(论文)汽车蓄电池性能试验台的设计与实现

该孝走津 硕士学位论文 电动汽车蓄电池性能试验台的设训与实现 导师姓名职称蹇小平副教授 申请学位级别I ：学颤士学科专业名称动儿机械及工程 皓文提交日期! 竺2 竺! 竺I ! 论文答辩刚“! 旦! ! 。! Zl ! 学位授予单位安t = l _ ：学 答辩委员会主府边耀璋教授 学位论文讦阅人边耀璋教授 二瑁芳高工 摘要 电动汽车蓄电池性能试验台( 后简称试验台) 利用软件与硬件相结合的方法对电动 汽车蓄电池组充电特性、放电特性、内阻和容量等的相关参数进行采集、记录与分析， 可对蓄电池充电方法的改进、充电效率的提高以及性能的评价提供全面的参考依据。这 对于电动汽车蓄电池技术的改进、推广、实际运用等方面都是十分有意义的。 本文在论述了蓄电池测试基本原理的基础上，结合铅酸蓄电池的充电可接受曲线及 快速充电原理，提出了电动汽车蓄电池组高压分段恒流充电和低压脉冲快速充电以及检 测为一体的设计方案；结合蓄电池内部电路模型，利用直流法实现了对内阻的测试；通 过对蓄电池容量影响因素的分析，利用内阻法实现了对容量的测试。 试验台的硬件系统主要包括充电系统、放电系统、测控系统等。充电系统整流电路 采用恒流恒压智能模块对三相交流电进行整流，利用工控机对其整流输出电压和电流进 行精确的控制。放电系统由放电电阻和放电控带I J l G B T ( I s o l a t e dG a t eB i p o l a r T r a n s i s t o r ) 模块组成，利用I G B T 开关控制信号的占空比调节实现放电电流的控制。测控系统以工 控机为核心，以数据采集系统为接口，通过蓄电池电压、电流、温度等状态参数的采集、 分析和处理实现对电池性能的测试，采用脉宽调制( P w M ) 方法控制大功率I G B T 的导 通和关断实现对充放电脉冲的控制。工控机根据信号采集系统传来的蓄电池实时状态参 数对整流模块的输出和I G B T 的P W M 控制信号进行智能调节，同时对蓄电池温度、充放 电电流和端电压等进行动态显示，通过软件实现了智能化控制和各种特性曲线的直观显 示，为进一步改善蓄电池充电和放电特性提供了参考依据。 本试验台成功地实现了电动汽车蓄电池组的高压充电，以及对蓄电池的各项性能的 测试，为电动汽车蓄电池的试验研究提供必要的条件，为分析影响蓄电池使用性能的因 素，以及探索蓄电池的最佳充电方案提供依据。另外本试验台具备功能可扩展性，对于 不同的蓄电池可以根据其特性，通过软件修改测试流程，实现多种蓄电池的性能测试。 关键词：电动汽车、蓄电池、性能测试、试验台 A b s t r a c t E l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r yp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m ( a f t e rs h o r ta st e s tp l a t f o r m ) i sa n e q u i p m e n tm a k i n gu s eo fc o m b i n e dm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oc o l l e c t ，r e c o r da n d a n a l y z et h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，i n t e r n a lr e s i d e n c e ， a n dc a p a c i t yo fe l e c t r i cv e h i c l eb a R e r yp a c k ，a n dt op r o v i d eac o m p r e h e n s i v er e f e r e n c ed a t a f o rt h ei m p r o v e m e n to fb a t t e r y c h a r g i n gm e t h o d ，e f f i c i e n c y ，a n dt h ee v a l u a t i n g o fi t s c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi sv e r ys i g n i f i c a n tf o rt h es u c ha s p e c t sa si m p r o v e m e n t ，g e n e r a l i z a t i o n a n dp r a c t i c a le x e r t i o no fe l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r yt e c h n o l o g y B a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h eb a t t e r yt e s t i n gp r i n c i p l e sa n dc o m b i n e dw i mt h ec u r v e so f a c c e p t a b l ec h a r g i n gc u r r e n ta n dt h ef a s tc h a r g i n gp r i n c i p l e ，t h ed i s