上海大學碩士學位論文摘要鉛酸蓄電池是使用最廣泛的一種電池。目前在電動車、UPS不間斷電源等領域，它已成為系統最重要的部件之一。鉛酸蓄電池常規充電模式中，有的充電效率低、充電不完全，有的則存在過充電和析氣現象，導致電池壽命的縮短。因此，對既能高效充電又不影響電池使用壽命的新型充電技術的研究具有實際意義。本文在鉛酸蓄電池電化學機理的基礎上，結合馬斯定律，對比分析了各充電模式，比較其充電效率及對蓄電池壽命的影響?；谇懊娴姆治?，我們嘗試采用變壓間歇加適時負脈沖去極化的新型充電控制。在理論上分析了該充電方法的有效性和可行性，且對控制參數做了探討。同時引入模糊控制，給出了模糊控制器的設計及相關的仿真。同時由于電池間的不均衡是鉛酸蓄電池組的實際使用壽命要遠小于其設計壽命的一個主要因素，因此本文對充電均衡方法做了探討，對比分析了常見的均衡電路結構，采用了一種動態、無損的均充電路。關鍵詞鉛酸蓄電池，快速充電，均衡充電，模糊控制V上海大學碩士學位論文ABSTI認CTLEADACIDBATTERYISONEOFTHEMOSTWIDELYUSEDBATTERIESATPRESENT，ITBECOMESONEOFTHEMOSTIMPORTANTDEVICESOFASYSTEMINMANYFIELDSSUCHASELECTRICVEHICLE，UPSFORTHETRADITIONALCHARGINGMETHODS，SOMEOFTHEMHAVELOWEFFICIENCYANDINCOMPLETECHARGINGANDSOMEOFTHEMLEADTOOVERCHARGEANDGASGENERATIONWHICHRESULTINSHORTENINGTHEBATTERYLIFETHEREFORE。THERESEARCHONCHARGINGTECHNIQUETHATELEVATESTHEEFFICIENCYANDPROLONGSTHEBATTERYLIFEHASASIGNIFICANTMEANINGONTHEBASISOFKNOWLEDGEOFTHEELECTROCHEMISTRYMECHANISMOFLEADACIDBARERY,COMBINEDWITHSTUDYONRULESPROPOSEDBYJAMASTYPICALCHARGINGMETHODSWEREANALYZEDANDBALANCED，MEANWHILE，DISCUSSIONONTHECHARGINGEFFICIENCYOFTHESETYPICALCHARGINGMETHODSANDINFLUENCEONTHEBATTERYLIFEWEREPRESENTEDINTHISPAPERONTHEBASISOFALLTHESEANALYSISTHEMETHODOFVARIABLEVOLMGECONTROLLEDINTERMITTENTCHARGINGWITHNEGATIVEPULSEDISCHARGINGWASADOPTEDITWASVERIFIEDTHEORETICALLYTHATTHISCHARGINGMETHODCOULDSHORTENCHARGINGTIMEANDHADNOSIDEEFFECTONBATTERYLIFESOMESUGGESTIONSONCHOOSINGCHARGINGPARAMETERSWEREGIVENFROMTHETHEORETICVIEWFUZZYLOGICCONTROLSTRATEGYWASAPPLIEDTOCONTROLTHEFASTCHARGINGPROCESS功EDESIGNOFCONTROLLERSANDRELATEDSIMULATIONWEREPRESENTEDFORTHEFACTTHATTHESERVICELIFEOFLEADACIDBATTERYGROUPISGREATLYSHORTERTHANITSDESIGNLIFEANDCHUGINEQUALITYAMONGBATTERIESISAMAINFACTOR,DISCUSSIONOILCHARGEEQUALIZATIONWASALSOPRESENTEDINTHISPAPERONTHEBASISOFANALYSIS011TYPICALCHARGEEQUALIZATIONCIRCUITS，ANONDISSIPATIVECHARGEEQUALIZATIONCIRCUITWASINTRODUCEDKEYWORDSLEADACIDBATTERY,FASTCHARGING，CHARGEEQUALIZATION，FUZZYLOGICCONTROLVI上海大學碩士學位論文原創性聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名圭篷盜日期乏望蘭2本論文使用授權說明本人完全了解上海大學有關保留、使用學位論文的規定，即學校有權保留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?。