電動(dòng)汽車充放電技術(shù)研究

1、電動(dòng)汽車充放電技術(shù)研究 摘要摘要 鉛酸蓄電池是目前上使用最廣泛的一種電動(dòng)汽車蓄電池，但由于其自身技術(shù)發(fā)展滯后于當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展，成為當(dāng)前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，由于電池技術(shù)不能在很短的時(shí)間內(nèi)有較大的提高，因此當(dāng)前研究的主要方向就是通過別的方式間接的增加蓄電池的容量，即縮短充電時(shí)間以延長行駛里程。因此，本文針對目前蓄電池的實(shí)際情況，通過對蓄電池充放電過程進(jìn)行控制，達(dá)到縮短充電時(shí)間，延長電池壽命和增加行駛里程的目的，達(dá)到蓄電池增加容量的目的。本文的研究方法和內(nèi)容如下：本文的研究方法和內(nèi)容如下： 1根據(jù)鉛酸蓄電池的電化學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了己有的充放電理論和方法，對原有的快速充電法進(jìn)行了改進(jìn)

2、，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，使系統(tǒng)能根據(jù)電池的狀態(tài)，根據(jù)充放電過程的物理、化學(xué)變化，對充電進(jìn)行過程中加入了放電過程來消除極化以縮短充電時(shí)間。 2在此的基礎(chǔ)上將蓄電池充放電過程和雙向SPWM整流逆變技術(shù)相結(jié)合，使得放電深度實(shí)現(xiàn)可控性，進(jìn)一步減小了極化對快速充電的阻礙，縮短了充電時(shí)間，節(jié)約了能源。一、鉛酸蓄電池常規(guī)充電技術(shù)簡介 1 11 1蓄電池參數(shù)蓄電池參數(shù)蓄電池的五個(gè)主要參數(shù)為：容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。壓。電壓的容量通常用Ah(安時(shí))表示。通常電池體積越大，其容量也就越高。標(biāo)稱電壓是指電池剛剛出廠時(shí)正、負(fù)極之間的電

3、勢差。標(biāo)稱電壓是由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。在充、放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池放電時(shí)允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后，電池還繼續(xù)放電，電池兩端電壓會(huì)迅速下降，形成深度放電，這時(shí)，極板上形成的生成物在正常充電時(shí)就不易再恢復(fù)，從而影響電池的壽命。 1.21.2蓄電池充電過程中的化學(xué)變化蓄電池充電過程中的化學(xué)變化蓄電池充電，使得蓄電池

4、極板上的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它在整個(gè)充電過程中，化學(xué)反應(yīng)總的反應(yīng)方程式： 2PbSO4 +2H20=Pb02 +Pb+2H2S04以上反應(yīng)稱為主充電反應(yīng)。其化學(xué)過程叫做電池過程，這是充電時(shí)所必需的。除了主反應(yīng)外，在電解液中，還進(jìn)行著所謂的副反應(yīng)，它包括兩方面，即：正極板表面產(chǎn)生氧氣：負(fù)極板表面產(chǎn)生氫氣：顯然，這個(gè)副反應(yīng)就是水解反應(yīng)，它在充電過程中是我們不希望有的。 1.31.3蓄電池充電過程中的物理現(xiàn)象蓄電池充電過程中的物理現(xiàn)象主要表現(xiàn)為電池的兩極會(huì)發(fā)生“過電壓”，即電池兩極板間的電位差在充電過程中要比不充電時(shí)高一定的數(shù)值，結(jié)果是正極板更正，負(fù)極板更負(fù)，形成“極化”現(xiàn)象。它會(huì)對充電電流起阻礙

5、作用，使電流趨于減小。極化現(xiàn)象可分為三種情況：(1)(1)歐姆極化歐姆極化 即內(nèi)阻所引起的歐姆壓降，隨電流的變化而變化。當(dāng)充電電流停止時(shí)，它立即降為零。(2)(2)濃差極化濃差極化 未充電時(shí)，電池電解液中各處的離子濃度是均勻的。充電開始后，由于發(fā)生了電化學(xué)過程，會(huì)使得正負(fù)極處產(chǎn)生新的離子，這就使得兩極板附近的離子濃度升高，造成與其它地方的電解液的濃度發(fā)生差異，這就是所謂的濃差。根據(jù)電化學(xué)的詳細(xì)分析，只要出現(xiàn)濃差，則電極就會(huì)發(fā)生過電壓極化。此濃差極化會(huì)對充電電流產(chǎn)生影響，阻礙電流流入，如果想消除濃差極化，只需要停充一會(huì)兒，讓離子利用布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)散，或利用瞬間大電流的放電，使得電化學(xué)反應(yīng)朝相反的

6、方向進(jìn)行，達(dá)到新的平衡。(3)(3)電化學(xué)極化電化學(xué)極化 由前面分析的電池過程可以知道，極板間會(huì)產(chǎn)生電子。但是由于電子傳導(dǎo)的速度比化學(xué)反應(yīng)速度要快得多，于是，電池反應(yīng)進(jìn)行的過程中，傳導(dǎo)到極板上的電子一定消耗不完而過剩，形成電荷的累積。電荷的累積將使極板產(chǎn)生過電位，這種電壓被稱為化學(xué)極化。它也會(huì)阻礙電流，使充電電流趨于減少，放慢了電池化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)引起如下的影響：a.副反應(yīng)(水解)加劇，產(chǎn)生大量氣體。b.副反應(yīng)(水解)將產(chǎn)生大量的熱量，使電解液的溫度升高。c.副反應(yīng)(水解)消耗的能量全是無謂消耗，降低了充電過程的能量、效率指標(biāo)。從以上分析可以看出，極化所產(chǎn)生的阻流、氣泡、溫升、能耗等等都是對電池

