毕业设计汽车快速充电

1、毕业设计（论文）中期报告题 目：电动汽车快速充电模式专 业 自动化 学 生 张山 学 号 120210330 班 号 1202103 指导教师 王新生 日 期 2016-4-21 1论文工作是否按预期进行、目前已完成的研究工作及结果1.1 论文工作是否按预期进行本次设计具体进度安排如下1. 了解、研究铅蓄电池快速充电原理及其充电方法（1-2周）（1） 研究铅蓄电池的电化学基础（2） 认识和分析铅蓄电池的极化现象（3） 分析并介绍铅蓄电池的容量及荷电状态（4） 铅蓄电池充电过程的基本分析2、 设计铅蓄电池快速充电的模糊控制（36周）（1） 通过资料及所学知识熟悉巩固模糊控制原理（2） 拟设计模糊

2、控制器（3） 对充电设计进行仿真3、 拟运用单片机系统进行软件电路的设计（7-10周）1.2目前已完成的研究工作及结果 一极化现象的认识当电池有电流通过，使电极偏离了平衡电极电位的现象，称为电极极化。在电极单位面积上通过的电流越大，偏离平衡电极电位越严重。通电前和通电后电极电位的差叫作过电位。阳极电流产生的电极极化叫作阳极极化；阴极电流产生的电极极化叫阴极极化。平衡电极电位是一个没有电流流过时，静止的、相对理想化的状态时的一个电极电位。电池极化就是由于电流的流动，而打破静止状态后，实际电极电位偏离了平衡电极电位的现象。简单来讲，极化就是指所测得的电池电压偏离实际电压的现象，测得的电压会随静置时

3、间加长而与实际电压接近；极化包含欧姆极化、电化学极化以及浓差极化。电子流动的速度肯定大于电极反应的速度，所以极化不可避免。如果电池只是1C以内放电，其极化可以忽略；如果高倍率放电，放电时间则会急剧下降，电池本身发热严重，甚至于发胀（放电结束冷却后可能会恢复原状），影响电池使用寿命。 消除极化是不可能的，只能通过改变工艺参数设计，来减轻其极化程度，例如适当提高极片导电剂含量、提高电解液中溶质含量、降低极片的涂敷量、极片压实适中等等一系列手段。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。1） 欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了

4、克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷

5、，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢MeeMe，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me转入溶液，加速MeeMe反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。二铅蓄电池的容量及荷电状态2.1蓄电池的容量蓄电

6、池的容量单位是 AH（安时） 也就是 电流与时间的乘积。 100AH容量得电池，充满电后以100A的电流放电一小时就能把电量放完。50A电流就是2小时放完！ 20A就是5小时 ！当然这个是理论值，实际上是不可能以恒定电流一直放电的。因为电池内阻会随着电池容量的下降而增大，端电压会逐渐下降，放电电流减小，最后变成端电压=0（这时候就已经成为过度放电了） 过放电对电池的危害是终生的，放完电的电池如果不及时充电的话，几个小时内附着在极板上的强酸就会把极板腐蚀掉最终导致电池报废。所以一般电路中都有蓄电池保护电路，一旦电池电压低于10.8V就会自动切断用电，以防止蓄电池因为过放电而损坏。（标称值12V的

7、蓄电池 内部六格电池格） 用电池的放电电流乘以放电时间来表示电池可以蓄存多少能量，是很形象的一个衡量方法。电池的安时值越大，说明电池可蓄存的能量越多。但是并不表示电池就可以使用这么大电流放电。2.2荷电状态(SoC)的定义和测量方法一般SOC的定义是为了准确计算电池的容量，即预测电池的剩余能量。蓄电池的荷电状态是不能直接得到的，只能通过对电池外特性电池电压、电池电流、电池内阻、电池温度等参数的检测来推断SOC的大小。以上这些参数与SOC的关系随电池老化的过程而改变，这中间含有很多不确定因素，而且电动汽车的动力电池的工作状态及环境随电动车的行驶而随机改变。三快速充电要求1992年国际先进蓄电池开