保密的論文在解密后應遵守此規定簽名盔盟導師簽名檻日期IL3子3，7上海大學碩士學位論文11課題研究背景第一章緒論鉛酸蓄電池廣泛應用于通信、電動自行車、電動汽車、鐵路、電力和UPS電源等行業。蓄電池的充放電過程以及充放電持續性影響到系統運行的可靠性。且研究發現電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較小。絕大多數的蓄電池不是用壞的，而是“充壞的。據統計，在我國因為充電不當，許多蓄電池的實際使用壽命不到設計壽命的一半，大大提高了生產成本。因此，充電方法的選擇至關重要。目前，鉛酸蓄電池充電技術得到普遍地關注。從傳統的恒壓、恒流充電發展到現在的智能充電。傳統的充電技術充電時間過長，遠不能適應生產和生活的需要。國內外陸續提出了一些新型的充電方法，如分級定流充電法、變電流間歇定電壓充電法、變電壓間歇充電法等。這些充電方法都是在傳統方法的基礎上加以改進，以便使其充電電流能夠更好得逼近蓄電池的可接受充電電流曲線。同時引入模糊控制技術，更好得處理蓄電池充電過程中的時變性和抗干擾性等常規控制方法所難以解決的問題。鉛酸蓄電池在使用中必須串聯才能達到工作電壓的需要。研究與實踐表明，蓄電池組的壽命遠遠不及單體電池的壽命【1】2】。串聯電池組的不一致性將對電池組充電過程產生重要影響。單體電池不均衡是蓄電池組出現故障的主要原因。因此，探討一種有效的充電均衡方法從而延長電池的使用壽命是十分必要的。因此，國內外對電池充電的研究除了集中在充電方法上，對均衡充電也有一定的研究。按均衡電路結構來分大致有繼電器結構、電容切換結構、多次級變壓器結構和DCDC轉換器分布結構。本課題的目的是對鉛酸蓄電池充電系統的充電方法、能量均衡管理及其控制策略進行研究，進行有關理論分析和設計，并結合仿真技術，給出設計方案。上海大學碩士學位論文12論文框架本論文的基本結構如下第一章中闡述了課題研究的目的、意義。第二章中介紹了鉛酸蓄電池的工作原理及充電特性。第三章中介紹了常規充電、去極化充電及快速充電法，比較其優缺點，且探討不同充電方式對蓄電池壽命及充電效率的影響。同時探討了均衡充電的必要性及對各均衡充電方法進行了分析比較。第四章中嘗試采用變電壓間歇充電加入負脈沖去極化的新型充電控制。并對該充電方法的充電參數選擇作了理論的探討。最后給出快充階段控制策略及均充控制策略。第五章中主要基于第四章的控制策略探討了該充電控制系統的設計與仿真。硬件部分主要介紹一種動態無損的充電均衡電路?？刂撇糠忠肽：刂?，設計模糊控制器。且通過對蓄電池模型的分析，來進一步闡述控制參數的獲得。最后基于MATLAB搭建充電控制系統來對變壓間歇加負脈沖去極化控制過程進行仿真。第六章中總結所做工作，且指出有待進一步探討的問題。2上海大學碩士學位論文第二章鉛酸蓄電池的工作原理及充電特性由于蓄電池充電本身涉及到許多相關的專業知識，為能更好得理解本課題，首先簡要介紹鉛酸蓄電池的工作原理及相關的充電理論。21鉛酸蓄電池的電化學工作原理鉛酸蓄電池可大致分為四部分正電極氧化鉛、負電極海綿狀鉛、電解液硫酸和隔離板。下圖為其充放電示意圖。叫L充電L圖21鉛酸蓄電池充放電示意圖其充放電主反應化學表達式為肋D2P62凰觀嘲2PBS042H20鉛酸電池的工作原理可以用“雙硫酸化理論“來說明。鉛酸蓄電池在放電時，兩級活性物質與硫酸溶液發生作用，都變成硫酸化合物硫酸鉛；充電時，兩個電極上的硫酸鉛又分別恢復為原來的物質鉛和二氧化鉛。這種轉化過程是可逆的。充電初始階段主反應占主導地位，但隨著電池端電壓的升高，水開始被電解。端電壓愈高，電解水反應也愈激烈。此時充入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質很少。3上海大學碩士學位論文22基本概念1電池單元，單個電池一般來講，每個電池由六個單元CELL組成，單元之間串聯。對于每個單元2V的電池來說，單個電池的電壓為12V。2電動勢和開路電壓當蓄電池用導體在外部接通時，正極和負極的電化學反應自發地進行。當電池中電能與化學能轉換達到平衡時，正極的平衡電極電勢與負極的平衡電極電勢的差值即是電池電動勢。