（机械工程专业论文）高功率因数pwm整流型充电机的开发.pdf

j e 立童亟太堂童些亟堂焦监虫塞擅要 中文摘要 本课题所要研究的高功率因数p w m 充电器主要是为电动汽车蓄电池进行充 电的装置，也可以对大量使用蓄电池的设备进行充电。该充电器和常规充电器相 比有着其自身的特点：高功率因数、快速充电。 由于对充电特性有特殊的要求，为了控制简单并且可靠性高，在主电路中采 用了高频开关器件i g b t ，试验电路中可采用m o s f e t 。在充电过程中由于要保持 很高的功率因数( 本课题中为1 ) ，并且要采用脉冲充电的方式达到快速充电的效果， 因此控制方案比较复杂，采用硬件集成电路很难达到要求，本人在控制电路中采 用了1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 进行控制。在试验结果中可达到了功率因数为1 的目 的，脉冲充电波形也已经形成。 需要提出的是，本电路方案存在着其自身的不足：由于充电器的输入变压器 采用的是普通的工频变压器，因而对大功率充电器来说体积比较庞大。此外，跟 踪电抗器的电抗值大也会造成没备比较笨重。由于上述原因，使得此类充电器只 适合商用充电器( 类似于现在的内燃机汽车加油站) 。 关键词：高频开关器件i g b t ；m o s f e t ；8 0 c 1 9 6 k c j e 立窑迪盔堂童些亟堂焦监旦s ! 丛! a b s t r a c t t h i sp 印e rw h i c hs t u d i e st h ep o w e r t o rp w mr e c t m c a t i o nc h a r g e rm a i n l y s u p p l i e st 1 1 ei n s t a l l a t i o no ft h e e l e c t r i ca u t o m o b i l ea c c u m u l a t o r ，a l s oe l e c t r i f i e st h e e q u i p m e n tu s e dt h ea c c u m u l a t o tt h i sc h a r g e rc o m p a r e dc ot h ec o n v e n t i o n a lc h a r g c rh a s i t so w nc h a r a c t e r i s t i c ：p o w e rf a c t or ，r 印i dc h a r g er a t e b e c a u s eo ft h es p e c i a lr e q u e s tt ot h ec h a r g ec h a r a c t e s t i c ，i no r d e r t oe a s yc o n c r o l a n dt h eh i 曲r e l i a b i l i t y i ta d o p t sh i 曲f r e q u e n c ys w i t c hc o n l p o n e n ti g b ti nt h em a i n c i r c u i ta i l dm o s f e th lt h ee l e c t r i cc i r c u i te x p e r i m e n t s h lt h ec h a r g i n g u p ，b e c a u s eo f m a i n t a i n i n gt h ev e r yh i 曲p o w e rf 犯t o r ( m i st o p i ci s1 ) a i l dm u s tu s i n gt h ew a yt ot 1 1 e p u l s ec h a r g et oa c h i e v et h er a p i dc h a r g er a t et h ee f r e c t ，t h e r e f o r et h ec o n n d lp l a ni s c o m p l e x i ti n a c c e s s i b l yu s e st h eh a r d w a r ei n t e 掣a t e dc i r c u i t s oiu s e s16m o n o l i t h i c i m e g r a t e dc i r c u i t s8 0 c 1 9 6 k ci 1 1t h ec o n t r 0 1c i r c u i tt oc a r r yo nt h ec o n t m l h 1m et e s t r e s u l tt h ep o w e rf a c t o rc a na c h i “el ，t h ep u l s ec h a r g ep r o 丘l ea l s oa l r e a d yf b l l l l s n e e d i n gt op r o p o s e ，t 1 1 i se l e c t r i cc n u i tp l a nh a si t so w ni n s u m c i e l l c y ：b e c a u s et h e b a t t e r yc h a 唱e ri n p u tt r a n s f o r n l e ru s e sl a b o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd 印r e s s o r t h eh i 曲 e