电动汽车充放电(电力电子技术的应用)

电动汽车充放电研究

作者：叶圣双摘要铅酸蓄电池是目前使用最广泛的一种电动汽车蓄电池，由于电池技术不能在很短的时间内有较大的提高，因此当前研究的主要方向就是通过别的方式间接的增加蓄电池的容量，即缩短充电时间以延长行驶里程。因此，本文针对目前蓄电池的实际情况，通过对蓄电池充放电过程进行控制，达到缩短充电时间，延长电池寿命和增加行驶里程的目的，达到蓄电池增加容量的目的。一、铅酸蓄电池快速充电技术1．1蓄电池参数蓄电池的五个主要参数为：容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电压的容量通常用Ah(安时)表示。通常电池体积越大，其容量也就越高。标称电压是指电池刚刚出厂时正、负极之间的电势差。电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已经达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。

1.2蓄电池充电过程中的化学变化蓄电池充电，使得蓄电池极板上的活性物质发生化学反应。它在整个充电过程中，化学反应总的反应方程式：2PbSO4+2H20=Pb02+Pb+2H2S04以上反应称为主充电反应。其化学过程叫做电池过程，这是充电时所必需的。除了主反应外，在电解液中，还进行着所谓的副反应，它包括两方面，即：正极板表面产生氧气：负极板表面产生氢气：显然，这个副反应就是水解反应，它在充电过程中是我们不希望有的。

1.3蓄电池充电过程中的物理现象主要表现为电池的两极会发生“过电压”，即电池两极板间的电位差在充电过程中要比不充电时高一定的数值，结果是正极板更正，负极板更负，形成“极化”现象。它会对充电电流起阻碍作用，使电流趋于减小。极化现象可分为三种情况：(1)欧姆极化即内阻所引起的欧姆压降，随电流的变化而变化。当充电电流停止时，它立即降为零。(2)浓差极化充电过程中导致的电解液浓度差异。根据电化学的详细分析，只要出现浓差，则电极就会发生过电压极化。此浓差极化会对充电电流产生影响，阻碍电流流入，如果想消除浓差极化，只需要停充一会儿，让离子利用布朗运动进行扩散，或利用瞬间大电流的放电，使得电化学反应朝相反的方向进行，达到新的平衡。(3)电化学极化由前面分析的电池过程可以知道，充电过程中，会形成电荷的累积。电荷的累积将使极板产生过电位，这种电压被称为化学极化。它也会阻碍电流，使充电电流趋于减少，放慢了电池化学反应，还会引起如下的影响：a.副反应(水解)加剧，产生大量气体。b.副反应(水解)将产生大量的热量，使电解液的温度升高。c.副反应(水解)消耗的能量全是无谓消耗，降低了充电过程的能量、效率指标。

从以上分析可以看出，极化所产生的阻流、气泡、温升、能耗等等都是对电池极为有害的，是阻碍电解反应的重要因素。此外，充电电流越大，则极化也就越快、越厉害，对电池也就越不利。由于极化现象的存在，使蓄电池固有的可接受充电电流的特征曲线具有以下局限性：

初始电流I0有一定的限制。初始电流I0维持时间很短，并以一定速率衰减。所以，要想提高充电电流的数值，必须设法消除极化现象。只有消除了极化现象，才可能大幅度的加大充电电流，缩短时间，达到快速充电的目的。另外，电池的容量受放电率、电池温度的影响很大，根据试验数据总结。在活性物质总量不变的条件下，电池容量随放电电流的增大而降低。在-30。C至30。C范围内，电池温度每增减1摄氏度，容量近似增减百分之一。