電池在開路狀態下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池正極電極電勢與負極電極電勢之差?？梢婋姵仉妱觿菰跀抵瞪系扔谶_到穩定時的開路電壓。但電池電動勢與開路電壓意義不同。電動勢是電池在理論上輸出能量大小的度量之一3】【4】。電動勢可根據電池中的反應利用熱力學計算或通過測量計算，有明確的物理意義。鉛酸蓄電池的電動勢大小取決于蓄電池正、負極板上的活性物質的電化學性質和電解液的濃度。而開路電壓只在數字上近于電動勢，需視電池的可逆程度而定。3充電電壓與放電電壓鉛酸蓄電池的端電壓是隨著充電和放電過程的變化而變化的，可表示為充電時UE緲緲一IR放電時UE一矽ACP一一IR式中U蓄電池的端電壓；E電動勢；V正極板的超電勢；1LR負極板的超電勢；I充放電電流；R蓄電池內阻。4充電終止電壓蓄電池充足電時極板的活性物質已達到保護狀態，再繼續充電蓄電池的電壓也不會上升，而只是進行水的電解反應，此時電壓稱為充電終止電壓。電池充滿電后若不及時停止充電，則會過充電。過充電時，電池內部溫度和壓力急劇上升，造成對電池的損害。防止過充電是均衡充電的重要原因。5電池容量與荷電狀態4上海大學碩士學位論文鉛酸蓄電池的容量就是其蓄電能力，是蓄電池最重要的性能之一。通常用充足電的鉛酸蓄電池在一定的放電條件下，放電至蓄電池的端電壓達到規定的放電終止電壓時可以從蓄電池中獲得的總電量來表示，其單位為安時AH。在使用過程中，容量主要受放電率、電解液溫度的影響。關于電池狀態經常用到荷電狀態SOCSTATEOFCHARGE的概念。一般定義為CO巳C_其中，SC一蓄電池的荷電狀態，CO一蓄電池初始容量，CM一蓄電池最大容量，CE一蓄電池充電或放電量。蓄電池處于充電狀態時，CE前面取“，蓄電池處于放電狀態時，CE前面取“一。通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量時的SOC定義為100，而將電池不能再放出能量時的SOC定義為0。充電過程中的荷電狀態預測可見第五章。6循環壽命循環壽命是指蓄電池實際容量降低至某一規定值之前所經歷的充放電循環的次數，通常用來定義蓄電池的使用壽命。23充電特性231可接受充電電流定律1967年，美國科學家馬斯JAMAS提出以最低出氣率為前提的蓄電池可接受充電電流定律IIOE一鰣式中10T0時刻的最大起始電流；I一任意時刻T時蓄電池可接受充電電流；Q一充電接受比。假設某電池的初始充電電流為50安培，充電接受比為00046安培分鐘，則其可接受充電電流曲線如下圖所示。5上海大學碩士學位論文、喇、_，煺腳唰螻旨鉚梃0圖22某電池可接受充電電流曲線這條曲線說明了在充電過程中實際充電電流超過這條曲線的部分并不能轉化為蓄電池的化學能存儲起來，而只會促進電解水的反應，產生氣體和引起溫升，并不能提高充電速率。相反，若實際充電電流低于此曲線，則將延長充電時間。如果遵循蓄電池充電接受電流曲線進行充電，設充電接受比A恒定，由可接受充電電流定律可得，在某一時刻已充入的電量為QCF肋F鏟鰣西魯1可鰣當T_OO時，充入電量等于放出的電量QA幺量口21圖23給出了相同充電量下，不同充電接受比的可接受充電電流曲線。充電接受比越大，初始充電電流也越大，相應可接受充電電流曲線越陡。6上海大學碩士學位論文圖23不同充電接受比的充電電流接受曲線因此，最佳的充電方法是保證充電電流完全遵循可接受充電電流曲線。同時對于任何一定的待充電量，充電接受比愈高，初始充電接受電流愈大，充電速度就愈快。因此，充電接受比也是研究快速充電的關鍵。232充電接受比的三大定律充電接受比與多個因素有關。麥斯根據大量實驗數據提出了關于蓄電池充電接受比的三大定律。這三大定律為探尋快速充電提供了理論依據。第一定律蓄電池在經歷任一放電電流后，充電接受比與放出電荷容量的平方根成反比，即口后Q22其中K為常數，可用實驗的方法獲得。QD為放電電量。則根據式21、22得IOQDAQDK_QDK0QD由第一定律可看出，如果以相同大小電流放電，則放出電量越大，充電接受比越高，可接受的充電電流越大。第二定律對于任何給定的放電深度，蓄電池充電接受比與放電電流的對數成正比關系，即7上海大學碩士學位論文弘壺19喝Q“其中ID為放電電流。則可得IOQDAKQDLG玨可看出，以大電流短時間放電的蓄電池，充電接受比高。第三定律一個蓄電池經幾種放電率放電，其充電接受電流是各種放電率下充電接受電流之和，即II、】2“一弘。