樣采用兩輸入和單輸出的形式，兩個輸入