s e r t a t i o nb r o u g h tf o r w a r d t h em e t h o dt h a ti n t e g r a t e dt h ec h a r g i n gm e t h o d so fm u l t i - s t e pc o n s t a n tc u r r e n ti nh i g hv o l t a g e a n di m p u l s ec u r r e n tf a s t c h a r g i n gi nl o wv o l t a g ec h a r g i n ga n dt e s t i n g A c c o r d i n gt ot h e i n t e r n a lc i r c u i tm o d u l eo fb a R e r i e s ，t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c et e s tW a sr e a l i z e db yu s i n gt h e c o n s t a n tc u r r e n tm e t h o d ；a c c o r d i n gt h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r so fb a t t e r yc a p a c i t y ，t h et e s to f c a p a c i t yW a sr e a l i z e db yu s i n gt h ei n t e r n a lr e s i s t a n c em e t h o d T h eh a r d w a r es y s t e mo ft h et e s tp l a t f o r mW a sc o m p o s e do fs y s t e m ss u c ha sc h a r g i n g s y s t e m ，d i s c h a r g i n gs y s t e m ，t e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m T h er e c t i f yc i r c u i to fc h a r g i n g s y s t e ma d o p t e dc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g ei n t e l l i g e n tm o d u l e st or e c t i f y3 - p h a s e A C ，t h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n to fw h i c hC a nb ec o n t r o l l e dp r e c i s e l yb yc o m p u t e r T h e d i s c h a r g i n gs y s t e mi sc o m p o s e do fd i s c h a r g i n gr e s i s t a n c ea n dI G B T ( I s o l a t e dG a t eB i p o l a r T r a n s i s t o r ) m o d u l ew h i c hc o n t r o l st h ec u r r e n to fd i s c h a r g i n gb ya d j u s t i n gt h ed u t yo fc o n t r o l s i g n a l s T h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ，u s i n gc o m p u t e ra u si t sc o r ea n dt h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m a si t si n t e r f a c e ，r e a l i z e dt e s to f b a R e r yc h a r a c t e r i s t i c sb yc o l l e c t i n g ，a n a l y s i s ，a n dp r o c e s s i n g o ft h es t a t u so fb a R e r i e ss u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，a n dt e m p e r a t u r e T h ec o n t r o lo ft h ec h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n gp u l s e sw a sr e a l i z e db yu s i n gP u l s e W i d t hM o d u l a t i o n ( P W M ) m e t h o dt o c o n t r o lt h eI G B Tm o d u l et or u mo na n do f f A c c o r d i n gt ot h er e a l t i m ep a r a m