電動汽車用鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)研究

電動汽車用鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)研究

以電動汽車為電源的電動汽車被認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色項目。這一出現(xiàn)將汽車工業(yè)的發(fā)展引入了一個新領(lǐng)域。目前，電動車核心部件中的電動機、控制器和車體三大部件在理論和技術(shù)上已發(fā)展得較為成熟，而另兩大部件———蓄電池、充電器的發(fā)展還不能滿足電動汽車的要求，作為能量再次補充的充電器常規(guī)充電時間過長，快速充電技術(shù)至今仍未能完全解決，由于充電不當(dāng)使整個充電過程存在著嚴(yán)重的過充電和析氣等現(xiàn)象，充電效率低，這些都嚴(yán)重地制約著電動車的發(fā)展。目前，我國的電動車用動力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，這主要是由于鉛酸蓄電池具有技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。電動車用動力蓄電池與一般蓄電池有所不同，它以較長時間中等電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電，用于起動、加速或爬坡。一般來說，電動車用蓄電池多工作在深度充放電工作狀態(tài)。因此，對電動車用動力蓄電池的快速充電提出了不同于常規(guī)電池的要求，它應(yīng)具有充電時間短、充電效率高以及對蓄電池使用壽命影響小的特點。1脈沖充電緩解電池極化的作用機理脈沖充電方式的許多優(yōu)勢是以選擇合理的脈沖充電參數(shù)為前提的，實際應(yīng)用中往往由于對充電規(guī)律掌握不夠而無法體現(xiàn)脈沖充電的優(yōu)勢，甚至?xí)斐呻姵負(fù)p壞等副作用,因此了解快速脈沖充電理論是非常必要的。影響電池快速充電的因素主要有歐姆極化，濃差極化，電化學(xué)極化和溫度。電池以一定電流充放電時，普遍存在三種極化：歐姆極化由電池各連接部分的電阻造成；濃差極化是由于溶液中離子擴(kuò)散過程的遲緩性，造成在一定電流下電極表面與溶液本體濃度差而產(chǎn)生極化；電化學(xué)極化由電極表面電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性造成。電池極化使電池內(nèi)部壓力加大，溫度上升，外部表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，造成電池充電接受能力的下降。脈沖充電可以有效緩解電池極化。圖1為鉛酸蓄電池的動態(tài)電路模型。該模型把電池描述成一個等價的電路網(wǎng)絡(luò)。由于蓄電池充放電過程的復(fù)雜性，模型中各個變量都受諸多參數(shù)的影響，并且表現(xiàn)出非常強的非線性。其中E代表電池的電動勢，R0代表電池的歐姆內(nèi)阻，兩條電容支路分別代表充放電過程中電池的濃差極化和電化學(xué)極化，Ig支路代表一定條件下電池的極化及析氣反應(yīng)。在實際的充電過程中，電池析氣的產(chǎn)生可視為一個門控過程，也就是說，圖中G點的電壓低于閥值UGth時，電池的極化不嚴(yán)重，只產(chǎn)生微量析氣，而G點的電壓高于UGth時，電池將產(chǎn)生嚴(yán)重極化，大量析氣，這不但會降低充電效率，阻礙充電電流，降低充電速度，而且會造成電池的溫度急劇升高，損壞極板，對電池造成傷害。通過電池模型可以看出，在充電過程中，電池電動勢E增加，電容C1、C2兩端電壓逐漸升高，為了維持UG盡可能地接近UGth，隨著充電的進(jìn)行，電池的可接受電流越來越小。這時雖然電荷的積累速度越來越慢，但電壓還是在逐步上升，造成溫度的持續(xù)上升和電壓的“虛高”，以致于在充電后期出現(xiàn)充不進(jìn)電，充不滿電或充滿后電壓下降，以及過壓過熱等現(xiàn)象的發(fā)生，因此只能采取電流越來越小的充電方式。連續(xù)充電方式無法從根本上解決充電效率低，充電時間長，消除極化等問題，無法滿足車輛對充電性能和續(xù)駛里程的要求，嚴(yán)重制約了電動汽車的發(fā)展。脈沖充電方式在充電G點電壓接近閥值電壓UGth時，適時進(jìn)行停充電或反向瞬間大電流放電，從而泄放掉電容上積累的電荷，有效緩解極化，使G點電壓迅速下降，電池可接受電流變大。充電接受電流是充電時間的指數(shù)函數(shù)，因此脈沖充電可以持續(xù)以大電流充電，極大縮短充電時間，達(dá)到快速充電目的。2稱重傳感器的工作原理和硬件設(shè)計2.1充電過程控制鉛酸蓄電池對充電性能的最佳要求是：(1)能夠快速充滿電池容量；(2)在整個充電過程中減小溫升幅度，提高效率。由反饋控制理論得知,要使系統(tǒng)中某一或幾個物理量具有較理想的動、靜態(tài)特性,同時具有較高的抗干擾性能,可引入該物理量的負(fù)反饋。由于充電器的被控對象為充電電流和蓄電池的電動勢,充電器應(yīng)采用電壓、電流負(fù)反饋閉環(huán)控制方式。單片機快速充電控制系統(tǒng)通過監(jiān)控鉛酸蓄電池的電壓、電流和溫度在充電過程中的變化，自動調(diào)節(jié)脈沖寬度，并通過短時間暫停充電或瞬時反向大電流放電來去除極化，從而使充電曲線逼近理想充電曲線，允許充電電流變大，達(dá)到縮短充電時間，提高效率的目的。