m c i e n c yb a t t e r yc h a r g e rh a s t h eh u g ev o l m e j na d d i t i o 如t h eb i gv a l u eo ft r a c k r e a c t a i l c ea l s oc r e a t e st h ee q u i p m c n tt ob eu n w i e l d yb e c a u s eo fm ea b o v er e a s o n ，t h i s k i n do fb a t t e r yc h a r g e ro n l ys u i tt ot 1 1 ec o m m e r c i a lb a t t e r yc h a r g e r ( b es 抽1 i l a rt ot h e f i l l i n gs t a t i o no f m ep r e s e n ti n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n c ) k e y w o r d s ：h i 鲈疗e q u e n c y s w i t c hc o m p o n 锄t 】g b t ；m o s f e t ：8 0 c 1 9 6 k c 致谢 本论文的工作是在我的导师张家栋教授的悉心指导下完成的，张家栋教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。您严谨勤勉的工作态 度、正直负责的处世方式、谦虚和蔼的作风一直在潜移默化中影响着我，再次对 您给予我的悉心指导和大力帮助表示衷心的感谢。 张家栋教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张家栋老师表示衷心的谢意。 张家栋教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，实验室为我提供了良好的学习和科研 环境。唐钦、焦丽娜等同学对我研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 由于时间仓促以及本人水平有限，本论文还存在许多疏漏和不足之处，研究 深度和广度也有所欠缺，恳请各位专家，学者、老师和同学给予批评指导，以求 今后的工作中作进一步的完善和提高。 j 夏交迪盔堂童些亟主堂位丝塞缝监 1 1问题的提出 1 绪论 近几年来，电动汽车已经不是一+ 个陌生的名词，电动汽车与内燃汽车相比有 着很明显的优越性：污染小、噪音小，因此电动汽车的发展相当迅速，目前美国 开始计划普及电动汽车，我国的电动汽车工业也在蓬勃发展。 电动汽车与内燃汽车相比区别主要是两种汽车的传动部分。常规汽车的传动 采用机械传动，即靠齿轮和皮带轮传动，而电动汽车的传动采用电传动，实际上 电传动的应用比较早，如内燃机车( 即火车) 的传动大部分都采用电传动( 一部分采 用液压传动) ，内燃机车的电源通过柴油机发电然后进行整流驱动传动电机。因为 内燃机车比较庞大，六个轮对都要进行驱动。如果采用机械驱动方式不但效率低， 其驱动方式就相当复杂。电动汽车上的电驱动和内燃机车的电驱动有着相似性， 但也有着本质的区别。单从行走电机来说是一样的，都是靠电源驱动( 主要是直流 电源) 。但是电动汽车的电源来源和内燃机车的电源来源是不一样的，前者采用的 是蓄电池供电，当然早期电动汽车也有混合方式供电，即内燃机和蓄电池都可以 供电。电动汽车的大量推广是汽车发展的大趋势。因此对蓄电池进行充电的技术 也相当重要。采用一套高效的蓄电池充电装置对电动汽车的发展将产生推波助澜 的作用。 仅仅对充电而言，没有一个人对它陌生，很多生活用品都需要使用充电设备。 比如单放机使用的充电电池需要充电器进行充电；手机电池存储电量用完后需要 充电等等。但是普通家用的充电装置功率很小，并且对充电速度要求也不是很高。 但是我们的电动汽车充电却不是一样的，尤其是商用充电装置，必须要求损耗小、 速度快。由于电动汽车的充电比普通充电装置的要求高很多使得电动汽车充电设 备复杂，控制方案也很复杂。 由此可以看出，研究一种高效的汽车充电装置是很有必要的，如果最终能达 到社会所要求的充电性能：高效率、快速充电，将会使电动汽车更迅速的走向寻 常百姓家。目前市场上流行的很多种蓄电池：铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄 电池等等，在课题中我选用了铅酸蓄电池作为充电对象。虽然目前铅酸蓄电池不 在是电动汽车的主流，但是在今后相当长一段时间内仍具有一定的代表性。此外， 人们对铅酸蓄电池相当熟悉，使用相当成熟，维修起来也十分方便，价格也相对 便宜得多，最重要的是，铅酸蓄电池的快速充电原理和其它类型电池是基本相同 的，只是相关参数不一样，所以，研究铅酸蓄电池的快速充电具有普遍的意义。 j b 豆窑垣盍堂童些亟堂僮：i 金童绪逾 1 1 2 快速充电与电力电子技术 充电装置属于电源领域的一部分，电力电子技术对各种电源的重要性是不言 而喻的。下面就简单阐述一下电力电子技术的发展过程、电力电子技术的应用领 域及现代电源技术的发展趋势，以及快速充电与电力电子的关系。 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源 中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。 