e t e r so f b a t t e r i e sf r o mt h ec o l l e c t i n gs y s t e m ，t h ec o m p u t e ra d j u s t e dt h eo u t p u to fI n t e l l i g e n tt h y r i s t o r p o w e rm o d u l ea n dt h ec o n t r o ls i g n a l sf o rI G B Ti n t e l l i g e n t l y ，a n dr e a l i z e di n t e l l i g e n tc o n t r o l I I a n dt h e d i s p l a yo fc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e s ，w h i c hw i l lp r o v i d e r e f e r e n c ef o rf u r t h e r i m p r o v e m e n to fb a t t e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c s T h et e s tp l a t f o r mr e a l i z e dh i g hv o l t a g ec h a r g i n go fb a t t e r yp a c k ，a n dt h et e s t so fb a t t e r i e s ， w h i c hp r o v i d e de s s e n t i a lc o n d i t i o nf o rt h ee x p e r i m e n ts t u d yo fb a t t e r i e s ，a n d p r o v i d e d r e f e r e n c ef o ra n a l y z i n gt h ef a c t o r st h a tr e f l e c t st h eu t i l i t yc h a r a c t e ro fb a t t e r i e sa n dp r o b e d i n t ot h em o s ts u i t a b l ec h a r g i n gm e t h o d I na d d i t i o n ，t h ef u n c t i o no ft h et e s tp l a t f o r mc o u l db e e n l a r g e db ym o d i f y i n gt e s tf l o wa c c o r d i n g t ot h ei d e n t i t yo fd i f f e r e n tt y p e so fb a t t e r i e s ，i nt h i s w a y ，m u l t i - t y p eb a t t e r yt e s t i n gw a sr e a l i z e d K e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ，b a t t e r i e s ，p e r f o r m a n c et e s t ，t e s tp l a t f o r m I I I 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弓余丰包凡 砌刁年g 月o E l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：龇鼬 导师签名：差寸 弦夕年乡月，。E l 7 年脚 长安大学硕L 学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 电动汽车是以蓄电池为动力源，由车载蓄电池为电动机提供电能使电机驱动车轮转 动的一种汽车。1 8 8 1 年出现了最早的电动汽车【l 】，之后电动汽车曾经辉煌一时。但内燃 机汽车后来居上，在性能、机动性、整备质量等指标方面远远超过了电动汽车。由于受 蓄电池技术的限制，其比能量低，续行里程短和使用费用高等缺附2 1 ，使电动汽车的发 展一度处于停顿状态。电动汽车在2 0 世纪2 0 年代达到鼎盛时期后一蹶不振，成为“电 平车“ 式辅助车辆【3 】。 电力资源具有来源广泛、可再生、无污染等特性，已广泛应用到社会各行各业。2 0 世纪7 0 年代以来各种高能蓄电池相继问世，它们的比能量和比功率方面有了很大的提 高。另外随着各种高效率的电机的不断出现，使人们把目光再次转向电动汽车【4 】。能源 危机、环境污染等社会问题加速了电动汽车的复兴，电动车辆可以摆脱对石油燃料的依 赖和实现“零污染“ 或“超低污染“ 排放，为电动汽车“东山再起”创造了条件。而高 能蓄电池的发展使得电动汽车的动力性能不断提高，一次充电后的续驶里程也不断延 长。从2 0 世纪7 0 年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样的高性能电动汽 车【5 卅。表1 1 对电动汽车与燃油汽车进行了对比。 表1 1电动汽车与燃油汽车的对比 名称燃油汽车 电动汽车 能源系汽油( 柴油)蓄电池 动力系发动机( 内燃机) 电动机 速度控制系变速器、离合器调速控制器 传动系变速器、离合器、传动轴、驱动桥 传动轴、驱动桥( 固定减速器) 能源补充设施加油站充电站 从上表我们可以看出，发展电动汽车，必须从关键零部件到服务设施进行根本的变 革。