7、極為有害的，是阻礙電解反應(yīng)的重要因素。此外，充電電流越大，則極化也就越快、越厲害，對電池也就越不利。由于極化現(xiàn)象的存在，使蓄電池固有的可接受充電電流的特征曲線具有以下局限性：初始電流，。有一定的限制。初始電流，。維持時(shí)間很短，并以一定速率衰減。所以，要想提高充電電流的數(shù)值，必須想法消除極化現(xiàn)象。只有消除了極化現(xiàn)象，才可能大幅度的加大充電電流，縮短時(shí)間，達(dá)到快速充電的目的。充電特性如果在充電過程當(dāng)中，以不產(chǎn)生氣泡或微產(chǎn)生氣泡為前提，亦即盡量減少極化，可以寫出蓄電池的允許充電特性(即在不產(chǎn)生氣泡或微產(chǎn)生氣泡的前提下充電電流隨時(shí)間的變化曲線)為： f；toe叫(2-12)式中：卜一電池可接受的充電電

8、流(不會(huì)產(chǎn)生氣泡)，即允許充電電流；，。t=O時(shí)允許的最大充電電流，它由蓄電池的使用狀態(tài)決定；Q稱之為電池的充電電流接受比，又稱固有接受比，它等于口=IC，圖2-4中，為任意一種充電狀態(tài)下，電池接受的充電電流，而C為電池所需要充入的容量。例如，對于全放電電池，當(dāng)t=O時(shí)，CCo，I=Io所以，a=，oCo。從接受比口一IC的定義可以看出，接受比意味著蓄電池允許充入的電流和應(yīng)該充入的容量之比，這個(gè)數(shù)值越高，表示電池的接受能力越強(qiáng)，充電的時(shí)間也越短。圖2-1中I線所示為蓄電池的允許充電特性曲線，只要充電電流不超過這條曲線，電池就不會(huì) 產(chǎn)生氣泡，否則就會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，危及電池的安全。嚴(yán)格的按照指數(shù)

9、型的固有充電特性充電，在技術(shù)上有一定的困難和不便，只要充電電流調(diào)整不及時(shí)，超出這條曲線所限定的數(shù)值，馬上就會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生的氣泡和溫度升高。產(chǎn)生氣泡和溫升的原因仍然如前所述的那樣，是由于電池發(fā)生了極化的緣故，固有充電特性是電池在充電過程中發(fā)生極化與否的分界線，充電電流的數(shù)值一旦超過它，極化就嚴(yán)重起來，馬上就引起電池產(chǎn)生氣泡和溫升。常規(guī)充電時(shí)，由于充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固有特性的數(shù)值，所以基本上不會(huì)產(chǎn)生極化，自然電池也不會(huì)產(chǎn)生氣泡和溫升，但是，充電時(shí)間卻拉的很長。所以目前所用到的充電方法都是取一個(gè)折中，電流既不能太大，不然就會(huì)損傷電池，也不能太小，否則耗時(shí)太長。放點(diǎn)特性蓄電池在使用的過程中，無論是大電流

10、的放電或小電流的放電都會(huì)對鉛酸蓄電池造成損害，大電流放電易造成正活性物質(zhì)脫落，實(shí)際上就是PbSO。晶體從板上脫落下來，J下極活性物質(zhì)的使用壽命決定于放電時(shí)生成的PbSO。的結(jié)晶條件。放電時(shí)，生成的PbSO。是疏松層，那么，充電時(shí)生成的PbO，就是租晶粒的堅(jiān)固物質(zhì)，放電時(shí)，若形成的PbS04是緊密層，那么，充電時(shí)生成的PbO，將以樹枝狀晶體生長，這種晶體在充電末期和放電開始由于微觀和宏觀的熱應(yīng)力的影響易脫落。根據(jù)蓄電池當(dāng)時(shí)狀況，適當(dāng)降低蓄電池放電電流，可以有利于疏松的PbSO。晶體的生成，延長蓄電池的壽命。當(dāng)蓄電池進(jìn)行小電流放電時(shí)，容易造成蓄電池的放電終止電壓過高，此時(shí)若還根據(jù)正常的放電終止電壓

11、進(jìn)行判斷，就容易造成過放電，蓄電池達(dá)到正常的放電終止電壓時(shí)，極板上的PbSO。大量形成，堵塞了大部分反映孔道，這是若繼續(xù)放電，正極極化作用加大，電位大幅度降低，此時(shí)暴露在電解液中的板柵覆蓋層的PbSO。鈍化層變成多孔的PbS04，電解液浸過這些孔使鉛板接觸而腐蝕，引起蓄電池壽命的下降。22快速充電技術(shù)快速充電的特性曲線如圖中II所示，它是通過改造蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線。盡可能地延長蓄電池可接受的大電流時(shí)間曲線來達(dá)到縮短總的充電時(shí)間的目的。13第2市鉛酸蒂IU池快速充|乜技術(shù)圖2-1快速充電曲線圖2-1中II線超出了蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線(斜線部分)，按照馬斯理論，超