1.4蓄电池的放电特性蓄电池在使用的过程中，无论是大电流的放电或小电流的放电都会对铅酸蓄电池造成损害，大电流放电易造成正活性物质脱落，实际上就是PbSO4晶体从板上脱落下来。根据蓄电池当时状况，适当降低蓄电池放电电流，可以有利于疏松的PbSO4晶体的生成，延长蓄电池的寿命。当蓄电池进行小电流放电时，容易造成蓄电池的放电终止电压过高，此时暴露在电解液中的板栅覆盖层的PbSO4钝化层变成多孔的PbS04，电解液浸过这些孔使铅板接触而腐蚀，引起蓄电池寿命的下降。1.5蓄电池充电特性如果在充电过程当中，以不产生气泡或微产生气泡为前提，亦即尽量减少极化，可以写出蓄电池的允许充电特性为：i=I0e-at（曲线如下图I）式中：i——电池可接受的充电电流(不会产生气泡)，即允许充电电流；I0——t=O时允许的最大充电电流，它由蓄电池的使用状态决定；a——称之为电池的充电电流接受比，又称固有接受比，它等于a=I／C，这个数值越高，表示电池的接受能力越强，充电的时间也越短。图中I线所示为蓄电池的允许充电特性曲线，只要充电电流不超过这条曲线，电池就不会产生气泡，否则就会产生大量的气泡，危及电池的安全。严格的按照指数型的固有充电特性充电，在技术上有一定的困难和不便，只要充电电流调整不及时，超出这条曲线所限定的数值，马上就会导致电池产生的气泡和温度升高。固有充电特性是电池在充电过程中发生极化与否的分界线，充电电流的数值一旦超过它，极化就严重起来，马上就引起电池产生气泡和温升。常规充电时，由于充电电流远远小于固有特性的数值，所以基本上不会产生极化，自然电池也不会产生气泡和温升，但是，充电时间却拉的很长。所以目前所用到的充电方法都是取一个折中，电流既不能太大，不然就会损伤电池，也不能太小，否则耗时太长。1.6快速充电技术快速充电的特性曲线如上图中II所示，它是通过改造蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线。尽可能地延长蓄电池可接受的大电流时间曲线来达到缩短总的充电时间的目的。II线超出了蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线，将会产生极化现象，对蓄电池造成损坏。为了使持续大电流能顺利地进行充电，就必须对蓄电池充放电过程进行控制，在一定程度上消除大电流引起的极化现象。解决极化问题是大电流快速充电技术的关键，也是当前条件下电动汽车能否推广的瓶颈问题。大电流充电与极化现象是一对矛盾，这对矛盾将存在于蓄电池充电的全过程。快速充电是通过尽可能地延长蓄电池的可接受初始电流的持续时间来实现的。在这段时间里，所要解决的问题是消除极化，而消除极化的主要手段是对蓄电池实施放电，放电量一般为窄而深的放电脉冲。充电全过程引进放电脉冲法：采用这种方法，是在充电全过程实施放电脉冲去极化。整个充电过程按照“充电——停充——放电——停充——充电"这一既定的程序周而复始。二模糊控制应用与快速充电模糊控制可以根据在充蓄电池的一项或某几项特性来决定充电电流和电压的大小，并且随着蓄电池状态的改变而实时的改变。相对于常规充电模式而言，常规的控制方法只是对某项指标的精确控制，但对于在充电过程中，由于蓄电池参数模型不断变化，常规的控制方式就难以动态的根据蓄电池模型参数的变化调节给定信号的大小，从而无法实现冲电过程的最优化；而模糊化充电模式在整个充电过程当中，根据蓄电池的充电状态而动态的跟踪蓄电池的可接受充电电流，使得实际充电电流始终保持在可接受充电电流附近，从而保证蓄电池几乎在无析气的状态下充电，延长了蓄电池的使用寿命。

2.1充放电主电路

该电路为双向SPWM逆变整流电路，其功率开关器件为绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。该电路适用于单相电网，其BP端与BN端分别接蓄电池的正极和负极。电阻Rs为软启动电阻，以防止在合闸瞬间由于滤波电容的初始零电压，由于电容上的电压不能突变，在启动的瞬间相当于短路，从而引起产生大的短路冲击电流，在软启动完毕后(电容上的电压达到额定值容许范围内)，接触器KM1闭合，短路Rs。采用SPWM技术的蓄电池充放电装置，可以方便地实现并网充放电，尤其适用于家庭及小旅馆场合。

2.2基于模糊控制的智能充放电过程智能充放电过程的作用是对给蓄电池进行充放电控制。它的功能是要求根据不同的电池，控制不同的充电状态，自动检测电池端电压(端电流)的值经过处理后产生电压(电流)偏差和变化率信息，再经过模糊处理，输出电流控制信息，实时和精确地控制充电过程。根据蓄电池自身物理特性，准确检测电池是否充满，提示用户，同时充电器自动进入浮充维护状态。

整个充电系统是由主电路和控制电路组成，主电路包括充电电源和负载即蓄电池组，控制部分包括信号采样以及模糊控制环节、充电电流调节环和充电电压调节环。

整个控制系统全部数字化，通过软件来实现。图中的开关K，是为了此处方便系统的描述而加入的，实际上并不存在，通过K的通断来就可以实现两种不同的充电模式，分别为：1)K闭合：大电流模糊充放电模式。此时的充电电流给定i由模糊推理环节决定，它随着蓄电池的充电状态变化而变化；2）K断开：恒流充放电模式。此时的充电电流给定值i可以在充电开始时或充电过程中随时给定，根据电池的温度或电压的某一项指标控制电流的通断。

2.3铅酸蓄电池SPWM双向充放电过程

首先系统根据蓄电池的荷电状态，判定蓄电池要进入的状态是需要对蓄电池的电压进行跟踪控制(预充电阶段和浮冲阶段)还是要对电流进行控制(大电流快速充电阶段)，参考侧电压Ud*与直流侧输出电压Ud的差值经电压调节器VR调节后，产生蓄电池充电电流给定信号id*与实际充电电流信号的差值经电流调节器IR调解后与电网同步电压信号相乘，产生和电网具有相同相位的参考电流iac*，与交流电网侧输入电流实际电流iac作比较后的差值形成电流误差信号，经过滞环比较器实现并网电流的跟踪控制，当id*为正值时，电路处于整流状态，电网向蓄电池供电；当id*为负正值时，电路处于逆变状态，蓄电池向电网供电，同时消除和降低极