其中充电站等服务设施的缺乏是目前阻碍电动汽车发展的一个很关键的因素。中国 燃油汽车产业从基础规模到技术水平相对落后、薄弱，而在发展电动汽车方面，中国与 其他汽车工业强国几乎同时起步，这对中国的汽车工业来说是机遇，也是挑战9 1 0 1 。十 l 第一章绪论 五”期间，国家从维护我国能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力，实现我国 汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项”，从2 0 0 1 年l O 月起，国家共计拨款8 8 亿元作为这一重大科技专项的经费【1 1 t 1 2 1 3 ，1 4 1 。电动汽车是目 前世界上唯一能达到零排放的机动车。由键技术于环保的要求，加之新材料和新技术的 发展，电动汽车进入了发展高潮。与其相关的关研究领域也都成为了国内外研究的热点。 蓄电池是电动汽车的动力源泉，如同心脏对于人的重要性一样，蓄电池的性能是电动汽 车相关技术中的最重要的部分。目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理 想。电动汽车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。比能量决定蓄电 池一次充电后的续航里程数，比功率确定蓄电池所输出的最大功率，对电动汽车的动力 性能有重要影响。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞事，关键是开发出比能量高、比功 率大、使用寿命长、成本低的蓄电池以及迅速高效的充电设备。 智能充电与检测是使实际充电电流动态跟踪电池可接受的充电电流。充电系统由充 电机与被充电电池组成二元闭环回路，充电机根据电池的状态确定充电工艺参数，充电 电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下 充电，做到既节约用电又对电池无损害。 我国电动汽车产业化过程中对蓄电池用量大，但是其充电设备很落后，充电操作环 境也很差，极其需要更新设备和改善充电环境【1 4 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电池技术研究现状 自1 8 6 0 年普兰特用腐蚀的铅箔形成活性物质，实用的铅蓄电池首次出现以来已有 1 4 0 年的历史，其己广泛用作内燃机汽车的起动动力源，并且逐步应用到电动汽车上。目 前市场上的电动自行车、电动摩托车所用的蓄电池大多是铅酸蓄电池，国内外开发投产 的纯电动汽车大多也是采用铅酸蓄电池。在实验阶段铅酸蓄电池作为动力源可以节省实 验费用，为大多数电动汽车科研单位所采用。虽然有不断的新体系涌现，诸如铁镍蓄 电池，镉镍蓄电池，铅银蓄电池，氢镍蓄电池、锂离子二次蓄电池等；但至今，在科 研、生产、应用领域上铅酸蓄电池仍然占主导地位，这是由于它具有如下的优点【l6 】： ( 1 ) 除锂离子二次电池外，在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为2 0 V ； 碱性蓄电池的电压为1 2 V ；锌一银蓄电池的电压为1 6 5 V 1 1 V ； 2 长安大学硕十学位论文 ( 2 ) 原材料易得，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全，在世界范围内均可生产的 即可用于低倍率又可用于高倍率放电的电池，价格为镉一镍蓄电池的1 3 1 5 ： ( 3 ) 可制成小至1 A h 大致几千A h 的各种尺寸和结构的蓄电池： ( 4 ) 高倍率放电性能良好，可用于引擎起动，能以3 5 倍率、9 1 0 倍率，甚至高 达2 6 2 7 倍率的电流放电，放电电压平稳，可靠性好。1 ( 5 ) 高低温性能良好，可在4 0 , - , 6 0 度条件下工作； ( 6 ) 电能效率高达6 0 ； ( 7 ) 充电效率高，易于浮充使用，没有记忆效应； ( 8 ) 易于识别荷电状态。 但蓄电池也具有某些难以克服的缺点： ( 1 ) 使用寿命较镉一镍和铁一镍蓄电池短； ( 2 ) 铅密度大等缺陷，使其比能量低，一般为3 0 - 4 0 W h k g ； ( 3 ) 所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短，制成小尺寸比较难； ( 4 ) 放电态长期保存会导致电极的不可逆硫酸盐化； ( 5 ) 在某些结构和用途中，由于氢化锑和氧化砷析出而引起公害，铅对人体有危害， 如生产、回收不当，易造成铅污染。 虽然铅酸蓄电池存在一定的缺陷，但其优势也是显而易见的。另外，目前铅酸电池 制造企业也在逐渐采用新材料和新工艺来不断提高铅酸蓄电池的性能和减少其对环境 的危害。例如采用阀控密封技术，采用低锑和无锑合金制造技术，以及采用超薄极板等 等。铅酸蓄电池在各种类型的电动车辆上所占的使用比例仍然是最大的【1 7 】。 表1 2 为电动汽车上使用的铅酸蓄电池的种类及其特点等，表1 3 为目前在电动汽车 上可以采用的动力蓄电池性能比较。 