12、出部分的電量將用于產(chǎn)生氣體析出，造成蓄電池極板活性物質(zhì)脫落損壞。發(fā)生這種現(xiàn)象的根源是伴隨著大電流的介入，電池的極化現(xiàn)象嚴(yán)重地阻礙電解化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最終將導(dǎo)致蓄電池的不可逆反應(yīng)，為了使持續(xù)大電流能順利地進(jìn)行充電，就必須對蓄電池充放電過程進(jìn)行控制，在一定程度上消除大電流引起的極化現(xiàn)象。解決極化問題是大電流快速充電技術(shù)的關(guān)鍵，也是當(dāng)前條件下電動(dòng)汽車能否推廣的瓶頸問題。大電流充電與極化現(xiàn)象是一對矛盾，這對矛盾將存在于蓄電池充電的全過程。極化現(xiàn)象破壞了蓄電池化學(xué)反應(yīng)的可逆性。消除極化現(xiàn)象主要采取的方法有：(1)強(qiáng)制消除?？赡骐姵厥侵府?dāng)電解池中電流反向時(shí)化學(xué)反應(yīng)亦隨之反向。在大電流充電過程中，強(qiáng)制電流反

13、向，即對蓄電池實(shí)施瞬時(shí)的一定深度的放電。在這個(gè)過程中、蓄電池J下負(fù)極板上尚未參加化學(xué)反應(yīng)的多余電荷各自向著與原來充電相反的方向運(yùn)動(dòng)，極板上原來積累的多余電荷將迅速減少。因而電化學(xué)極化將被消除或減弱。同時(shí)，在放電過程中，電解質(zhì)中的正負(fù)離子也會(huì)向著與原來充電相反的方向運(yùn)動(dòng)，起到了攪拌電解質(zhì)溶液的作用，可以有效地控制濃差極化，蓄電池將把一部分因歐姆極化而形成的熱能轉(zhuǎn)移到負(fù)載上，也可以有效地控制蓄電池的溫升。(2)自然消除。在大電流充電過程中、讓蓄電池瞬時(shí)停止充電，歐姆極化將迅速消失。同時(shí)，對由于電荷運(yùn)動(dòng)、離子遷移和化學(xué)反應(yīng)速度而引起的差異而產(chǎn)生的電化學(xué)極化和濃差極化起到緩沖作用。(3)反饋控制。抑制

14、出氣和溫升是快速充電所要解決的兩大主要問題。而實(shí)踐表明，兩者與蓄電池在充電過程中所產(chǎn)生的端電壓有很大關(guān)系。在消除極化的前提下，單格電池電壓達(dá)到23V以前，其出氣量和溫升并不顯著。因此，通過檢測蓄電池在充電過程中所產(chǎn)生的端電壓，并以此為反饋指令來控制充電電流是適宜的。反饋的目的在于持續(xù)大電流充電一段時(shí)間以后待蓄電池處于出氣階段適時(shí)地降低充電電流，使之按指數(shù)函數(shù)衰減，可以在充電后期有效地抑制出氣和溫升。222快速充電方法快速充電是通過盡可能地延長蓄電池所固有的可接受初始電流的持續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。在這段時(shí)間里，所要解決的問題是消除極化，而消除極化的主要手段是對蓄電池實(shí)施放電，放電量一般為窄而深的放電脈

15、沖。采取的具體方法有2充電全過程引進(jìn)放電脈沖法：采用這種方法，是在充電全過程實(shí)施放電脈沖去極化。整個(gè)充電過程按照“充電停充放電停充充電這一既定的程序周而復(fù)始。權(quán)衡這兩種方法，顯而易見第二種方法更為合理、科學(xué)。這是因?yàn)椋旱谝?，極化電壓是伴隨大電流的介入而產(chǎn)生。在大電流充電的初期，極化電壓就已嚴(yán)重存在，不及時(shí)予以處理，大電流充電在其初期就難以進(jìn)行。第二，采用第一種方法，反饋系統(tǒng)檢測出的蓄電池的端電壓包含有整流疊加電壓的成份，該值隨充電電流大小而異，以此作為指令控制充電過程并不能真實(shí)地反映出蓄電池電動(dòng)勢的增長狀況。第三，經(jīng)驗(yàn)表明，所謂“極化點(diǎn)并不是一個(gè)固定的量值，不同容量的蓄電池，以及蓄電池的殘余容

16、量不同，其極化點(diǎn)也不盡相同。常規(guī)充電優(yōu)缺點(diǎn)1)特定曲線充電：特定充電曲線充電只是針對特定電池進(jìn)行的充電工作，這種方式多使用在對電池特性進(jìn)行測試的情況下，在實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)使用中很少得到使用，不過可以為制定充電策略提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者對電池進(jìn)行性能測試。2)恒流充電：它是目前廣泛使用的一種充電模式，主要適合于活化充電。優(yōu)點(diǎn)：能對電池組中的落后電池完全充電，消除電池電壓的不平衡。缺點(diǎn)：充電時(shí)間很長，析氣嚴(yán)重，能耗高，對電池的損傷較大。3)恒壓充電：一般用于電池中途的補(bǔ)給充電。優(yōu)點(diǎn)：由于充電終期只有很小的電流流過，所以析氣量小，能耗低。缺點(diǎn)：由于充電初期充電電流過大，容易對電池極板造成沖擊，而損傷電池。

