電動汽車用鉛酸蓄電池快速充電技術研究

電動汽車用鉛酸蓄電池快速充電技術研究

以電動汽車為電源的電動汽車被認為是21世紀的綠色項目。這一出現將汽車工業(yè)的發(fā)展引入了一個新領域。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，快速充電技術至今仍未能完全解決，由于充電不當使整個充電過程存在著嚴重的過充電和析氣等現象，充電效率低，這些都嚴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成熟、成本低、電池容量大、跟隨負荷輸出特性好、無記憶效應等優(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為前提的，實際應用中往往由于對充電規(guī)律掌握不夠而無法體現脈沖充電的優(yōu)勢，甚至會造成電池損壞等副作用,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生極化；電化學極化由電極表面電化學反應的遲緩性造成。電池極化使電池內部壓力加大，溫度上升，外部表現為內阻上升，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絡。由于蓄電池充放電過程的復雜性，模型中各個變量都受諸多參數的影響，并且表現出非常強的非線性。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極化，Ig支路代表一定條件下電池的極化及析氣反應。在實際的充電過程中，電池析氣的產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，電池的極化不嚴重，只產生微量析氣，而G點的電壓高于UGth時，電池將產生嚴重極化，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充不進電，充不滿電或充滿后電壓下降，以及過壓過熱等現象的發(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函數，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，達到快速充電目的。2稱重傳感器的工作原理和硬件設計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,充電器應采用電壓、電流負反饋閉環(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檢測到的充電器工作狀態(tài)，分段調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，當電壓上升到設定的電壓值U1時，電池已經出現極化現象，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；當電池端電壓達到設定值U2時，充電器間歇暫停充電；根據反饋電壓自動調節(jié)輸出脈沖的占空比，減小充電電流，經過短時間停止充電，蓄電池的極化電壓迅速下降，如此反復循環(huán)；分階段調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象，提高蓄電池充電效率。2.2機構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、脈沖調寬芯片UC3875、電流傳感器、電壓傳感器、IGBT驅動電路、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動電路驅動功率開關IGBT工作在40kHz高頻開、關狀態(tài)，把直流輸入電壓轉換成脈寬調制的交流電壓，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行充電。同時經過反饋電路形成閉環(huán)及時調節(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行決策。放電電路可以把放出的能量進行回收以提高效率。輔助電路提供器件工作電壓，保護電路防止過流、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撲采用了移相控制全橋軟開關變換器結構。它通過零電壓開通和關斷主電路能大幅減小IGBT在開通和關斷時的損耗，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構成超前橋臂,Q2和Q4構成滯后橋臂,Q1和Q3分別領先于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共同構成輔助支路。每個橋臂的兩個開關管成180°互補導通,兩個橋臂的導通角相差一個相位,即移相角,通過調節(jié)移相角可以調節(jié)輸出電壓。該變換器實際應用運行良好。在帶輕載情況下變換器整機效率>92%，滿載時效率最高，達到92.7%。同時在很寬的頻率范圍內（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了軟開關，從而使開關管的動態(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行實驗比較，數據如表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。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，適當地消除了電池內部的極化現象，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，由于極化現象的存在，使得蓄電池對充電的接受率繼續(xù)下降，通過進一步減小充電電流，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，在不同階段應采取不同的脈沖充電參數，把電池的溫升和充