当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝 着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将 来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用 电相结合。 1 电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转交。电力电子技术起 始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变 器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末 期和九十年代初期发展起来的、以功率m 0 s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压 和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电 力电子时代。 2 电力电子的应用领域 电力电子技术是横跨强电和弱电的一条纽带，在工业应用和日常生活中起着 非常重要的作用，应用领域相当广阔： ( 1 ) 计算机高效率绿色电源 八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开 关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。 计算机技术的发展，提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的 个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源， ( 2 ) 通信用高频开关电源 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及 其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次 电源，而将直流一直流( d c d c ) 变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或 三相交流电网变换成标称值为4 8 v 的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源 中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源( 也称为开关型 i e 夏銮煎叁堂童些亟堂僮论塞绪迨 整流器s m r ) 通过m 0 s f e t 或i g b t 的高频工作，开关频率一般控制在5 0 一1 0 0 k h z 范围 内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己 从4 8 v 1 2 5 a 、4 8 v 2 0 a 扩大至04 8 v 2 0 0 a 、4 8 v 4 0 0 a 。 ( 3 ) 直流一直流( d c d c ) 变换器 d c d c 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛 应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加 速平稳、快速晌应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻 器可节约电能( 2 0 3 0 ) 。直流斩波器不仅能起调压的作用( 开关电源) ，同时还 能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 通信电源的二次电源d c d c 变换器已商品化，模块采用高频p w m 技术，开关 频率在5 0 0 k h z 左右，功率密度为5 w 2 0 w i n 3 。随着大规模集成电路的发展，要求 电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目 前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块， 功率密度有较大幅度的提高。 ( 4 ) 充电电源的应用 充电电源的应用也是电力电子应用的一个重要领域，目前市场上销售的普通 充电装置基本上采用了降压、整流、斩波的过程，然后根据充电的要求进行变换 成所需的充电波形，这种充电电源具有体积小效率高的优点。我们即将要谈到的 高功率因数p 1 v m 充电器采用了内部高频技术，所谓内部高频技术就是系统输出为 直流或工频交流，在系统内部应用了电力电子升频技术。 电力电子的应用领域还有很多如不间断电源( u p s ) 、变频器电源、高频逆变式 整流焊机电源、大功率开关型高压直流电源、电力有源滤波器等等，由于篇幅的 原因就不一一说明。 3 高频开关电源的发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。 对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高顿开关电源技 术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、 降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源 改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术， 更是各种大功率开关电源( 逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电 力操作电源等) 的核心技术。 