17、4)兩階段式充電：在充電初期以一個(gè)較大的恒流值充電，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到一定程度時(shí)而開始出現(xiàn)析氣時(shí)，馬上轉(zhuǎn)入恒壓充電階段，充電電流隨之減少，直至結(jié)束。優(yōu)點(diǎn)：這是一種較好的充電方式。充電初期保證了蓄電池在無析氣的情況下以一個(gè)較快速的方式充電，而充電末期，隨著電池的端電壓上升而自動(dòng)限流充電，安全可靠，省時(shí)節(jié)能。缺點(diǎn)：本質(zhì)上來說，它仍然是一種充電電流無法隨蓄電池充電狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)的單一16K安人學(xué)碩f：學(xué)位論文模式充電方法，所以就仍然無法實(shí)現(xiàn)充電過程的最優(yōu)化。5)脈沖快速充電：對電池用一個(gè)大的脈沖電流充電。它的原理基于馬斯第三定律，可以使電池的充電時(shí)問縮短倒常規(guī)時(shí)間的15110，一般用于緊急充電。優(yōu)點(diǎn)：

18、增大放電容量，減少電池發(fā)熱，提高充電效率：既大大的縮短了充電時(shí)間，又不產(chǎn)生大量氣體和熱量。缺點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率低，出氣率較高，對電池?fù)p害還是較大。第3章鉛酸蓄電池的模糊控制與快速充電技術(shù)1智能模糊與充電技術(shù) 模糊控制是一種基于人的經(jīng)驗(yàn)的，不需要知道被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模同理，對于蓄電池充電這種特殊的工作過程，模糊控制也是一種理所當(dāng)然的選擇。模糊控制可以根據(jù)在充蓄電池的一項(xiàng)或某幾項(xiàng)特性來決定充電電流和電壓的大小，并且隨著蓄電池狀態(tài)的改變而實(shí)時(shí)的改變。相對于常規(guī)充電模式而言，常規(guī)的控制方法只是對某項(xiàng)指標(biāo)的精確控制，但對于在充電過程中，由于蓄電池參數(shù)模型不斷變化，常規(guī)的控制方式就難以動(dòng)態(tài)的根據(jù)蓄電池模型參數(shù)的

19、變化調(diào)節(jié)給定信號的大小，從而無法實(shí)現(xiàn)沖電過程的最優(yōu)化；而模糊化充電模式在整個(gè)充電過程當(dāng)中，根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)而動(dòng)態(tài)的跟蹤蓄電池的可接受充電電流，使得實(shí)際充電電流始終保持在可接受充電電流附近，從而保證蓄電池幾乎在無析氣的狀態(tài)下充電，延長了蓄電池的使用壽命【13】。該方法適用于對各種類型的、處于各種狀態(tài)的電池充電，安全可靠，省時(shí)而且節(jié)能。根據(jù)國外有關(guān)文獻(xiàn)，目前智能化充電模式的研究主要有如下兩個(gè)方向：(1)基于電池荷電狀態(tài)(state of charge)檢測的智能化充電模式：常規(guī)的充電技術(shù)之所以存在諸多缺陷，是因?yàn)樗鼈兌紱]有一套檢測電池荷電狀態(tài)的機(jī)制，蓄電池的充電狀態(tài)得不到反饋，從而無法實(shí)現(xiàn)充電

20、電流的調(diào)節(jié)與蓄電池的需要相適應(yīng)，因此就談不上充電過程的最優(yōu)化，準(zhǔn)確可靠的獲得工作蓄電池的荷電狀態(tài)是一個(gè)智能充電系統(tǒng)的首要任務(wù)，它不僅在被充電的時(shí)候?yàn)槌潆婋娏鞯倪x擇提供了依據(jù)，在放電工作的時(shí)候，也為使用者提供了重要的信息，比如說電動(dòng)汽車上的蓄電池的荷電姿態(tài)就可以預(yù)側(cè)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，同時(shí)可以根據(jù)各個(gè)電池的SOC值，識(shí)別電池組中各個(gè)電池的性能差異，并依此進(jìn)行均衡充電，以保持電池性能的均勻性，最終達(dá)到延長電池壽命的目的。(2)基于模糊控制的智能化充電模式：理論和實(shí)踐研究證明：蓄電池的充、放電過程是一個(gè)十分復(fù)雜的電化學(xué)過程，它具有以下特點(diǎn)：19第3章鋁酸莆I【i池的模糊擰； j快速充I【l技術(shù)多變量

21、：影響充電效果的因素很多，諸如電解液濃度，極板活性物質(zhì)的濃度，環(huán)境溫度等變量的不同，都會(huì)使充電效果產(chǎn)生很大差異。非線性：一般來說，電池的可接受充電電流隨時(shí)問呈指數(shù)規(guī)律下降，不可以簡單的采用恒壓或恒流方式充電，本節(jié)中所提到的兩階段充電法實(shí)質(zhì)就是一種簡單的跟蹤電池可接受充電電流曲線的充電方法。離散性：隨著放電狀態(tài)，使用和保存的歷史不同，即使是兩塊相同工藝的電池也具有不同的充電特性。因此，對于這樣一個(gè)非線性，多變量，強(qiáng)耦合的控制對象，很難按照一般的思維從它的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能合乎要求的控制器，于是采用模糊控制的智能充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它拋開對電池模型的研究，依據(jù)技術(shù)人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在