8、发联合体ALABC制订了电动车用铅蓄电池的开发目标如表1 所示。表一、电动车铅蓄电池的快速充电ALABC的开发目标项目 单位 开发目标比能量（C/3） Wh/Kg 50 55 50 比功率（80%DOD） W/Kg 150 165 15循环寿命（SFUDS） 周期 500 1000 500再充电 50%5min 50%3min 50%3min 80%15min 80%10min 80%10min 100%4h 100%30min 100%30mi*DOD(Depth of discharge放电深度)*SFUDS(Simplified Federal Urban Driving Schedul

9、e)从表1 所列数据可以看出, 为满足电动车实用化的需要, 电动车用铅蓄电池今后发展方向是: 在提高电池比能量和比功率的同时, 对电池的充电提出了特殊要求:第一, 充电时间特别短, 以往铅蓄电池每次充电需用8 1 6 h , 现在要求30min 充完电; 第二, 允许每次充电不必充至额定容量的100 %。这样的要求是否做得到? 这样做对电池会有什么影响呢?3 .1充电过程分析恒电流充电曲线铅蓄电池在开路状态时, 其端电压V 。是随电池荷电态、电解液浓度和温度而变化的。新的铅蓄电池充足电后, 其稳态开路电压V 。可达到2.14 2.15 V。当电池放电深度达到80 % 时, 其V 。一1.96

10、1.97V。电池充电时, 端电压V 会逐渐升高, 此时V = Vo+ V (1)式中的V 称为电池的过电压。图为铅蓄电池恒流充电时端电压的变化过程。刚接通充电电流时, 电压会突然升高, 接着就变化非常缓慢, 此时充入的电量基本上用于电池的电化学反应, 将电能转化为化学能, .并且充电效率最高, 电池温升不大。当电池电压达到2.4 o V 之后, 电压会迅速上升;:此时的充电电流除用于活性物质转化外, 电极上同时发生了电解水反应, 正负极上分别产生氧和氢, 因而通常2.4 V称为析气电压。当电池电压迅速上升到2.6V 以上时, 电池大量冒气, 温度迅速升高, 此时的充电效率极低。为使铅蓄电池充电

11、时间短、充电效率高并且不会缩短电池寿命, 最好将电池的充电电压控制在2.4 V 以下( 旧电池还要低一些)。铅蓄电池在端电压达到析气电压时充入的电量取决于充电电流值: 充电电流越大, 充入的电越少, 反之亦然。因而欲提高电池充电效率达到快速充电的目的, 必须尽可能采取措施降低V。3.2 过电压V 的组成理论电化学早已指出, V是由以下三部分组成的: 欧姆压降Vo、浓差极化Vc和电化学极化Vo。现就铅蓄电池充电过程中出现的情况分述如下:( 1 ) 欧姆压降Vo欧姆压降是充电时电流流过电池的纯欧姆内阻引起的, 它包括极柱、连接条、汇流排、板栅、活性物质、隔板、电解液的电阻; 这种压降遵循欧姆定律:

12、Vo= I Rn(2)电池的型号结构一旦确定后, 其欧姆其分布情况闭, 电池内部连接部分的电阻内阻也就基本确定了表2 列出两种容量约占欧姆内阻6%。的铅蓄电池充足电后单格电池欧姆内阻表2铅蓄电池欧姆内阻分布电池容量 极板 电解液 隔板 合计（Ah） ×0.0001 % ×0.0001 % ×0.0001 % ×0.0001 80 2.11 17.8 7.37 62.2 2.37 20 11.85 160 2.31 32 3.72 51 1.19 17 7.24我们以前测得1.05Ah 起动型铅蓄电池单格欧姆内阻为0.6mn;中12v / 112 A h

13、水平密封铅蓄电池单电池内阻小于0.3 mn。上述电池用I C 电流充电时, 前者会产生63 m V 的欧姆压降, 后者的欧姆压降只有34mV。显然, 水平式密封铅蓄电池的快速充电性能会优于起动用铅蓄电池。( 2 ) 浓差极化Vc蓄电池充电时, 在正和负极板上分别进行氧化和还原反应( 放电时则相反) , 使电极附近液层中各种参与电化学反应的离子浓度跟原来溶液中的浓度有所不同, 从而引起电极电位发生变化, 这种变化称为侬差极化爪。理论电化学已经导出:式中dI 为极限扩散电流,R 为气体常数,T 为温度, F 为法拉弟常数; 整个电池的浓差极化V。应当是正和负极浓差极化的代数和, 且正极的浓差极化大