IQ其中，I為總的充電接受電流，Q為總放出電量，Q為總的充電接受比。可看出，適當的放電將使I的增加比Q的增加快。則在充電前和過程中，適量放電將增加充電接受比。上述3個基本定律為快速充電奠定了重要的理論基礎，揭示了蓄電池可接受充電電流與放電量之間的內在聯系，指出了在充電過程中對蓄電池實施一定深度的放電是提高充電電流接受比從而加快充電過程的有效途徑。233溫度補償電池鉛板的腐蝕速度和外界溫度有緊密的關系。溫度越高，腐蝕速度越快。為了減小溫度的影響，不論以何種模式充電，必須針對溫度加以補償【5】【6117。補償后的充電裝置輸出電壓按下式計算【，式中U產設定的充電電壓；UB電池只數X單體電池補償電壓MYOC；通常充電曲線都是以250C為基準。環境溫度上升，應減小充電電壓，防止過充電；環境溫度降低，應提高充電電壓，防止欠充電。上海大學碩士學位論文第三章鉛酸蓄電池充電方法這章首先對常規充電方法進行介紹與分析，重點分析了去極化充電的發展及快速充電。同時由于蓄電池組在工作過程中，單體蓄電池間的充電不均衡是影響蓄電池組工作及其壽命的一個非常有害的因素，因此對均衡充電方法做了探討。31常規充電法311恒壓充電恒定電壓充電方式是一種傳統的充電方式。它是在充電全過程保持充電電壓為某一恒定值的情況下進行充電。此充電方法在充電初期蓄電池電勢較低，充電電流較大。隨著充電的進行，電流逐漸減小，具有一定的自適應性。實際上它是一種變流充電。鉛酸蓄電池恒壓充電時其充電電流和蓄電池端電壓曲線如圖31所示。I，11、二L二二二二二三二二二二】。，T圖31恒壓充電特性曲線恒壓充電法是對鉛酸電池最有效的充電方法之一。對最高電壓設限，以147到15V定電壓充電，大概可以在16個小時內將一個放完電的鉛酸蓄電池充完電。如果放電量少于100，則定電壓充電的時間便可以相對減少。例如一個放電量為50的電池，以15V定電壓充電，最小電流上限033C，大約可以在89上海大學碩士學位論文到10小時之間將電池充完電。恒壓充電的不足在于1在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流很大，電池可能因過流而受到損傷。2若充電電壓選擇過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適宜串聯數量多的電池組充電。3蓄電池端電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。312恒流充電恒流充電是用一個電流源對電池充電，充電電流保持在一個階段恒定。它包括單一恒流充電和分段恒流充電，其充電曲線如圖32示。單一恒流充電為避免后期過大的充電電流對電池損害，恒定值設定較低。充電時間一般較長，使得充電過程中蓄電池內部析氣較多，能耗高，效率低。分段恒流充電雖然可以根據充電狀態調整，先以較大電流充電并逐步減小，電流趨勢類似恒壓充電，但是轉換電流時需要合理選擇。目前常用的轉換條件包括電池電壓和溫升等，控制相對復雜，國外已經很少使用這種充電方法。TA單一恒流充電B分段恒流充電圖32恒流充電曲線313階段充電T階段充電法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段法采用了恒流和恒壓充電相結合。首先，以恒電流充電至預定的電LO上海大學碩士學位論文壓值，然后改為恒壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。其充電曲線如下圖。圖33二階段法充電曲線三階段充電法是在充電開始和結束時采用恒流充電，中間用恒壓充電，其充電曲線見圖34。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段，即涓流充電。這種方法實現簡單，基本能滿足電池充電的要求。缺點在于不能區別電池的放電深度而恰如其分地充電，對充電的控制較弱，對電池電解液的保持欠佳，易造成失水，從而影響電池壽命。0圖34三階段充電曲線32去極化充電的提出及發展321極化現象及其在充電過程中的影響T極化現象是所有二次電池共有的現象。蓄電池極化現象的外觀表現在于，當電池放電或充電時，由于電池中有電流通過導致電池的電動勢偏離平衡值，這種相對平衡電動勢的偏離稱為電極的極化，有時也稱過電勢和過電壓。一般上海大學碩士學位論文來說，產生極化現象有濃差極化、電化學極化、歐姆極化三方面的原因。