4 快速充电与电力电子技术 要想达到快速充电的要求必须达到快速充电的条件，在本课题中还要达到高 功率因数的要求。这些条件的实现是靠高性能的电力电子器件和先进的控制手段 j e 基变道点堂主些砸堂僮论塞绪j 金 实施的。以本课题为例，要想得到高的功率因数，必须有功率因数校正环节。本 课题中采用了迟滞比较的方案进行控制，因此需要高频电力电子开关器件，要使 功率因数校正达到最优状态，应使迟滞宽度越小越好。但是迟滞宽度越小，开关 管的开关速度就越快，因此需要电力电子器件具有更优良的特性，电力电子技术 的快速发展将更好的为其应用的领域服务。 1 3 电动汽车发展趋势 由于石油危机和环境污染，发展电动汽车已是相当迫切的要求了。美国通用 汽车公司董事长几年前就预言：“如果在2 1 世纪只依靠内燃机，没有一个汽车公 司能兴旺起来”。目前全球大汽车商都在开发研制电动汽车。在今后的四五年中， 中国将投入近十亿元人民币来攻关电动汽车技术。科技部的专家说，在“八六三” 计划的十大重点项目中，电动汽车排名仅次于集成电路。在北京科技博览会“二 o o 二年中国科技产业论坛”上，科技部有关人士强调，国家将下大力气来发展电 动汽车，这一技术的重大突破很可能就发生在中国。据了解，国家在电动汽车的 前瞻性研究上要拿出近十亿元人民币，跟进的民间资本也将有二十至三十个亿。 由于欧美、日本曾在这一项目上投入了一百亿美元，同济大学汽车学院教授万钢 说，国家立项电动汽车是冒着巨大风险的，但风险大，收益才大。否则，中国的 汽车工业无法赶超世界水平。科技部有关人士梅永红表示，在中国市场上开发电 动汽车比欧美市场有优势。在欧美市场，传统汽车已经有上百年的生产历史，发 展惯性很强。虽然能源问题时时困扰着他们，但让他们退出传统汽车的生产需要 付出沉重的代价。中国没有这样的情况。 据北京晨报报道，现在全国想做电动汽车的企业已有几十家，深圳的明华集 团是一家在纳斯达克上市的民营企业，它的主攻方向就是电动巴士。湖北专门成 立了东风电动车辆公司，神龙公司已经开发出了富康九八八混合动力轿车。 美国通用汽车公司1 9 9 6 年就已推出一款镍金属混合电池电动汽车，2 0 0 0 年推 出的混合动力汽车每百公里平均油耗只有2 9 4 升，新开发的燃料电池电动汽车 “氢动一号”性能优异。其他大汽车公司，如戴姆勒一克莱斯勒、福特、只本的 丰田和本田等汽车公司，2 0 0 1 年内将相继结束电动汽车在公路上试验行驶，2 0 0 2 年将投入商用化生产。我国的电动汽车的研究也在加紧进行，中国二汽、株洲电 力机车研究所、清华大学等国内知名企业和高校也在紧锣密鼓的进行。人们关注 已久的第一部电动汽车，准确说是第一部概念车在天津开发区天大科技园的天津 清源电动车辆有限公司( 以下简称清源公司) 成功。所谓概念车就是在技术原理上 已经达到了相关标准并具有生产样车的可行性。这部概念车在技术上已经非常成 4 j e 廛变暹厶宝主些亟堂位途塞绪途 熟了，它的电池系统是由天津和平海湾公司提供的大容量镍氢电池，动力系统采 用四川通用电机厂提供的2 0 千瓦电动机。该车创造了续行里程达2 5 0 公里的全国 最高纪录。电池充电次数超过5 0 0 次，电池寿命超过了1 0 万公里。行驶时最高时 速为1 0 0 公罩，最大爬坡度大于2 0 。时速从4 0 公里加速到8 0 公里只需要不到 1 8 秒的时间。从技术性能上看，技术指标已经不亚于传统能源的汽车。 一 应用蓄电池为动力的电动汽车，具有噪音小、无污染、节约能源的特点，代 表了2 1 世纪国际汽车业的发展方向。这部车的推出对我国汽车工业应用绿色能源 做出了有益的探索与突破。清源公司将继续优化和考核这部概念型车，他们将以 这部汽车为实验平台，对各种部件和子系统进行调试和检测。能源危机和环保问 题使电动汽车越来越受到人们的关注，它已经成为世界汽车巨头们的下一个发展 方向。电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动 汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型。 据专家介绍，中国目前在电动汽车领域并不落后，如果抓住时机，迅速发展， 有可能在未来的汽车竞争中取得一席之地。2 0 世纪8 0 年代，在科委”国家电动轿 车科技攻关”项目推动下，我国开始着手开展电动车的科研工作。经过”八五”、” 九五”规划的实施，一些专业从事电动车开发研制的机构相继成立，并积累了不少 开发电动车的经验和成果。”十五”期间，国家已将电动车列入”8 6 3 ”重大科技项目， 表现出巨大的决心。而从我国电动车的发展方针看，在近期，要把技术比较成熟 的混合动力电动车作为一种主导产品，投入批量生产，而重点主攻方向是燃料电 池电动车的研发工作。对纯电池的电动车，各地、各企业在因地制宜，创造条件， 积极进行推广和提高。”十五”期间，我国将拥有自主开发的各种形式的电动车成 果，并迸入不同批量的商业化阶段。 1 4 设计达到的目标 电动汽车蓄电池必须具备以下几个特点：容量大、功率大、寿命长。对其进 行充电的设备尤其是对相当与内燃汽车加油站的商用充电设备也要求功率很大， 因为这种充电设备不可能只对一只蓄电池进行充电，而是要对整台车甚至几台车 的所有蓄电池进行充电。这个特点就要求我们要在课题中要解决以下问题： 1 汽车蓄电池由许多单组电池组成，但是商用充电机在充电过程中必须集 中，可以采取常规的并联的方式进行，因此充电设备的功率较大。