表1 2 铅酸蓄电池在电动汽车上的应用【1 6 】 铅酸蓄电池类型主要特点电动汽车类型 开口管式锚酸蓄电池有较高的比能量，良好的循环寿轻型、中型和大型客车，服务 命，自动加水，少维护于环卫车辆 阀控胶质管式铅酸蓄电池有较高的比能量和质量比功率，轻型、中型和大型客车，服务 良好的循环寿命，免维护于环卫车辆，厢式车辆 平板阀控铅酸蓄电池 有较高的比功率 轻型、中型和人型客车，服务 于环卫车辆，货车 薄平板阀控铅酸蓄电池有较高的峰值功率，浅循环放各种用途的混合动力电动汽 电，免维护 车 第一章绪论 表1 3 电动汽车用各种动力蓄电池的性能比较【1 8 ，1 9 】 电池 种类 比能量比功率寿命优点缺点 原材料丰富价格低，技术成熟，开路电压 高，放电电压平稳，充电效率高，可靠性能量密度低， 铅酸 3 5 4 0 5 04 0 0 1 0 0 0 好、生产技术成熟，原材料易得、价格便寿命短 宜 循环寿命长，比能量较高，容易充电、维 重金属镉污 护方便，过充电和过放电性能好，有较高 染严重、有记 镍镉 5 51 9 0 1 0 0 0 以上忆效应价格 倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大， 为铅酸蓄电 深度放电性能好，低温性能好， 池的4 5 倍 比能量大，采片j 机械充电模式，弥补了寿命短，比功 锌空蓄电池充电时间长的不足，性能稳定， 率小不能输 气 1 6 0 小短 安全性好，锌可以回收利用、制造成本入大电流、难 低。以充电 使用温度高， 比能量大、寿命长、转换效率高，可高功 存在高温腐 钠硫 1 0 9 1 5 01 0 0 0 以上 蚀，性能不够 率输出、负载特性好 稳定，使用不 安全 比能量大、寿命长、转换效率高，能量密 钠氯 度高、转换效率高、开路电压( 2 5 8 V ) 化镍 8 61 5 01 0 0 0 工作温度高 高、工作温度范围( 2 7 0 3 5 0 0 C ) 宽、无 自放电等 1 6 0 比能量人、比功率高、可高倍率放电、循 镍氢 7 5 8 0 1 0 0 0 以上 环寿命长，无记忆效应、无污染、免维护、成本较高 2 3 0 安全可靠 单体电压高，比能量大；比功率高；自放电 率低；无记忆效应，循环寿命长：可快速放 锂离 1 1 03 0 01 0 0 0 以上 电，且效率高；工作温度范闱宽；无环境 一致性差。安 子 污染；工作电压高；能量密度高，体积小 全性不高，价 重量轻；负载能力大，可以大电流持续放 格较贵 电，适合于动力电源；安全性好。 1 2 2 充放电设施及充电电源研究现状 铅酸蓄电池充电方法多样，传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电和先恒流后 恒压充电。这些充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易；另一方面充电时 间比较长，充电方法过于单一，控制不当会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本 身的使用寿命。 4 长安大学硕十学位论文 针对传统的充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些 新型的充电方法，如分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇 定电压充电法、变电压间歇充电法等。对铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法已经 得到了广泛的应用。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进， 以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。 充放电设备的种类以及生产厂家很多，控制方式各不相同。国内外充放电设备主要 有以下几种： ( 1 ) 手动操作充放电设备：即由人工确定蓄电池的充放电模式、充放电时间，充放 电电压、电流的大小。这样很难准确地控制蓄电池的充放电。 ( 2 ) 恒压限流充电设备：采用d U d t ( 蓄电池端电压单位时间的变化率) 技术，其基本 特点与恒压限流充电模式相同，但是克服了其容易产生落后电池的缺点。d U d t 检测， 就是检测蓄电池端电压单位时间的变化率。因为d U d t 值越小，充电越安全，所以只要 确定了d U d t 值，充电深度就基本确定，将它作为定义和判断充电终结的条件，是比较 科学的。这种充电模式的主要缺点是：充电电流整定后，只能适应一定容量范围以内的蓄 电池，无法适应容量范围以外的蓄电池，如铁路系统蓄电池的补充充电。这种充电机占 据了欧美充电机的很大一部分市场【2 0 】。 ( 3 ) 快速充电设备：采用脉冲电流充电( 通俗说法是充电周期与放电周期按一定比例 交替进行) ，用负脉冲来消除极化现象，实现大电流快速充电，充电电流可达1 0 0 A 左右 ( 视充电机型号和蓄电池规格而定) ，时间可缩短1 8 1 6 。而蓄电池的内部电化反应反而 进行得十分充分、安全【2 l 】。 ( 4 ) 智能充电设备：解决了动态跟踪蓄电池可接受充电电压、电流曲线的关键技术， 提高了充电质量和效率，是目前最先进的充电技术和充电设备【2 2 1 。 目前在国内许多文章报道的智能充电设备应该具有以下基本特征： ( 1 ) 组成充电设备一蓄电池组二元闭环充电系统，能自动根据蓄电池的充电状态计 算充电工艺参数；可以闭环控制充电电流和充电电压，无须人工干预。实现了动态跟踪蓄 电池可接受充电电压、电流曲线的技术【2 3 】。 ( 2 ) 具有完善的系统自诊断、故障定位和实时处理功能【2 4 1 。 ( 3 ) 应用充电电池电压随时间的变化率以及温度、时间等条件来判断充电的结束时 f 自J 2 5 。 ( 4 ) 结构简单、操作方便、性能可靠、技术指标先进。硬件平台应便于功能扩充和 第一章绪论 技术升级【2 6 】。 ( 5 ) 目前国内大容量充电设备主要采用自藕变压器或晶闸管电路【2 7 1 ，充电机控制 方式可以采用模拟控制方式或微机控制方式控制可控硅充电设备，而发展方向是由微机 控制全控型器件构成的大功率高频开关式充电设备2 引。智能充放电机对充放电过程的控 制多采用单片机完成。 国内对大容量智能充电技术的研究还处于初始阶段，虽然己经有关于智能充电技术 的报道，但是市场上还未见到真正的满足智能充电标准的智能充电设备，一些所谓的智 能充电机多采用恒流递减式改进型充电方式来弥补传统恒流恒压充电方式的不足【2 9 1 ，未 能真正实现动态跟踪电池可接受充电电压、电流曲线的关键技术。同时充电管理还局限 于控制面板的形式，没有对充电过程进行全程监测和记录，没有利用P C 机管理充放电 过程，实现人机直接对话，更没有对整个智能充电过程实行集群控制与管理方面的研究 3 0 l o 国外对蓄电池的性能和理论的研究一直走在我国之前，有关大容量蓄电池智能充电 技术的研究起步也较早，有关充电电路的设计和控制技术十分成熟，主要研究的重点在 于如何减少充电电流的纹波成分，为蓄电池提供安全、高效的充电电源【3 1 1 ，和对恒压充 电技术的研究。集中来说主要是力求设备简单、安全、高效、控制方便。但是对充电过 程的管理不够完善，几乎不能实现在整个充电过程中对蓄电池组的参数估计、断电记忆、 来电自动重启、温度监控，未实现蓄电池组的集群管理与控制【3 2 1 。 目前，常用的充电电源主要有以下三种：相控电源、线性电源、开关电源。 相控电源是较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变晶闸 管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压 器，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响 应差、可靠性能低。 线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电源。 线性电源的功率调整管总是工作在放大区，通过的电流是连续的。由于调整管上的损耗 功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。 开关电源的研究发展历史比较短，在2 0 世纪6 0 年代中期开始了相关的研究，并于 当时研制出了2 0 k H z 的D C D C 变换器，这为开关电源的发展奠定了基础。七十年代， 出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流电不经过5 0 H z 的工频变换器，而是直接 整流再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需的直流。在我国，开关电源的研制比较晚， 6 长安人学硕士学位论文 1 9 6 3 年才开始研制采用可控整流器。几年来，国内众多厂家已经研制生产出自己的开关 电源产品，其性能基本上接近了国际先进水平。 随着电力电子技术和自动控制技术发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开 关器件的出现，使得功率变换器的开关频率大大提高，可大大减小功率变换器中的变压 器体积和重量，以及电感、电容等无源器件的容量，从而可大大减小开关电源的体积和 重量。 开关电源自最初的低频开关电源发展到高频开关电源( 2 0 l ( I - I z 以上) ，其开关频率越来 越高，性能越来越完善，在近期内，开关电源将占据主导地位【3 3 】。 1 2 3 蓄电池检测设备的研究现状 蓄电池的性能的检测设备种类也比较多，按测试内容可以分为三种：内阻检测设备、 容量检测设备和综合检测设备。综合检测设备将多种检测功能进行集成，同时具备测试 内阻、容量、使用寿命、充电特性和放电特性等功能。目前综合检测设备相对来说还不 是很多，大多数检测设备只具备一项或者两项检测功能。其中内阻测试设备种类尤其繁 多，其测量方法也各不相同。蓄电池状态的重要标志之一便是它的内阻。有研究表明， 无论是蓄电池即将失效、容量不足，或是充放电不当，都能从它的内阻变化体现出来。 我们所设计的蓄电池性能试验台是一台综合检测设备。不仅能对蓄电池充电特性、 放电特性、内阻、容量和寿命等进行检测，而且系统具有可扩展性。针对不同的待检蓄 电池特性，可以设置不同的检测方法和检测程序。这一试验设备，能对铅酸蓄电池、镍 氢蓄电池和锂电池等常见蓄电池进行检测。 1 3 设计和研究的内容 进行电动汽车用动力蓄电池性能试验台的设计和研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 蓄电池检测用直流电源和信号采集与监测系统的设计 对蓄电池进行检测的前提是要有性能稳定的电源和较高精度的信号采集和监测系 统。 ( 2 ) 充电系统的设计和充电性能测试技术研究 不同的蓄电池有不同的充电特性，掌握各种蓄电池的充电特性，可以有助于我们正 确使用蓄电池，充分发挥蓄电池的性能。现在，铅酸蓄电池的充电方式总的分为两大类： 常规充电法、快速充电。