22、不知道或有限知道電池特性參數(shù)的情況下，通過對電池充電過程中的某幾項(xiàng)輸入或反饋值的判斷來決定充電電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)高效無損傷的充電過程。將模糊控制用于充電關(guān)鍵在于解決如下幾個(gè)問題：(1)輸入模糊變量的選擇：它直接關(guān)系到模糊控制系統(tǒng)是否能夠得到一個(gè)滿意的輸出，一般選取那些最能夠快速，準(zhǔn)確的反映被控對象狀態(tài)的變量作為輸入模糊變量，具體應(yīng)用到充電器中時(shí)，就應(yīng)該選擇最能反映被充電池的荷電狀態(tài)(state of charge)的變量作為輸入使得輸出隨電池的充電狀態(tài)變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)安全、高效的充電。反映電池狀態(tài)的參數(shù)有很多，比如電解液密度；開路端電壓；在線端電壓；庫侖檢測；以上方法的結(jié)合。需要注意的是

23、以下幾點(diǎn)：A、蓄電池的開路端電壓與電解液密度呈線性關(guān)系，檢測它實(shí)際上是問接檢測電池電解液密度，因此它被廣泛的認(rèn)同為電池荷電狀態(tài)的可靠檢測參數(shù)。B、在線端電壓在輸入(輸出)電流為恒定值的情況下，也和電液密度呈近似的線性關(guān)系。它也是庫侖檢測的一種間接方法。C、采用庫侖檢測(有負(fù)載時(shí))和開路端電壓(無負(fù)載時(shí))相結(jié)合的辦法是一種比較精確的方法，同時(shí)它也易于實(shí)現(xiàn)。它的缺點(diǎn)是需要以一定的時(shí)間間隔停止充電來檢測電池端電壓，這樣就影響了充電的效率。如果把電池的在線端電壓標(biāo)為v，通過庫侖檢測電池的容量為C，那么i，dcdt，didc等參數(shù)都可以作為模糊輸入變量，在本設(shè)計(jì)中以充電電流和電池容量之間的關(guān)系作為決定控

24、制量的標(biāo)準(zhǔn)，因此選擇i，didc為模糊變量。(2)模糊變量隸屬函數(shù)的選擇和控制規(guī)則的建立：隸屬函數(shù)與控制規(guī)則一起作為模糊控制器的核心部分需要在技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上不斷的通過實(shí)驗(yàn)加以修證，最20K安人學(xué)碩I：學(xué)位論文后確定最佳方案。321模糊化方法 模糊化是把精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的變換過程，它是模糊控制重要的工程方法。在模 糊化的具體過程中需要進(jìn)行量化、模糊劃分、模糊表達(dá)。量化是指把連續(xù)輸入精確值的 范圍離散化；模糊劃分就是對論域范圍確定模糊量的個(gè)數(shù)；模糊表達(dá)就是對模糊量的隸 第3章鉛脧莆電池的模糊控制j伙速充I【l技術(shù) 屬函數(shù)進(jìn)行定義111 輪域的量化執(zhí)行量化的一般方法如下：設(shè)有連續(xù)域k，b

25、】，而量化后得離散論域?yàn)?一tm-，l+1， ，o， ，咒一1，咒)，亦即將連續(xù)論域分為2n段，則存在系數(shù)口：q：I生； q稱為量化因子。(3-1)口一口如果在連續(xù)論域口，b】中有值y，并且有口V6，則自在離散論域(-n，一以+1 ，0， ，l一1,n)可以找到元素與之對應(yīng)：W；口一半)；We(毗一彪+卜，o， ，以一1珂) (32)二離散論域中元素個(gè)數(shù)與量化相關(guān)。在量化過程當(dāng)中，從一個(gè)連續(xù)論域量化成一個(gè)離散論域，則離散論域中的元素個(gè)數(shù)也稱為量化級數(shù)。量化級數(shù)一般要求滿足下列要求：量化級數(shù)應(yīng)足夠多，以滿足隸屬函數(shù)的逼近表達(dá)。實(shí)踐證明量化級數(shù)一般的有一個(gè)界限，超過這個(gè)限定值后，級數(shù)的增加對系統(tǒng)的

26、逼近影響將很小。量化級數(shù)少，存儲(chǔ)空間小，控制效果差。模糊劃分在模糊控制當(dāng)中，無論是輸入論域，或是輸出論域，都要選取恰當(dāng)?shù)哪：?。模糊量?shù)量的選取以利于進(jìn)行模糊處理，利于提高推理的準(zhǔn)確度和正確性的角度來考慮的。在執(zhí)行模糊劃分時(shí)，主要考慮數(shù)量的選擇以及劃分的寬度。(1)糊量數(shù)量的選擇原則：在一個(gè)論域中，模糊量的劃分一般取5-10個(gè)較為合適在實(shí)際應(yīng)用中，模糊劃分和量化是有直接關(guān)系的。對于考慮量化的場合，如果論域量化后含2療+1個(gè)離散元素，而模糊劃分的模糊量為m個(gè)，如離散元素的個(gè)數(shù)是模糊量的P倍，即，2，l+1一Pm (3-3)一般情況下，P應(yīng)該取值為15-,20。(2)劃分寬度的選擇：劃分寬度是指在