我们知道，大 功率设备在使用过程中对电网的影响很大，其中功率因素是影响电网的最主要的 因素。因此，我们要解决的第一个问题就是提高充电设备的功率因素，本课题采 用了高频p _ l v m 整流电路，采用了迟滞比较方法进行控制，达到了功率因素为1 的 e 基銮适友生童些亟堂焦诠塞缝迨 目的。 2 电动汽车的充电好比内燃机汽车的加油，必须在十分钟左右充电完成。如 果采用传统的充电技术，电动汽车蓄电池一一次充电至少需要1 2 小时以上。可以想 象，采用传统技术对电动汽车进行充电根本无法进行推广。所以，我们要解决的 第二个问题就是要大大减少蓄电池充电的时间。许多文献提到脉冲充电的方式可 以有效降低充电时间，研究者试验表明，在参数设定得当的情况下，其对电动汽 车充电的时间可以同内燃机汽车加油的时间相媲美，与此同时，采用脉冲充电技 术可以大大提高蓄电池的使用寿命，因此我在本课题中选用脉冲充电技术。 3 功率因素校正是个比较复杂的过程，而且还要得到脉冲充电波形，采用硬 件电路实现起来相当麻烦，并且不易系统升级或修改参数，因此，本人采用了微 型计算机( 单片机) 进行控制，使控制手段更加灵活。 j e 立童逼去堂童些砸堂焦论塞赞酸萱电池的绪控在皇筮星丛逸 2 铅酸蓄电池的结构充电发展状况 2 1蓄电池在电动汽车上的应用概况 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安 全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体， 即使按所耗电量换算为发电厂的排放废气量，除硫微粒外，其它污染物也显著减 少。蓄电池是电动汽车发展的首要关键，要想在较大范围内应用电动汽车，则要 依靠先进的蓄电池。早期工业用电动汽车多采用铅酸蓄电池作为动力，因为铅酸 蓄电池价格便宜，充电设备也便宜使得现在很多工厂也还在大量使用。但是家用 电动汽车的兴起，经过1 0 多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池、锂离子和锂聚 合物电池。氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅 酸电池，锂是最轻、化学特性卜分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸 电池的3 倍，锂聚合物电池为4 倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有 希望的电池。我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发 展。但目前价格为铅酸电池的4 5 倍。此外，混合动力电动汽车也是另外的一个 发展方向，复合动力电动汽车( 亦称混合动力电动汽车) 是指车上装有两个以上动 力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多 种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力电动 汽车一股是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车。从目前发展的情况来 看，纯蓄电池作为动力的发展前景比较大，因为这是彻底改善环境污染的最佳方 案。从上可见，在电动汽车起步阶段，采用铅酸蓄电池并研究发展它的充电技术 仍具有一定的现实意义。 2 2 铅酸蓄电池的结构 l 极板蓄电池的充放电过程是靠正负极上的活性物资和电解液之间的电 化学反应来实现的。正极为二氧化铅p 6 0 ，呈棕红色；负极板为海绵状纯铅户易， 呈青灰色。在开始制造时，正负极均是以糊状氧化铅珊a 涂敷在栅架上，再经化 学处理而成。栅架由铅锑合金( 含锑5 7 ) 铸造而成，其作用是支撑活性物质和 导电。加入锑的目的是为了提高栅架的浇注性能和机械强度，但会加速氢气的析 出和自放电。 2 隔板为了增大蓄电池的容量，正负极均用多片极板组成为极板组放在电 池槽内。隔板是夹在正负极之间的绝缘板，其作用是防止正负极短路。隔板具有 j e 哀奎垣叁生主些亟生焦论塞塑酸萱电丝的结捡壶直蕉屋丛迅 多孔性，以使电解液畅通无阻。 3 壳体壳体一般用硬塑料或橡胶等耐酸材料制成。 4 电解液铅酸蓄电池的电解液是由专用硫酸和蒸馏水配制而成，其比重一 般为1 2 4 1 2 8 5 。 2 3 铅酸蓄电池充电的电化学过程 2 3 1充放电化学过程及化学反应方程式 无论采用哪种充电方式进行充电，铅酸蓄电池的充电过程都必须遵守双极硫 酸盐化理论。双极硫酸盐化理论是1 9 8 2 年格拉斯通和查依伯提出来的，其化学反 应方程式如下： p 6 + p 6 0 2 + 2 2 s 戗= 2 册s q + 2 坞d( 2 1 ) 此方程式为可以双向反应，在充电过程中从右往左，在放电过程中从左往右。 此方程式是双极硫酸盐化理论的基础，根据这个理论，已充电的铅酸蓄电池正极 板上活性物质是p 西a ，负极板上的活性物质是海绵状金属p 6 。放电后，两极板上 的活性物质都转化为| p 於d d 。无论采用何种充电方法，充电反应都使正、负极板上 的硫酸铅转化为二氧化铅和金属钳。蓄电池的电解液在充电过程中，由于水( h ，0 ) 的成分减少，生成硫酸而使其比重上升。放电时电解液比重下降。电解液中硫酸 含量的变化与通过的电量成正比。建立双极硫酸盐化理论是以试验观测为依据的： 经过多年的试验也证明，双极硫酸盐化理论是正确的，它能够确切地说明铅酸蓄 电池的氧化还原过程。 