這種快速脈沖充電器將根據(jù)檢測到的充電器工作狀態(tài)，分段調(diào)整充電脈沖寬度和電流，首先用脈沖寬的大電流脈沖充電，蓄電池的端電壓迅速上升，當(dāng)電壓上升到設(shè)定的電壓值U1時，電池已經(jīng)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，這時單片機發(fā)出指令信號，充電器暫停充電，并啟動放電電路，瞬時大電流放電能量回饋給交流輸入的大電解電容；當(dāng)電池端電壓達(dá)到設(shè)定值U2時，充電器間歇暫停充電；根據(jù)反饋電壓自動調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，減小充電電流，經(jīng)過短時間停止充電，蓄電池的極化電壓迅速下降，如此反復(fù)循環(huán)；分階段調(diào)整充電脈沖占空比和充電電流，可以加快充電速度，減小溫升，適度消除蓄電池的極化現(xiàn)象，提高蓄電池充電效率。2.2機構(gòu)組成及主電路分析快速充電系統(tǒng)主要由AC/DC變換器、直流輔助電源、IG-BT模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機、脈沖調(diào)寬芯片UC3875、電流傳感器、電壓傳感器、IGBT驅(qū)動電路、放電回路以及與外界通訊的CAN、232接口等部分組成?？焖俪潆娖饔布到y(tǒng)框圖如圖2所示。三相380V交流電經(jīng)過整流濾波等環(huán)節(jié)變成直流輸入電壓。充電策略控制器通過驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關(guān)IGBT工作在40kHz高頻開、關(guān)狀態(tài)，把直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制的交流電壓，然后由變壓器把交流電壓變換成需要的輸出交流電流和電壓值，最后通過輸出整流濾波又把它變成所需的直流電對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。同時經(jīng)過反饋電路形成閉環(huán)及時調(diào)節(jié)電壓、電流值以滿足充電要求，通過檢測電池的端電壓，充電電流以及電池表面溫度等充電條件進(jìn)行決策。放電電路可以把放出的能量進(jìn)行回收以提高效率。輔助電路提供器件工作電壓，保護(hù)電路防止過流、過壓、過熱，以保證系統(tǒng)安全、可靠地工作。充電器硬件的主電路拓?fù)洳捎昧艘葡嗫刂迫珮蜍涢_關(guān)變換器結(jié)構(gòu)。它通過零電壓開通和關(guān)斷主電路能大幅減小IGBT在開通和關(guān)斷時的損耗，有效提高變換器的效率。同時它可以減小器件的電流和電壓應(yīng)力，使電磁干擾情況得到極大改善，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。圖3為帶輔助支路的PS-FB-ZVS-PWM變換器的主電路。其中,D1～D4分別是開關(guān)管Q1～Q4的寄生二極管,C1～C4分別為Q1～Q4的寄生電容,Q1和Q3構(gòu)成超前橋臂,Q2和Q4構(gòu)成滯后橋臂,Q1和Q3分別領(lǐng)先于Q2和Q4一個相位。Lr是變壓器漏感,相對于不帶輔助支路的移相全橋變換器,它的電感量大大減小。La、Ca1、Ca2、Da1、Da2共同構(gòu)成輔助支路。每個橋臂的兩個開關(guān)管成180°互補導(dǎo)通,兩個橋臂的導(dǎo)通角相差一個相位,即移相角,通過調(diào)節(jié)移相角可以調(diào)節(jié)輸出電壓。該變換器實際應(yīng)用運行良好。在帶輕載情況下變換器整機效率>92%，滿載時效率最高，達(dá)到92.7%。同時在很寬的頻率范圍內(nèi)（20～40kHz）都能保持正常工作，而且變換器效率變化非常小，這說明電路完全實現(xiàn)了軟開關(guān)，從而使開關(guān)管的動態(tài)損耗減小到最小。3帶放電的脈沖充電算法對恒流-恒壓充電方式、分階段變電流和帶放電的脈沖充電方式進(jìn)行實驗比較，數(shù)據(jù)如表1所示。通過比較，采用變電流的脈沖充電方式比傳統(tǒng)的恒流-恒壓充電方式的充電時間減少了12.1%，充電接受率增加了6.64%，蓄電池的溫升減小了3.6%。帶放電的脈沖充電具有最短的充電時間，溫升較高，但在允許的范圍內(nèi)。綜合考慮，帶放電的脈沖充電是一種較好的充電方式。從圖4的充電和溫度曲線上可以看出，在充電初期蓄電池的充電接受率相對較高，使用大電流充電可以迅速提高電池的充電容量；在充電過程中期，通過暫停充電，使蓄電池端電壓下降，減小充電電流和改變充電脈沖占空比，延長停止充電的時間，避免蓄電池端電壓迅速上升，提高了蓄電池的充電接受率，適當(dāng)?shù)叵穗姵貎?nèi)部的極化現(xiàn)象，減小了電壓上升的幅度，提高了電池的充電接受率；在充電末期，由于極化現(xiàn)象的存在，使得蓄電池對充電的接受率繼續(xù)下降，通過進(jìn)一步減小充電電流，使蓄電池保持最佳的充電接受率的情況下減小電池的極化現(xiàn)象和溫升。4脈沖充電控制策略(1）理論和實踐表明，脈沖充電方式與常規(guī)的恒壓限流充電方式比較，充電時間更短，溫升更小。采用帶放電的脈沖充電會取得更佳的效果。(2）電池的去極化是有限度的。隨著充電的不斷進(jìn)行，允許接受的充電電流有減小的趨勢。所以充電策略是分階段的，在不同階段應(yīng)采取不同的脈沖充電參數(shù)，把電池的溫升和充