27、論域中一個(gè)模糊量所涉及的元素的多少。劃分寬度的選擇是以量化之后論域的0元素為原點(diǎn)開始考慮的，劃分寬度以0元素的處的“零模糊量開始，分別往正、負(fù)方向?qū)ΨQ非線性的增大。劃分寬度的非線性要和控制中人們的經(jīng)驗(yàn)值要比較接近。在控制中，如果偏差大，則用大控制量。如果偏差小，則用小控制量，這時(shí)需要細(xì)一些。所以，模糊量劃分的寬度是隨模糊量離0元素的距離22K安人學(xué)碩Ij學(xué)位論文增大而增加較為恰當(dāng)。(3)模糊表達(dá)在論域中模糊量的隸屬函數(shù)的形狀稱為該模糊量的模糊表達(dá)，模糊表達(dá)的目的在于取得最適合于控制目的的隸屬函數(shù)以是三角形的、梯形及其它形狀。目前，尚未能證明什么形狀的隸屬函數(shù)對某一控制目標(biāo)是最優(yōu)的，因此，隸屬函

28、數(shù)大多依賴經(jīng)驗(yàn)或考慮處理方便而選取。模糊表達(dá)一般采取的原則是：模糊量采用對稱等腰三角形或者等腰梯形；“最正”或“最負(fù)”的模糊量一般采用不對稱梯形。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出，因此，它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口，其主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量?；谏鲜鲈颍覀冊谠O(shè)計(jì)模糊表達(dá)時(shí)采用三角形模型構(gòu)造隸屬函數(shù)，同時(shí)，在論域的“最正”和“最負(fù)”的模糊量處恒為值“1”的不對稱梯形。圖23是采用7個(gè)語言值“NB”，“NM”，“NS，“ZO，“PS，“PM，“PB論域量化值(-3，一2，一l，O，+1，+2，+3)之間的三角形表達(dá)。我們在設(shè)計(jì)中就采用這種類型的模糊表達(dá)。

29、 定義了7個(gè)語言變量：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB和隸屬函數(shù)表達(dá)就可以根據(jù)它 們的隸屬度，求出相應(yīng)的論域賦值表，為模糊控制提供參考。模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則采用的是形式邏輯中的條件語句的格式，它和形式邏輯不同的是：條件語句的前后件都是模糊量，即這種條件語句是模糊條件語句。在模糊控制中，模糊控制的規(guī)則有兩種最主要的形式：彳八百一e結(jié)構(gòu)和彳八后一C：f(a，b)結(jié)構(gòu)，這兩種形式在模糊控制中大量采用。在實(shí)際應(yīng)用中，一般把這些控制規(guī)則做成表的形式，用控制規(guī)則表來表示控制規(guī)則，比用一系列的條件語句表示更為簡潔了。而且，還可以直接從控制規(guī)則表中看出輸入模糊量和控制量之間的變化趨勢，這23第3章

30、鉛酸莆lU池的模糊控制1jCJ,速充I【I投術(shù)給控制規(guī)則的優(yōu)化帶來了方便。模糊控制規(guī)則是根據(jù)人的思維方式對一個(gè)被控系統(tǒng)執(zhí)行控制而總結(jié)出來的帶有模糊性的控制規(guī)則。雖然取得模糊控制規(guī)則有各種不同的途徑，但是主要是兩種最基本的方法：一種是根據(jù)人對被控系統(tǒng)的實(shí)際操作求取控制規(guī)則；另一種是根據(jù)對象的特點(diǎn)通過數(shù)學(xué)處理求取控制規(guī)則【12l。在本文中采用的模糊控制規(guī)則共49條模糊規(guī)則，各個(gè)模糊語句之間是“或的關(guān)系，由第一條語句所確定的控制規(guī)則可以計(jì)算出U，。同理，可以由其余各條語句分別求出控制量H1一，U。，則控制量為模糊集合U，可表示為：U=髓1+,2+ +H49 (反模糊化方法在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器

31、的輸入量是模糊量，輸出也是模糊量。對于實(shí)際被控對象，它所需的控制信號是有定物理意義的精確值。為了使模糊控制器的輸出能對被控對象進(jìn)行控制，要把它輸出的模糊量轉(zhuǎn)換成精確量，這個(gè)過程稱為反模糊化。反模糊化的方法有很多，本論文控制上所使用的反模糊化方法是重心法。重心法使目前應(yīng)用很多的反模糊化方法，特點(diǎn)是全面的考慮模糊量的有關(guān)信息，同時(shí)執(zhí)行運(yùn)算較為容易，因此受到人們的廣泛應(yīng)用。重心法也稱力矩法。它對模糊量所含有的所有元素都求取其重心元素，這個(gè)重心元素?zé)o疑是對模糊量反模糊化后得到的精確值。當(dāng)模糊控制器輸出的模糊量I有如下隸屬函數(shù)時(shí)【121：C 21)“1+聲,(u2)u2+ 0。)h。(35)“；翌竺則重

32、心元素的求取公式如下： 薈r) (3-6)重心法在本質(zhì)上是通常所講的加權(quán)平均法，其加權(quán)系數(shù)取對應(yīng)是元素的隸屬度。33充放電控制主電路該電路為雙向SPWM逆變整流電路，它采用電壓型逆變主電路，其功率開關(guān)器件為絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)，采用電流控制方式。該電路適用于單相電網(wǎng)，適用于家庭和賓館飯店等一般生活區(qū)對電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負(fù)極，電阻R。為軟啟動(dòng)電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，由于電容上的電壓不能突變，在啟動(dòng)的瞬間相當(dāng)于短路，從而引起產(chǎn)生大的短路沖擊電流，在軟啟動(dòng)完畢后(電容上的電壓達(dá)到額定值容許范圍內(nèi))，接觸器KM，閉合，短路R。采用S