2 3 2 充电过程中的极化现象 与蓄电池充电密切相关的化学变化是充电过程中的极化现象，极化现象是影 响蓄电池充电速度和蓄电池使用寿命的最重要的化学反应。所谓极化现象，就是 在充电过程中，电池产生大量气泡，而呈“沸腾”状态。同时，温度急剧上升的 一种现象。极化现象是所有二次电池共有的现象。蓄电池电极产生极化的外观反 映是蓄电池端电压的变化。充电时，蓄电池端电压由静止状态值升高；放电时， 端电压降低。极化电压阻碍蓄电池的充电，并使蓄电池的出气率和温升大大提高， 因此影响充电的速度。 在充电过程中产生三种主要的极化现象：电阻极化、浓差极化和电化学极化。 1 电阻极化对快速充电的影响 j e 塞变通盍坐童些亟堂焦迨塞盟酸萱电垫鲍结构友血筮展趑况 电阻极化也称为纯电阻压降。蓄电池的电阻极化是由极板电阻、隔板电阻、 电解液电阻、桩头、连接条、集流排以及它们之间接触面电阻所产生的电压降， 也就是一般所称的内电阻压降。蓄电池充电时，它使端电压上升；放电时，使蓄 电池端电压下降。 电阻极化所产生的热量和电流的平方成正比。在快速充电中，由于采用大电 流，仅蓄电池纯电阻所产生的热量也是不容忽视的，所以在快速充电中必须解决 电阻极化的问题。 2 浓差极化对快速充电的影响 无电流通过时，蓄电池正负极的平衡电极电位是根据电解液内的离子浓度确 定的。通过电流时，由于发生电极反应，电极表面液层中的浓度发生变化，使得 电极电位与平衡电极电位间存在着一定的差值，这种电极电位的偏移称为浓差极 化。 在快速充电初期，由于蓄电池正负极板的真实表面积很大，真实电流密度较 小，而且电解液内部浓度很低。离子扩散速度很大，所以蓄电池即使采用大电流 充电，浓差极化也不是很严重，表现了具有很高的充电接受能力。随着充电过程 的进行，正负极板上的硫酸铅分别转换为二氧化铅和铅，参加充电电化学反应的 真实表面积降低，电解液内部离予浓度也增大，而扩散速度减慢，使电极表面附 近液层浓度升高。这些都使正负极的浓差极化严重。尤其在充电临近结束时，浓 差极化更为严重。 随着充电电流的增加，浓差极化现象更加严重。停止充电，切断充电电流后， 浓差极化现象由于扩散作用而逐渐消失，但是需要一定的时间( 例如2 0 0 毫秒或更 长) 。 3 电化学极化对快速充电的影响 蓄电池在未接通充电之前，正负极处于平衡状态。每个电极的氧化反应和还 原反应的速度相等。 充电中，蓄电池在外电源的作用下，将一定数量的电子供给负极，同时必须 立刻有相应数量的离子在负极表面产生还原反应而从负极取走同样数量的电子， 才能维持负极的平衡电位不变。这就要求电极反应以极高的速度来进行，事实上 这是不可能的。当外电源将电子供给负极以后，电极反应来不及马上进行。外电 源供给的电子只能先进入负极表面的双电层，使负极表面电荷密度更大些，也就 是使负极电位向负方向偏移。参加负极充电反应的离子进行还原反应是从负极取 走电子，负极更负，才使得还原反应顺利进行，还原速度增大，充电速度才能提 高。 同理，当借助于外电源从正极取走电子时，电极表面的电荷将减少。由于阳 j 立交通厶堂童些亟堂焦论塞钽酸蚕鱼池的结掏峦电筮屋丛况 极反应的速度有限，故必须使电极表面电子数目减少到定程度，电极电位将向 正方向偏移才能促进氧化过程在所要求的速度下进行。 我们把这种由于电极过程本身的迟缓性所引起的电极电位偏移，称为电化学 极化，也称为过电位。 在蓄电池快速充电初期，正负极板上硫酸铅的数量较多，极板真实表面积很 大，交换电流密度很大。f 负极板上的电化学极化均很小。随着充电过程的进行， 正负极板上的硫酸铅数量减小，真实面积减小。尤其是在充电后期，j 下负极板上 的硫酸铅大部分已变为二氧化铅或金属铅，硫酸铅的溶解速度和真实表丽积明显 减少，交换电流密度j 。明显变小。这时，尽管充电过程的电流密度j 降低了，但 是由于比值j j 。增加，正负极板上的电化学极化仍相当严重。电极电位将偏离平衡 电极电位一个较大的数值。 切断充电电流后，由于电化学反应的迟缓性而产生的电极电位偏移在数微秒 内就显著地降低。 2 4 铅酸蓄电池的充电特性 要提高蓄电池的充电速度，必须提高充电电流的数值。然而，给蓄电池充电 时，并非在任何条件下对任何充电电流都可以接受。1 9 3 5 年伍德布里奇发现了充 电对于温度的敏感性，并注意到充电时所要求的指数特性。1 9 6 7 年美国人麦斯 ( j a m a s ) 注意到出气问题在充电过程中的重要意义，并开始用以控制充电电压。 他用试验证明后提出：如果一个蓄电池充电过程中保持等量地和微量地析出气体， 则这个充电电流是一条指数曲线。在充电过程中的任一时刻t ，蓄电池可接受的最 大充电电流f 的方程式为： i 爿o p l ( 2 2 ) 式中：i 。为开始充电( t = o ) 时的最大初始电流值； 口决定充电接受电流衰减的一个常数，也称为充电接受率，其值随蓄 电池结构和使用状况而不同。 图2 1 示出蓄电池在充电过程中仅持续产生微量气体的充电接受特性曲线。 这是一条自然接受特性曲线，超过这一接受曲线的任何充电电流，不仅丝毫不能 提高充电速度，而且会导致电解水反应，产生气体、增大压力和温升。而小于这 一接受特性曲线的充电电流，均为蓄电池的接受电流，当然这也就延长了充电时 间。 j e 立童适盍堂童些逦堂焦迨塞塑酸蓄电迪的结捡直立筮展丛况 电流 图2 1 蓄电池可接受充电电流曲线 2 5 蓄电池的充电方式及存在的问题 2 5 1 恒压充电法 采用恒压充电时，充电电源的电压在全部充电时间里保持一定的数值，图2 2 是一般铅酸蓄电池恒压充电特性。采用恒压充电方式时，如果对完全放电的蓄 电池充电初期电流很大，远远超过正常恒流1 充电的电流值。