1濃差極化隨著電極化學反應的進行，生成物以及反應物的擴散遷移速度趕不上化學反應的速度，以致造成從電極表面到中部溶液電解質濃度分布不均勻，這種現象稱為濃差極化。在沒有接通充電電路時，不存在濃差極化。在快速充電初期，由于蓄電池正、負極板的真實表面積很大，真實電流密度很小，而且電解液內部離子濃度很低，離子擴散速度很快，濃差極化并不嚴重。加大充電電流，濃差極化也增大，當充電電流密度接近極限擴散電流密度時，蓄電池的充電過程被電解水的過程替代，產生氫氣和氧氣。充電停止后，濃差極化由于擴散作用而逐漸消失。這個過程相對較慢，一般需要200毫秒以上。濃差極化的結果導致電池開路電壓升高、電池溫度升高確切地講是電極的溫度升高、充電效率降低以及過早地進入析氣反應。2電化學極化鉛酸蓄電池的充放電過程中，由于電極反應過程中的遲緩特性，阻礙了整個電極反應的進行，引起電極電勢的變化，稱為電化學極化。切斷充電電流后，電化學極化經過幾個微秒可以顯著降低。3歐姆極化在充電過程中，離子遷移不可避免地受到一定的阻力，外加電壓就必須額外施加一定的電壓克服阻力，這種現象稱為歐姆極化。鉛酸蓄電池的極化現象在充電過程中的負面影響主要表現在以下幾個方面極化產生的過電壓會阻礙充電電流增加，減緩電池的化學反應速度。極化現象使化學反應過程中的水解加劇，產生大量氣體。產生的氣體不僅會延緩充電過程，而且對極板有嚴重的腐蝕作用。電池內部水解將產生大量的熱量，使電解液的溫度升高。當電池溫度升高到一定的程度時，會引起極板受熱變形，以致損壞。可見極化產生的過壓、析氣、溫升等對蓄電池都是極為不利的。且充電電流俞大，極化現象俞嚴重。研究鉛酸蓄電池快速充電技術的主要任務就是使蓄12上海大學碩士學位論文電池的充電過程做到高效、迅速且無損。為實現這一目標，除蓄電池自身應采取改進電池設計來降低歐姆內阻和提高反應離子的擴散速度等措施外，另一重要措施就是改進充電方法，解決蓄電池在充電過程中存在的極化問題。322去極化充電的提出電池的極化是電池充放電過程中不可避免的但是可以加以控制的現象。所以新型高效無損快速充電方法的研究方向是尋找每一時刻最能充分利用活性物質且又不產生析氣的電流，即得到可接受充電電流曲線，且在裝置的設計中要采取消除極化的措施。結合前面對極化現象的分析可知，歐姆極化和電化學極化只需電池電流下降到足夠小或停止即可在毫秒或微秒內減小或消除，而濃差極化消除時間較長。當停止充電時，歐姆極化消失，濃差極化和電化學極化也逐漸減弱。若為蓄電池提供一條放電通道讓其反向放電，則濃差極化和電化學極化將迅速消失，同時蓄電池內溫度也因放電而降低。因此，目前去極化的方式主要有兩種自然去極化。即采用中途停止充電，間歇的方式。強制去極化。即在大電流充電過程中，強制電流反向，即對蓄電池實施瞬時的一定深度的放電。兩種方式都能夠實現減小極化量的目的。國內外很多研究者認為，間歇充電和放電脈沖能夠在更短的時間內實現減小內阻，提高電池充電接受能力。在實際應用去極化措施時須遵循以下原則在整個充電過程中，應始終適時地采取去極化措施。充電開始后，蓄電池可接受電流隨時間呈指數規律下降。若采用大電流充電，會因可接受電流的下降而產生析氣。故充電前期也應有去極化措施，始終不使極化過分嚴重。去極化措施應能自動地適應整個充電過程中的不同極化情況。如果只選擇適合某一階段的去極化措施，則必然不能適合其它階段的去極化作用。在充電過程中，極化現象達到一定程度時，就應停止充電，去極化電壓上限應選在低于出氣點電壓，即去極化措施應能抑制過電勢，使其達不到氣體上海大學碩士學位論文析出的電勢。去極化是有限度的，當電動勢降至一定值時，就應適時的停止去極化，轉到下階段的充電中。遵循上述原則可使充電全過程去極化效果適當，并能以較高的充電平均電流進行充電，還可有效的抑制氣體析出【8】【9】【LO】。33快速充電法331脈沖充電脈沖充電方式是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環，其充電曲線如圖35所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氫氣和氧氣有時間重新化合而被吸收掉，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率，從而打破蓄電池指數充電接受曲線的限制。時I司圖35脈沖充電曲線采用脈沖充電方法時，雖然蓄電池的析出氣體總量減少，但因出氣率高，活性物質易沖刷脫落，所以對蓄電池的壽命有一定影響。因此，目前蓄電池充電機市場上僅僅使用脈沖充電法的并不是很多，大多數是采用脈沖充電和其它充電法相結合的方法，將充電過程分幾段曲線，每段曲線分別采用恒流脈沖充電或恒壓脈沖充電的方法?