14、于负极。由于蓄电池的正负极均为多孔性电极, 它比理论上的平板电极要复杂得多; 电池充放电时又包含了多种传质过程, 并且传质过程与电化学过程在相互交错的区域内同时进行, 再加上多孔电极的物理模型在当前还很不成熟, 因而从理论上计算出电池的浓差极化是比较困难的。实验得出,正常充电过程的中前期,Vo只有20 一30mV。当充电到后期时, 极板上存在的活性PbSO 已不多了, 而且溶液中的HZSO4含量已很多时, 那么由极板上PbSO溶解而生成的Pb + 浓度就相当低, 极限扩散电流dI 就会减小, 致使I/ dI 值增大,V。就会迅速上升, 导致充电电压上升, 直到发生电解水反应。( 3) 电化学极

15、化Ve蓄电池充电时, 正负极板上都要发生电化学反应, 使正极电位向正方向偏移, 负极电位向负方向移动。这种由电化学反应而引起的电极电位的变化称为电化学极化爪, 它在数值上等于:式中的I。为交换电流密度。整个电池的电化学极化V。应当是正负极反应电化学极化的代数和。由于铅蓄电池正极PbO2 / Pb5O4体系的交换电流密度远大于负极体系PbSO 4 / Pb 的交换电流密度, 因而铅蓄电池充电时发生的电化学极化Vo实际上主要是由负极反应引起的, (4 ) 式中的I。可以用电池负极体系的交换电流密度来代替, 其值约为1。一3A c/mZ ( 真实电极面积)。由于铅蓄电池极板是多孔性的, 其真实面积为

16、表观面积的数百倍, 那么真实的充电电流密度也就很小, 其值一般为1·S X l o 一6一S X l o 一A c/ m Z , 所以很容易算出V。很小, 一般只有6一7m V。四实现快速充电的技术途径为了缩短充电时间, 必须合理地加大充电电流, 并且要在电池电压达到析气电压前充入尽可能多的电量。如何实现这一目标呢?4.1 改进电池设计降低欧姆内阻按照ALABC规定的快速充电目标,若要求100Ah起动用铅蓄电池在5min内将电池容量由20%充至50%, 即充入电量为100*(0.5一0.2 ) = 30A h , 则充电电流应不小于30/(5/60 ) = 360A, 即3.6C2。

17、( A ) , 此时电池欧姆360*6*0.00001=0.216V, 电池电压达到1.97 +0.216 + 0.030+ 0.006=2.23 V, 未到析气电压, 电池可以安全充电。水平式密封铅蓄电池欧姆内阻更小,112A h 单格电池只有0.3mn, 则电池容量在5min 内由20 %充至50 % 需要充电电流为112x (0.5 一0.2 )/ (5/60 ) = 403A , 用此电流充电时的电池欧姆降为403*3X0.00001 =0.121V, 它比起动用电池要低。显然, 水平密封铅蓄电池在充至析气电压时可以充入更多的电量, 即它的快速充电性能更好。铅蓄电池若采用铜拉网负板栅,

18、 则会显著地降低板栅电阻; 这不仅有利于提高活性物质利用率和电池比功率, 而且还改善了电池快速充电性能。看来采用铜拉网负板栅的铅蓄电池会给电动车带来很大好处。4.2 提高反应离子扩散速度这是为了提高铅蓄电池的扩散电流密度, 也就是推迟电池在充电过程中极限扩散电流出现的时间, 即延迟电池电压达到析气电压的时间, 从而允许加大充电电流,快速充电。减薄极板厚度、增加活性物质孔率、增加板栅跟活性物质的接触面积, 这些措施均有利于反应物和生成物的扩散过程, 减小浓差极化, 提高了允许的充电电流值, 实现快速充电。但从电池寿命考虑, 极板也不能做得太薄。4.3 改革蓄电池的充电方法脉冲快速充电方法的理论基