33、P刪技術(shù)的蓄電池充放電維護(hù)裝置，由于其可以方便地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)充放電電流的正弦波形和高功率因數(shù)控制對電網(wǎng)無污染，在充電時(shí)功率因素可以接近“1，在放電時(shí)，功率因素可以接近“一1“，達(dá)到電流和電壓的同相序或反相序，因此是高效節(jié)能的綠色電源【14】051 1161。工作狀態(tài)分析 當(dāng)變流器運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)電模式，并忽略其開關(guān)過程，即認(rèn)為開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)完成的， 這樣一個(gè)工作于連續(xù)導(dǎo)電模式下的PWM變流器可以用兩個(gè)線性非時(shí)變電路來表示117I1Sl， 他們與一個(gè)周期中的兩種開關(guān)狀態(tài)相對應(yīng)，使其狀態(tài)空間方程分別為 在時(shí)間間隔DT(0 s t sto：孟；AlX) 在時(shí)問間隔(1一D)r(to s t s T：戈一A2

34、工) 其中r為P1】lM開關(guān)周期，D是占空比，x是狀態(tài)向量，A1，A，為系統(tǒng)矩陣，將上述 兩個(gè)開關(guān)模型綜合為一個(gè)平均模型為 戈=【DAl+(1一DM2扛(318) 25333整流器的數(shù)學(xué)模型忽略電感中的等效電阻，在用理想開關(guān)S來代替實(shí)際器件，并把與開關(guān)器件并聯(lián)的快恢復(fù)二極管融入到理想開關(guān)中，當(dāng)其中之一導(dǎo)通時(shí)，即認(rèn)為i該理想開關(guān)導(dǎo)通，用以下方式來定義開關(guān)函數(shù)1191 1201211：S。一1(S。一0)上橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通，下橋臂理想開關(guān)關(guān)斷S。；ocs。一1)I-橋臂理想開關(guān)關(guān)斷，下橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通考慮到單相電路的對稱性，把單相電路看作兩個(gè)雙橋臂單元，相應(yīng)地把單相電源分為兩個(gè)電源，U。一一=U。

35、2，電感也分為L。-k=工，2，這樣就可以得到基于開關(guān)函數(shù)的單項(xiàng)PWM整流器的狀態(tài)方程：對于a相Ld出i_Lz Ua-DN+UNo) (3一19)當(dāng)Sl一1S1一0，“D一U萬當(dāng)SlO,S1=L“D一0因此式(i)可以寫成三魯maUa-(s。譏+“肋) (3_20)同理可以得到d出i_LmUb-(s2ud+RNo) (321)式(2)和式(3)相加，并注意到+ib。O,u。+“60可以得到26長安人學(xué)碩j學(xué)位論文“加一丟(s峨渺d (3_22)這樣式(1)變?yōu)長魯錢一丟(sI-S2矽d (3_23)這樣式(2)變?yōu)閕diI Ub-三(s：一S。炒d(3-24)對于直流側(cè)則有c等ffiioSl+

36、ibS2-魯洚25，這樣就得到了單相PwM整流器關(guān)于開關(guān)函數(shù)的狀態(tài)方程。緩沖電路設(shè)計(jì)前面對整流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，這是基于理想開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際工作在硬開關(guān)方式下的IGBT，若不斷的提高其工作頻率會(huì)引起以下問題：開通時(shí)，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行：關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加，反映在電動(dòng)汽車中一方面，造成能量的損失，另一方面，器件散熱部件體積大為增加。+當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路中的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓。開關(guān)頻率越高，關(guān)斷越快，感應(yīng)電壓越高，此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成IGBT器件擊穿。當(dāng)開關(guān)器件在很高

37、的電壓下開通時(shí)，除存在開關(guān)器件結(jié)電容的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)，頻率越高，開關(guān)電流尖峰越大，從而會(huì)引起IGBT器件過熱損害。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂習(xí)r存在著反向恢復(fù)期，開關(guān)器件在此期間的開通動(dòng)作易產(chǎn)生很大的沖擊電流對電路造成損害。下面圖3-3就是在圖32的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的具有開通和關(guān)斷緩沖功能的電路在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時(shí)電流迅速上升，dildt很大，關(guān)斷時(shí)幽出很大，并出現(xiàn)很高的過電壓，在具有緩沖電路的情況下，IGBT開通時(shí)緩沖電容G先通過B向IGBT放電，使電流之先上一個(gè)臺(tái)階，接下來再Jm_!J醴_didt抑制電路的k使電流fc上升速度減慢；在關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過俘：向G

38、分流，減輕了IGBT的負(fù)擔(dān)，抑制了砌出和過電壓。諧振電容和諧振電感及阻容電阻的選擇在選擇諧振電容前，應(yīng)首先根據(jù)負(fù)載確定IGBT驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流的最大值，G max、外施電壓U的最大值以及要求的開關(guān)管電壓上升時(shí)間C(根據(jù)所選器件手冊)，緩沖電容C。大小可以根據(jù)下式計(jì)算：c。之絲(326)。2U根據(jù)器件手冊，所選IGBT的電壓上升時(shí)間為230ns，計(jì)算e20 x230 x10-9；46010F，因此可以選擇047蜥，耐壓值為10v的電容。2 50 5。， 一由電容k、G組成的諧振電路在IGBT開通后工作，其諧振電流為：(327)IGBT開通時(shí)緩沖電容G先通過R分流，使電流fc可以較為緩慢的的上升，減