进行此项研究的目的就是通过比较和探索不同的充电方法，提 7 第一章绪论 高充电效率和蓄电池的使用寿命。本文充电系统设计实现了高压充电和低压充电以及检 测等功能的结合，这是本文的特点之一。 ( 3 ) 蓄电池放电系统的设计和放电特性的研究 放电系统的设计是蓄电池性能试验台设计的一个重要组成部分。蓄电池放电特性的 测试是蓄电池性能测试的一个重要方面，蓄电池的放电特性关系到蓄电池的动力性、寿 命和一次充电后的续驶里程。 ( 4 ) 蓄电池内阻和容量等测试系统的设计 蓄电池的内阻是蓄电池的一个重要参数。内阻包括电化学内阻、欧姆内阻，其内阻 的变化规律不易掌握。通过内阻检测和计算，可以找出蓄电池内阻随充放电时间、充放 电电流变化的规律。 蓄电池容量计算包括剩余容量计算和额定容量计算。其中剩余容量计算方法的研究 是蓄电池性能研究的重点，通过剩余容量的计算可以估算电动汽车的剩余续驶里程。 1 4 设计要求的提出及意义 随着电动汽车研究的深入，对于电动汽车用蓄电池性能测试系统有了一定的需求， 因为这是一个比较新的应用领域，开发者主要集中在一些科研单位或大学中。国内的生 产单位主要是面向电瓶车、电动游览车、蓄电池维护等应用场合，因此检测设备的检测 功能有限，动力蓄电池性能测试项目单一。本文的设计目的是为电动汽车动力蓄电池提 供全面的性能评价，促进电动汽车动力蓄电池相关技术研究，提高动力蓄电池使用寿命 和性能。如前所述电池技术是制约电动汽车产业化进程的重要因素，因此，研制电动汽 车蓄电池大功率智能测试设备具有重要意义。 我们采用的电池组由2 4 块蓄电池组成，根据我们的具体情况，提出了以下设计要求： 1 试验用的电池为铅酸电池，但要能通过简单的软件方面的改动实现对锂离子电池、 镍氢电池的测试。 2 输入市电电压波动范围3 8 0 V 2 0 。要求经整流滤波后输出纹波系数要小。 3 系统功能完备，可实现多功能智能充放电：即高压充电、低压快速充电、大电流 放电；程序充放电和分步充放电。能对单块蓄电池进行内阻和容量等性能的检测。 4 对整组电动汽车蓄电池进行充电，要有较高充电效率，高压充电直流电源系统的 输出电压在1 0 0 3 0 0 V 连续可调，充电电流要能在O 一3 0 A 内连续可调。 5 冶邑够实现低压0 V 一3 0 V 电压可调，0 一I O O A 电流可调，恒流充电、恒压充电以及脉 8 长安大学硕士学位论文 冲快速充电等功能；低压测试部分能够实现各种性能的测试，测试方法要参考电动道路 用动力蓄电池的标准。 6 可达最大电流( 2 0 0 A ) 精确恒流放电的功能，系统可模拟出电动汽车各种工况下蓄 电池放电的电流，并进行放电试验。 7 能实现对其各种特性曲线的直观显示。系统可以实时记录并描绘出充放电时的特 性曲线 8 本系统应具有过充、过流、断路保护功能，系统的绝缘性能良好。系统可以软硬 两种方式对异常工况进行断电、停充、停放电等紧急处理；系统工作时，在系统软件的 监控下对上述的各种指标参数进行分析，并且能够对非干扰的异常信号进行相应的处 理。 9 系统硬件工艺布局设计合理，数据采集节拍控制科学，能够有效地提高蓄电池充 放电效率及提供可靠的试验数据。 1 0 操作方便、功能完备的全中文输出系统控制及分析软件。 1 1 系统可以记录存储每次充放电的监测记录，并能够随时对历史记录调出并打印 出性能分析报告。 我们设计的目的就是在研究蓄电池测试技术的基础上，总结影响蓄电池使用性能的 因素，找出改善蓄电池性能的途径，以及蓄电池的最佳使用方案。研究开发核心在于各 种测试技术的研究、控制方法的开发、蓄电池各种性能的检测和分析等。这些也是本试 验台的特色和关键技术。后续开发包括蓄电池组电池种类和电池单体数量的智能识别， 充电方法的智能转换，以及试验台同电动汽车上车辆能量管理单元通信等。蓄电池的充 放电过程的效率和可靠性会影响整个系统的效率和可靠性。因此本试验台不仅可以对电 动汽车动力蓄电池性能研究提供依据，还可以为后续的电动汽车各项研发工作提供强有 力的技术支持。另外，也可以对大量应用蓄电池的通讯系统、电力系统、U P S 、电动机 车等领域提供必要的技术支持。 9 第二章系统设计总体方案 第二章系统设计总体方案 本蓄电池性能试验台系统主要由直流电源系统、放电系统、控制系统、性能测试系 统等几部分组成。图2 1 为试验台的系统总体结构图。 电动汽车蓄电 图2 1 系统总体结构图 直流电源系统是蓄电池性能试验台的电源系统，为蓄电池性能测试系统、控制系统、 充放电系统提供电源。电池组作为一个特殊的被测装置本身既是一个电源，又是一个容 性负载。如在放电测试时，电池组是作为电源对外放电的；而在充电测试时又是一个负 载。性能测试系统则是利用一定的软件和硬件相结合的方法，对蓄电池进行内阻、容量、 电特性等进行测试。下面对各部分进行分别介绍。 2 1 直流电源系统方案 由于蓄电池测试的特殊性，要求蓄电池测试系统必须具备稳定的直流电源系统作为 保障。直流电源是系统的设计主要是其直流输出的控制和输出纹波电压抑制。因此，其 输出控制的策略和输出滤波的设计非常重要。 2 1 1 直流电源系统分类 电源系统的方案有许多种，其区别主要在整流方式和控制方式等。目前的充电系统 按整流模块的不同，可以分为：可控整流式、不可控整流式；按输入交流电形式可分为： 三相输入式、单相输入式；按电源控制方式分为：相控电源式和高频开关电源式等。 ( 1 ) 可控整流与不可控整流 可控整流所使用的整流元件为可控整流元件，在相同输入条件下，可以通过改变输 入的控制信号的有无和大小来改变整流电路的输出。不可控整流电路在确定的输入条件 下其输出是固定的。 