；诿}沖充電，出現了REFLEXTM快速充電。這是美國的一項專利技術，主14上海大學碩士學位論文要面對的充電對象是鎳鎘電池。REFLEXTM充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持3個階段【LL】【121，如圖36示。，T圖36REFLEXTM充電電流曲線該充電方法大大降低了蓄電池的充電時間。鉛酸蓄電池的充電方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。332間歇充電近幾年廈門大學的陳體銜教授提出間歇充電法D31，該法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上采用限壓變電流間歇充電，其充電曲線見圖37。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態。通過間歇停充，減輕蓄電池的內壓，使蓄電池可以吸收更多的能量。陳教授提出的在充電前期盡可能多的充電思想非常好，但所采用的變電流方法實質上就是多階段恒流遞減充電，因此還沒有達到真正意義上的最佳電流充電。15上海大學碩士學位論文353O2520IA1ELU10050007570、RV6560圖37變電流間歇充電曲線在變電流間歇充電基礎上，中國農業大學的王庫教授提出了變壓間歇充電法【14】【15】，差別就在于采用間歇恒壓。在每個恒壓充電階段，充電電流自然按照指數規律下降，更加符合最佳充電曲線，其充電電壓電流曲線如圖38所示。0TMIN0圖38變壓間歇充電曲線由變壓間歇充電曲線和變流間歇曲線相比較可看到，變壓間歇充電曲線能夠模擬最佳充電曲線。試驗結果驗證，這種充電方法的確能夠有效地提高充電效率。且從工程角度來看，恒壓控制更容易實現。333變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電綜合脈沖充電法、REFLEXTM快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優點，變電壓變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發展應用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種，一種是脈沖電流的幅值可變，而驅動16上海大學碩士學位論文充放電開關管的頻率是固定的，另一種是脈沖電流幅值固定不變，開關頻率可調。而該法采用了一種不同于這兩者的控制模式如圖39示。脈沖電流幅值和驅動充放電開關管的頻率均固定，PWM占空比可調，在此基礎上加入間歇停充階段，這樣能夠在較短時間內充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。圖39波浪式間歇正負零脈沖快速充電曲線34充電模式對溫升、循環壽命的影響在電池快速充電的研究中，很多人認為大電流充電對電池的壽命會帶來影響，其實這種說法是片面的。大電流充電本身不會影響電池的壽命，而是大電流充電引起的溫度升高真正影響電池壽命。因此在電池允許的電壓范圍內，采用大電流充電，并沒有壞處。溫升是快速充電所要解決的一大問題。由恒壓充電特性可知，恒壓充電具有自適應性，隨著充電的進行，其端電壓在上升同時充電電流也在減小。根據相關試驗數據16】F17】【18】，下圖為恒壓和恒流充電溫度變化比較曲線。17上海大學碩士學位論文，一、倒傲鞲蜊明圖310恒壓充電和恒流充電溫度變化比較圖從圖可看出，恒壓充電過程中電池溫度緩慢上升，這是由于其充電電流曲線和充電可接受電流曲線非常接近。而對于恒流充電，充電后期充電電流比可接受充電電流大很多，產生劇烈的副反應，生成大量的熱量，溫度一直在增加，尤其在充電后期溫度上升速率更大。這對電池的壽命是不利的，也存在安全隱患。影響電池壽命的因素還有充電電壓與充電時間、放電深度與放電方式以及電池工作環境等。充電電壓、充電時間與電池壽命的關系【19】【冽如圖31L示。循環壽命次壓V圖311充電電壓、充電時間與電池壽命的關系曲線由圖看出，對應某一充電時間，電池壽命有一個對應的最佳充電電壓值。充電時間長，最佳充電電壓值低，但壽命延長不太明顯。所以，在恒壓充電中上海大學碩士學位論文只要充電電壓選擇合理，還是可以在較快的充電方式下獲得滿意的循環壽命的。