39、小了開通時(shí)刻電壓電流的曲線重疊區(qū)域，選擇電阻時(shí)，應(yīng)使若電阻電容的充電時(shí)間常數(shù)1r小于開關(guān)器件的電壓上升時(shí)間c，1f。去s 尺。C。風(fēng)墜墜!Q蕓。2Q3 23010928長安大學(xué)碩Jj學(xué)位論文考慮到電阻上消耗的功率不能太大，因此可以選擇電阻30Q，1w的電阻。4基于模糊控制的智能充放電過程 智能充放電過程的作用是對給蓄電池進(jìn)行充放電控制。它的功能是要求根據(jù)不同的 電池，控制不同的充電狀態(tài)，自動(dòng)檢測電池端電壓(端電流)的值經(jīng)過處理后產(chǎn)生電壓 (電流)偏差和變化率信息，再經(jīng)過模糊處理，輸出電流控制信息，實(shí)時(shí)和精確地控制 充電過程。根據(jù)蓄電池自身物理特性，準(zhǔn)確檢測電池是否充滿，提示用戶，同時(shí)充電器 自

40、動(dòng)進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。 如圖3-6所示，整個(gè)充電系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成，主電路包括充電電源和負(fù)載即蓄電池組，控制部分包括信號采樣以及模糊控制環(huán)節(jié)、充電電流調(diào)節(jié)環(huán)和充電電壓調(diào)節(jié)環(huán)?？刂撇糠秩鐖D中虛線框內(nèi)所示，整個(gè)控制系統(tǒng)全部數(shù)字化，通過軟件來實(shí)現(xiàn)，使得整個(gè)硬件系統(tǒng)簡單、可靠、方便、靈活：為了便于比較，圖中的開關(guān)K，是為了方便控制系統(tǒng)描述而加入的，實(shí)際上并不存在，通過K，的通斷來就可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的充電模式，分別為：1)K都閉合：大電流模糊充放電模式。此時(shí)的充電電流給定t由模糊推理環(huán)節(jié)決定，它隨著蓄電池的充電狀態(tài)變化而變化；29第3章鉛酸莆l乜池的模糊擰制j快速充I乜技術(shù)2)K，斷開：恒流充放

41、電模式。此時(shí)的充電電流給定值f?？梢栽诔潆婇_始時(shí)或充電過程中隨時(shí)給定，根據(jù)電池的溫度或電壓的某一項(xiàng)指標(biāo)控制電流的通斷。341模糊控制器設(shè)計(jì)本裝置的模糊控制算法是基于S函數(shù)，通過封裝與SIMULINK進(jìn)行連接，Simul ink是The MathWorks公司推出的在MATLAB環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真的模塊庫，Simulink環(huán)境下可以使用的電力系統(tǒng)仿真模塊庫(Power System Blockset)，其功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真。在該模塊庫中有很多模塊組，主要有電源、元件、電力電子電機(jī)系統(tǒng)、連接器、測量模塊組等，本文中的仿真就是建立在Simu

42、l ink的基礎(chǔ)上，將m文件通過S函數(shù)進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)控制方式和電氣關(guān)系的連接從模糊控制的角度看，從反饋輸入到控制信號輸出需要經(jīng)過如下幾個(gè)步驟： (1)將反饋輸入的信號蓄電池電壓信號和電流信號的實(shí)際精確值歸算到斷續(xù)的模糊 論域中，同時(shí)進(jìn)行輸出量的模糊化。 模糊論域的劃分根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠家所提供的參數(shù)所決定： 電動(dòng)汽車標(biāo)稱電壓180V，蓄電池標(biāo)稱電壓12V，由15組蓄電池串聯(lián)形成180V，3 組串聯(lián)蓄電池組相互并聯(lián)組成180V，42Ah的蓄電池組； 蓄電池極化電壓，單體138V，歸算到蓄電池體電壓為15136V=207V； 蓄電池放電終止電壓，單體105V，歸算到蓄電池體電壓為15105V=157

43、5V； 蓄電池模糊充電階段最大電流，蓄電池額定Ah數(shù)，42A；(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)編寫模糊控制規(guī)則。 (3)根據(jù)輸入信號的模糊化和控制規(guī)則以及輸出量的模糊化結(jié)果，通過重心法進(jìn)行 反模糊化，求出電流給定值。 ，一廠(，1)，l+廠(，2)，2+ +，(，7)，7 (326) 挫凈27， 磊廠(L)342鉛酸蓄電池SPWM雙向充放電過程仿真過程及分析 單相PWM整流器的控制目標(biāo)根據(jù)充電原理，可分為兩個(gè)過程，電壓控制過程和電流 控制過程，在充電的不同階段，分別以不同的電壓和電流為控制對象，實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電過 程的最優(yōu)【221【231【241，控制原理圖如下：首先系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)，判定蓄電池要進(jìn)入的狀態(tài)是需要對蓄電池的電壓進(jìn)行跟蹤控制(預(yù)充電階段和浮沖階段)還是要對電流進(jìn)行控制(大電流快速充電階段)，參考電壓璣與直流側(cè)輸出電壓璣的差值經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器VR調(diào)節(jié)后