l O 长安大学硕L 学位论文 ( 2 ) 三相输入与单相输入 三相输入和单相输入的区别在于其整流后的输出波形的纹波电压大小。单相输入时 整流器输出纹波电压大，整流出来的直流电不稳定。而三相输入时其整流器输出纹波点 压小，整流输出的直流电较稳定。在给蓄电池充电时，其纹波电压越小越利于对蓄电池 充电过程中参数采集与控制，所以我们采用三相输入。 ( 3 ) 相控整流电源与高频开关整流电源 相控整流电源就是利用晶闸管等移相控制元件实现对交流输入的可控整流输出；高 频开关整流电源则是利用高频开关管的通断实现对整流输出的调节。 当前，国内常用的通讯网和电力网上( 包括铁路) 投入运行的充电装置主要有相控式 和高频开关电源式两种。 2 1 2 相控电源和开关电源方案的对比 相控电源是较传统的直流电源，它的发展历史较长，技术比较成熟。它将市电直接 经过整流滤波后输出直流，通过改变可控硅的导通相位角，来控制整流器的输出电压。 相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，体积比较庞大，价格相对较低。它的缺点 是功率因数低、谐波较高、对电网的影响较大。 由干可控硅的可靠性较高，它所承受的功率可以做到很大( 几千伏，几百安培) ，而 发热量比开关电源所用的功率管小，因此，在发电厂、变电站等大功率场合仍有较多的 应用。当整流负载容量较大时，也应采用对电网来说比较平衡的三相全控桥整流装置。 开关电源在我国的研究发展比较晚，因其体积小、动态响应速度快、输出纹波小、 效率高等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域中，已 经得到了普遍的研究与使用。但相对于相控电源来说，它的价格比较高，而且功率器件 的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场合，相控式的充电装置仍然占有较大 比重。 目前，无论相控充电装置还是高频开关电源充电装置，市场上均有定型产品，基本 上能满足各种容量蓄电池的充电要求。 ( 1 ) 高频开关电源 采用高频开关稳压电源的蓄电池充电系统是未来发展的一个方向。开关电源一般由 功率变换主电路和控制回路两部分组成。其主控制芯片多为数字信号处理专用芯片 ( D S P ) 。主回路有多种不同的拓扑结构，其系统结构如图2 2 所示。 第二章系统设计总体方案 由图2 2 可知，高频开关电源主要是由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、开关 逆变器、高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护动作电路、辅助电源、检测、 监测电路几个部分组成。其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波后得到一 定的直流电压，再通过高频变换器I G B T 模块将直流电压变换成高频交流电压，然后经 高频变压器隔离变压，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，得到 需要的高品质直流电压。 A 图2 2 高频开关电源组成的蓄电池充电系统的结构 其控制回路基本组成模块如图2 3 所示。 图2 3 高频开关电源总体控制回路 控制电路板包括主控电路板、驱动及保护电路板及前端信号处理板三个部分。主控 电路板以D S P 控制芯片为核心，包括外接晶振及复位电路、数据采集电路、P W M 控制信 1 2 长安大学硕一L 学位论文 号发生和输出电路、数据存储电路。驱动及保护电路板以E X B 8 4 1 等混合集成驱动芯片为 核心，在主控板的P 1 I r M 输出信号作用下发生驱动信号，同时也能对I G B T 的过电流进行保 护。由于电流电压信号中有的是直接从高压回路中通过分压的方式采集下来的，容易对 微处理器及其扩展储存器数字电路造成干扰，这里须用前端信号处理板对采集信号进行 预处理，同时也使主控板得到了简化。 ( 2 ) 相控电源 将工控机系统和相控电源控制系统相结合，可以完成一套工作性能良好、性能稳定 的蓄电池充放电装置。其主电路主要包括整流、滤波、信号采集、输出控制等基本组成。 其基本组成模块框图如图2 4 。 图2 4 相控整流电源系统基本组成不意图 图2 5 为采用相控电源时，其总体控制回路。工控机是装置的核心控制部件，它根 据直流侧电流反馈、电压反馈以及温度采样情况，作出温度补偿以后的电压给定和电流 给定，决定了智能充放电装置的工作状态，同时根据外部控制信号以及内部和外部的异 常信号( 如电网波动较大) ，作出保护的动作。电源控制模块决定了相控电源的工作情况， 模块根据工控机的电压电流给定以及电源电压和电流的反馈，为主功率电路提供脉冲触 发信号。 第二章系统设计总体方案 图2 5 相控电源总体控制回路 2 1 3 电源方案的确定 鉴于采用工业控制计算机和三相全控整流模块即可实现对蓄电池充电和放电的智能 管理，而且也可以很方便的扩展测试功能，实现对蓄电池其他性能的测试。因此我们采 用了三相全控型整流电源作为整个系统的电源。三相市电输入主变压器，变压器的副边 有3 0 0 V 、3 0 V 和2 2 0 V 三条输出线路，分别供应高压充电主电路、低压充电主电路和控 制电路。接通主接触器则变压器上电，接通不同的辅接触器可以分别将高压和低压两路 交流信号送往各自的整流模块。为了防止这两路同时接通，控制系统将两个辅接触器的 控制信号