同時為探尋充電期間適當的去極化放電對充電效率、溫升的影響，對變電流充電、變電流間歇充電及具有去極化放電的變電流間歇充電進行實驗比較【21】，結果見表31。表31充電實驗結果比較充電方法充電效率溫升OC變電流充電714214變電流間歇802228具有去極化放電的變電流間歇824221通過比較可見，充電過程中采用間歇及適當的去極化放電控制顯著提高充電效率，且在變電流間歇基礎上增加去極化放電措施，總體溫升有所下降。35均衡充電的必要前面充電思想主要是針對串聯蓄電池組充電，而沒有考慮由于蓄電池間性能差異造成的充電不均衡【221。充電不均衡的原因在于電池組是串聯形式，而各電池單體的容量和性能不相同，這就造成充放電的不均衡，會造成某些單體電池的過充電和過放電；電池組在使用過程中，各單體受溫度場不一致等因素的影響，使得老化過程不一致；不斷重復的充放電過程更加劇了不均衡現象。由于“水桶原理“，性能差的電池壽命縮短會引起所在的電池組的壽命縮短。因此，在蓄電池實際使用過程中，蓄電池組中的各個蓄電池單體的壽命差異很大。且研究與實踐表明，蓄電池組的壽命遠遠不及單體電池的壽命。充電不均衡是影響鉛酸蓄電池組壽命的主要因素之一。所謂的均衡充電是指蓄電池組在串聯充電過程中通過一定的裝置和控制規則使每個單體電池都能充到其最大電量而又不過充。充放電均衡技術能夠減弱電池組中不均衡現象。研究結果表明【23】達到LOMV的均衡精度的電池均衡能明顯延長電池壽命。19上海大學碩士學位論文研究有效的充電均衡方法，彌補蓄電池在使用過程中電池的不一致性，對蓄電池組進行有效的容量均衡管理，保證蓄電池擁有基本一致的循環壽命，不僅能有效保障系統的工作可靠性，也能節省大量財力。因此充放電均衡問題一直被關注。36常見的均衡充電方法分析實現均衡充電主要有以下幾點要求串連電池組中每個電池都能充足電所有電池都同時充足電；每個電池的溫升正常。開始提出的被動均衡技術需要在常規充電后額外的充電，是以小電流進行13H的過充電過程。該法主要用來消除一組浮充運行的蓄電池在同樣運行條件下，全組電池不均衡形成的差別，以達到全組電池的均衡。此方法一般不能頻繁使用。且被動均衡的代價就是電壓高的電池會失水，周期性均衡對電池造成損害，使電池容量下降，甚至造成電池熱失控?，F被廣泛使用的主動均衡技術是非耗能，且能夠動態均衡充放電過程。即致力于研究高效、無損的均充電路。均衡電路一般可被分為以下四類繼電器結構、電容切換結構、多次級變壓器結構和DCDC轉換器分布結構。1繼電器結構與電池組連接的繼電器網絡在必要時通過輔助電源圖A示或能量轉換電容圖B示傳輸額外的能量。兩種基本結構如圖312示。上海大學碩士學位論文IS山寺譬羞1王繼T電上器控制信號網下絡IT控制器ILIL電壓檢測遞AB圖312繼電器結構均衡電路電池單體電壓被檢測后，額外的能量通過繼電器傳輸。在圖A中，通過比較和邏輯判斷后，額外的充電電流從輔助電源流入最低電壓電池。圖B中，額外的能量從電壓最高的電池通過電容轉移到電壓最低的電池。這樣電池間不均衡被減弱。這類結構的均衡控制算法很簡單并且容易實現。但是這類均衡裝置大，且連線復雜，控制精度低，動態均衡性也比較差。2電容切換結構這種方法利用串聯電容在單體電池間來回切換來實現電壓均衡充放電。通過單刀雙擲的雙向開關切換，每個電容都可與兩個相鄰的電池相連，其結構如圖313示。通過電容切換來轉移臨近電池間能量。能量從高電壓單體電池轉移到低電壓電池。最終所有電池的電壓達到均衡值。這方法容易實現，且損耗低。但是由于引進電容使得電路的均衡頻率受到限制，同時單刀雙擲的實現比較復雜。21上海大學碩士學位論文IS曩I，AFLYBACK結構BFORWARD結構圖314多次級變壓器結構均衡電路在FLYBACK結構中，當SL開通，能量存儲在變壓器中，當SL關斷，能量傳遞到變壓器次級。由于二極管作用，使得大部分能量傳遞到電壓最低的電池中。在FORWARD結構中，當檢測到較大的電壓差時，最高電壓單體電池連接的晶體管開通，通過變壓器和反并聯的二極管使得能量從該電池單體轉移到其它電池中去。4DCDC轉換器分布結構上海大學碩士學位論文基于DCDC轉換器分布結構均衡電路有隔離式圖315A和非隔離式結構圖315CO，用來單向或雙向傳遞能量。具有升壓降壓功能的分布式變換器是無損的?？赡鼙贿\用的有反激式變換器、升降壓變換器和CUK變換器等。雌1H2AB圖315基于DCDC轉換器分布結構均衡電路用在隔離式結構中的FLYBACK轉換器可單向也可雙向傳遞能量。如下圖示。