19、础就是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的中停充电, 使参加反应的P b + 离子来得及生成并提高其浓度, 又使生成的H + 和H -离子来得及从电极表面附近移开, 其综合效果是降低了浓差极化, 允许加大充电电流缩短充电时间。应当指出, 铅蓄电池在充电过程中端电压是不断升高的, 也就是说在不同的充电阶段蓄电池的极化分布情况是不同的,因而在设计脉冲充电装置时, 应当根据电池充电时允许达到的电压值来自动调节充电电流时间; 同时还必须按照负脉冲放电过程中电池电压下降值来自动调节负脉冲的宽度和高度。这样虽然充电电流很大,但由于适时地有效地采取了降低浓差极化的措施, 蓄电池电压上升

20、就慢, 使蓄电池充入更多的电量。目前开发的智能化充电装置就是考虑到这些情况后进行设计的。4.4 快速充电对电池寿命的影响大电流快速充电对电池寿命的影响是好还是坏众论纷纭; 出现这种不同的看法不足为怪。这首先是由于电池寿命不是一致的, 在我们的试验中观察到, 即使是从生产线上同时抽取的一批电池, 其循环寿命甚至可相差1 倍; 再者, 长时期的寿命试验过程中, 很难保证各批电池的试验条件完全一致。虽然一般认为大电流充电会缩短电池寿命, 但在文献中却报道了在有适当冷却的情况下, 阀控式密封铅蓄电池的循环寿命却因大电流充电而有改善。我们的试验表明, 在保持电池充电电压低于析气电压的条件下, 大电流快速

21、充电并没有给电池寿命带来不利影响。电动车电池在使用过程中, 可以不必每次充电都充至额定容量的100%， 但每隔一星期( 最好不超过半个月) 应将电池充足电。尤其在不使用电动车时, 更应当将电池充足电后保存。这样会有利于延长电池的使用寿命。 智能充电特性曲线五模糊控制器设计 模糊控制器1 I(t)- d/dtddD为d/ddt蓄电池主电路ir +模糊控制器2ur + -uj Soc 模糊控制充电系统结构5.1模糊控制器的设计当蓄电池的单格电压小于2.40，采用大电流充电，采用恒定电流控制，模糊控制器的两个输入分别为和，i(n)ir(n)，为充电电流给定值与实际值之差，e(n)-e(n-1)，为误

22、差的变化率。当蓄电池单格电压充至2.40V时，采用恒压控制，这时模糊控制器的两个输入分别为电压给定值和蓄电池实际电压值的差值U(n)-Ur(n)，及误差的变化率e(n)-e(n-1)。在恒压控制过程中，充电电流下降，当电流小于第二段充电电流值时，又采用小电流充电的恒流控制，控制过程类似第一段。按上述三段控制要求设计模糊控制器，即完成恒流恒压恒流的充电过程。两种方式下模糊控制器的输入均为e(n)和e(n)。模糊控制器的输出采用速度式，其输出为：z(n)z(n)-z(n-1)式(1)中，z(n)为控制量z(n)的变化率。定义模糊子集各量：NBNegativeBig（负大）；NMNegativeMe

23、dium（负中）；NSNegativeSmall（负小）；ZOZero（零）；PSPositiveSmall（正小）；PMPositiveMedium（正中）；PBPositiveBig（正大）。和 的论域取为-3,-2,-1,0,1,2,3；的论域为-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6；和的模糊子集取为，；的模糊子集取为，；、和 的隶属函数均取三角形。根据对蓄电池充电的控制过程和操作经验，可得模糊控制规则如表所示。根据 和在各点的隶属度，再进行极大极小合成推理运算，可以获得模糊控制查询表，即模糊推理的过程。利用加权平均法去模糊化，得出各输出控制精确值。 的隶属函数 的隶属函数5.2模糊控制器的设计模糊控制器同样采用两输入和单输出的形式，两个输入