充电过程中，随着蓄电池电 动势的上升，充电电流下降。在充电后期， 比正常恒流充电电流值要低。这种充电方式 相当简单，但是对蓄电池的使用寿命有很大 的影响，而且充电时间长。 2 + 5 2 恒流充电法 图2 2 恒压充电特性 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串连电阻，保持充电 电流强度不变的充电方法，见图2 3 。通 过蓄电池的充电电流i 决定于蓄电池的电1 动势e 、内电阻r 和充电装置输出电压u 之间的关系，即u = e + ，= ( 【，一e ) ，。 随着充电的进行，蓄电池的电动势e 是上升的，蓄电池的内阻是下降的( 不起主 图2 3 恒流充电特陛 导作用) ，如果充电电源的电压不变，则充 电电流将下降。为了保持充电电流恒定，必须在充电过程中提高充电电源电压或 e 塞銮适太堂童些亟堂僮迨塞丝酸萱鱼池的结掏左曳崖屋达况 减小与蓄电池串连的电阻。若恒流充电法的充电电流选小了，将使充电时间过长； 选大了，在充电末期电流多用于电解水，产生气体，使出气过剩。恒流充电法的 充电电流很难适应常规充电的全过程。 2 5 3 阶段充电法 包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法一般是采用恒定电流和恒 定电压相结合的快速充电方法( 图24 ) 。首先以恒定电流充电至预定的电压值，然 后改为定电压完成剩余的充电。一般两阶段的转换电压就是第二阶段的恒定电压。 三阶段充电法是在充电开始和结束时采用定电流，中间用定电压充电( 图2 5 ) 。当 电流衰减到预定值，再改为定电流完成剩余的充电。 a ) 充电电流曲线b ) 充电电压曲线a ) 充电电流曲线b ) 充电电压曲线 2 5 4 脉冲快速充电 影响充电速度的重要因素是极化电压，极化电压阻碍蓄电池充电，并且使蓄 电池的出气率和温升大大升高，这些都是快速充电 过程中必须解决的。 为了缩短充电时间，可以增大蓄电池的充电电 流，但是如果采用大电流连续充电，当充电电流超 过蓄电池可接受的充电电流时，蓄电池中将剧烈冒 气。从图2 1 中看到，在常规情况下进行充电( 可 以假定在常温恒压状态) ，蓄电池可接受电流呈指 图2 ，6 脉冲充电波形 数曲线变化，而接受电流的这种变化趋势主要是因为极化现象引起的。如果在充 j b 立童适盘堂童些亟堂焦迨塞丝酸萱电渔曲结掏左电筮屋丛逸 电过程中，短时间停止充电，电阻极化可立即消失。如果在短时间停充后，再让 蓄电池瞬时大电流放电，就可以更迅速的消除极化，因而就可以用很大的电流继 续给蓄电池充电。这样就可以缩短蓄电池充电时间。同时，由于蓄电池的放电反 应吸收热量，所以蓄电池的温升也比较低。图2 6 为脉冲充、放电的波形，图 中电流峰值的大小和各充电阶段的时间不同型号的蓄电池有不同的参数，需要根 据试验来进行整定。这个工作一般由蓄电池生产厂家来做。我们可以采用经验值 进行测试。充电电流脉冲幅值为1 c 2 c ( c 为蓄电池的容量) ，充电电流脉冲宽度 为1 5 1 5 0 m s ，放电脉冲幅值为3 c 6 c ，放电电流脉冲宽度为o 3 1 m s 。放电脉 冲前后都有短暂停充时间。 采用脉冲充电方法的三大优点是：提高充电速度；节约大量电能；延长蓄电 池使用寿命。采用脉冲充电技术，铅酸蓄电池的f 常充电时间可以达到1 小时， 镍镉蓄电池的充电时间可以达到半小时，基本上可以达到商用电动汽车充电机的 标准：此外，采用快速充电法，可以使蓄电池始终保持最佳充电电流，充入蓄电 池的电能绝大部分转变为化学能，同时由于充电时问短，电能的损耗也相应减小， 节约了大量电能；而且，采用常规充电方法，在充电过程后期，蓄电池将产生大 量气泡，这些气泡冲击极板，使极板的活性物质脱落，严重影响蓄电池的寿命， 采用快速充电法，蓄电池始终保持微量出气状态，有效避免了因剧烈出气而造成 的活性物质脱落，因而蓄电池的使用寿命大大提高。 i b 立交通太堂圭些亟堂位途塞商题旦受型整煎电路金扳 高频p w m 整流电路分析 3 1充电主电路方案的选择 3 1 1 整流电路的分类 蓄电池充电电路基本上就是一种整流电路。所谓整流，就是利用半导体电力 开关器件的通、断控制，将交流电能变为整流电能。实现整流的电力半导体开关 电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。整流器是最早得到广泛应用的电力电 子变换器。整流器的类型很多，按不同特性归纳分类如下： 1 按交流电源电流和整流电压的波形可分为： 整流。整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压。交流电源仅半个周波 有电流。 全波整流。整流器在交流电源的正负半波都输出直流电压。交流电源在正负 半波都有电流。 2 按交流电源的相数的不同可分为：单相整流、三相六脉波整流、六相十二 脉波整流 3 按整流电路中所使用的开关器件及结构的不同可分为：不可控整流、半控 整流、全控整流 4 按控制原理的不同可分为：相控整流、高频整流 各种整流器都能实现交流直流变换但其性能差别比较大。对交流直流最 基本的性能要求是：输出的直流电压可以调控，输出直流电压中的交流分量即谐 波电压被控制在允许范围之内；交流电源侧电流中的谐波电流也在允许范围之内。 此外，整流器的效率、重量、体积、成本等等都是评价整流器的重要指标。 目前，在各个领域实际应用的整流电路很大一部分是晶闸管相控整流电路或 二极管整流电路，其中二极管整流电路是相控整流电路的特例。由于这种电路在 实际中应用比较广泛，有必要进行简要的介绍一下。 3 1 2 相控整流电路介绍 相控整流电路也有很多种，对单相可控整流电路中有：单相半波可控整流电 路；单相全波整流电路；单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路。对于 三相整流电路有：三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。我们现在就 j b 瘟变通盍堂童些亟堂僮论塞商题盟m 整逾电路佥扳 以单相桥式整流电路作为例子简单的说明其工作原理。电路图见图3 1 。关于这种 整流电路，电路原理相当简单，在此，我们只通过波形图对其进行分析，其：亡作 波形见图3 2 。图中为触发角，当口为o 时，此电路就相当于二极管整流电路。从 工作波形可以看出，晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角度随 晶闸管的触发角增大而增大，位移因数随之降低。同时，输入电流中的谐波分量 也相当大，因此功率因数很低。当口为o 时，即相当于二极管整流时，虽然位移 因数接近于1 ，但输入电流中的凿波分量很大，所以功率因素也很低。在整流电路 中还有一种高频整流方式，这是在现代电力电子技术兴起后出现的一种整流电路。 图3 1 单相桥式全控整流电路 3 1 3p w m 整流电路 r u 。 p 专兮 图3 2 单相桥式全控整流电路带电阻 负载时的波形 随着用电设备谐波标准日益严格，采用高功率因数、低谐波的高频开关模式 p _ | v 【整流器s m r ( s w i t c h e dm o d er e c t i f i e r ) ，替代传统的二极管不可控整流和晶 闸管相控整流是大势所趋。和传统整流器相比，p w m s m r 可以控制交流电源电流为 畸变很小的正弦化电流，且功率因数为1 ，p _ l v m 整流器一般采用全控器件进行高频 脉宽调制p w m 控制。 从不同角度来看，p _ l i m 整流器有不同的类型。按电路的拓扑结构和外特性，p _ l v m 整流器分为电压型( 升压型或b o o s t 型) 和电流型( 降压型或b u c k 型) 。升压电路的 基本特点是输出的直流电压高于输入交流电源的峰值( 如果是三相p 1 v m 整流则为交 流电源线电压峰值) ，这是其升压型拓扑结构决定的，升压型整流器输出一般呈电 压源特性。电流型或降压型整流器输出电压总低于输入交流电源的峰值( 如果三相 p w m 整流器则为交流电源线电压峰值) ，这也是由电路的拓扑结构决定的，降压型 整流器一般呈电流源特性。按是否具有能量回馈功能，可将p _ l v m 整流器分为无能 量回馈功能的整流器和具有能量回馈功能的开关模式整流器。无论哪种p w m 整流 电路，都基本能达到功率因数为1 。 j e 塞童垣盔! 基些亟堂僮迨塞壶翅垫型整速电路盆蚯 下面我们简要介绍一下比较常用的一种单相全桥p w m 整流电路。其电路见图 3 3 ，按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图3 3 中的v l v 4 进行s p w m 控制， 就可以得到图3 4 中的相应波形。 图3 3 电压型p w m 整流电路 现在对图3 4 波形图进行必要的说明。将图3 3 中与直流侧u d “+ ”组端相连 的组件称为( 十) 组，如v 1 、d l 、v 3 、d 3 。与 d 2 、v 4 、d 4 。图3 4 中，载波信号采用对称 等腰三角波，a 臂组件的调制信号u s a 与b 组的调制信号u s b 在相位上相差1 8 0 0 ，当 正弦波与三角波的上升铅相交，控制电路使 “+ ”组关断而“一”组开通；当正弦波与三 角波的下降铅相交，控制电路使“+ ”组开 通而“一”组关断。于是得到a b 点参考于0 点的电位，见图3 4 中b ，c 图( 此0 点为将 输出端滤波电容等效为两个完全一样的电 容的中点) 。如以b 点为参考点，则a b 两点 间的电压如图3 4 d 图所示，也就是u ，。的 波形，图中为它的基波分量。当u 。的幅值 为u d 时，表示交直流侧连通；而当其幅 值为0 时，表示a b 两点被短接，电源电压 u n 经l 和开关组件形成短路。 “一”组相连的组件称为( 一) 组，如v 2 、 图3 _ 4 高频整流s p w m 控制波形图 u 。因为是正弦波与三角波相交进行通断开关管得到的电压信号，因此u 。含 有和正弦信号波同频率且成比例的基本分量，以及和三角波载波有关的频率很高 的谐波，而不含低次谐波。由于电感l 1 的滤波作用，高次谐波电压只会使交流电 流i l 产生很小的脉动，可以忽略。这样，当正弦信号波的频率和电源频率相同时， i l 也为与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压u n 一定的情况下，i l 的幅值 和相位仅由。中基本分量u 。厂的幅值及其与u n 的相位差决定。改变u 。厂的幅 6 j e 赢变通盘堂童些亟堂僮迨塞面题盟丛墼逾电路登圭匠 值和相位就可以调节i l 的相位。 从上面介绍的两种主要整流形式：相控整流和p w m 整流可以看出两者具有各 自的优缺点，由此绘出下表作为对照 相控整流高频p w m 整流 电路拓扑属传统电力电子技术属现代内部高频电力电子技 结构范畴术范畴 所用器件普通晶闸管( s c r )可关断器件( i g b t 、m o s f e t 等) 电路工作移相控制高频脉宽调制 原理 电路功率低高( 可达到1 ) 因数 对电网的谐波污染厉害可为正弦波电流 影响 充电波形不好可为脉冲矩形波 放电控制