A單向轉換器B雙向轉換器圖316隔離式結構中的FLYBACK轉換器可看出雙向的DCDC變換器比單向結構能更靈活得傳遞能量，所以雙向轉換器被廣泛運用在非隔離結構中。見下圖。當上海大學碩士學位論文ABUCKBOOSTBCUK圖317非隔離式結構中的雙向轉換器對于連接能量雙向轉換器的一對電池，根據相應電壓，能量在兩電池間獨立傳遞。主要的缺點在于當能量需要從第一個電池轉移到最后一個電池時，即使DCDC變換器效率高，但是能量傳輸效率低。為克服這缺點，從非隔離式結構中出現了一些特定的結構，如下列圖。玉IAD1D2D3NC圖3。18三種特定結構的均衡電路24上海大學碩士學位論文所有這些都是基于雙向升降壓變換器。能量在一個電池和其余電池間傳遞。這些結構運用更少的元件，使得比分布式結構具有更高的效率且有更好的動態均衡特性。對于分布式的帶有DCDC變換器的結構，因為變換器能獨立工作且具有相同的結構，所以具有高模塊性。開關的高頻使得模塊體積小而適合使用在有限的空間。而且當電池數增加，均衡模塊也便于擴展。37充電終止控制鉛酸蓄電池在充滿電后，如不及時停止充電，則蓄電池的溫度和內部壓力將會迅速上升。溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命，使容量下降，甚至引起蓄電池爆炸。因此需要采取一種可靠的充電終止判決方法來保證電池充足電又不會引起過充電。對于鉛酸蓄電池，有定時控制、蓄電池電壓控制、蓄電池溫度控制和綜合控制等多種充電終止判斷法。1定時控制法該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時，根據蓄電池的容量和充電電流，可以很容易的確定所需充電時間。這種控制方法較簡單。缺點在于充電時蓄電池的容量無法準確知道，而且蓄電池和一些元器件的發熱使充電電能有一定的損失，實際的充電時間很難確定。且該方法充電時間是固定的，不能根據蓄電池充電前的狀態而自動調整，則使有的蓄電池可能充不足電，有的可能過充電。2蓄電池溫度控制法該法即當蓄電池溫度上升到規定數值后停止充電。常用的溫度控制有最高溫度控制通常規定當蓄電池溫度達到45OC時停止充電。溫度變化率控制鉛酸蓄電池充足電后電池溫度迅速上升，且上升速率基本相同。當蓄電池溫度每分鐘上升1OC時停止充電。3蓄電池電壓控制法常用的電壓控制有最高電壓控制充電過程中，當蓄電池電壓達到規定值后停止充電。該控上海大學碩士學位論文制方法缺點在于，蓄電池充滿電時的最高電壓隨環境溫度、充電速率的改變而改變，且電池組中各單體蓄電池的最高電壓也有差別。因此該法不能非常準確地判斷蓄電池是否充足電。電壓負增量控制由于蓄電池的電壓負增量與絕對電壓無關，且不受環境溫度和充電速率等因素影響，因此該法可較準確地判斷蓄電池是否已充足電。該控制方法的缺點在于，從多次充電試驗中發現，蓄電池充足電之前也有可能出現局部電壓下降的情況，這使得在未充足電時由于檢測到負增量而提前停止了充電。而且當環境溫度較高時，電池充足電后電池電壓的負增量不明顯。因此該法一般與其它控制方法配合應用。電壓零增量控制為避免等出現電壓負增量時間過久而損壞電池，通常采用零增量控制。該方法缺點是充足電前電池電壓在某段時間內可能變化很小，很可能誤操作。為此，目前大多數鉛酸蓄電池快速充電器采用高靈敏零增量檢測，當電池電壓略有降低時停止充電【24】【25】。電壓二次導數控制該法是通過檢測電池電壓的二次導數來實現控制。實驗證明，當電池在充足電時D2V砰將達到某一確定值，此時可結束充電。這種方法適用于恒流充電模式【261。上述各控制方法各有優缺點。目前快速充電器通常采用包括時間控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。本文采用電壓零增量控制和溫度變化率控制相結合的方法。上海大學碩士學位論文第四章新型快速充電控制41變壓間歇加負脈沖去極化快速充電根據前面對蓄電池工作原理、快速充電理論分析及各充電模式的比較分析可知，為實現高效、快速、無損的充電須遵循以下原則為提高充電速度，縮短充電時間，需要加大充電電流值，然而加大充電電流值是有一定限度的。充電電流應隨著充電的進行而逐漸降低，即遵循蓄電池的可接受充電電流曲線，否則會造成析氣和溫升問題。充電過程中采取適當的去極化措施。因此根據上述分析，從高效、快速、無損等方面綜合考慮，我們嘗試采用在變壓間歇基礎上加入負脈沖去極化來實現快速充電。原因歸結如下。根據恒壓充電特性可知，由于極化和環境溫度的影響，恒壓充電電流的大小隨充電的進行不會完全符合電池的可接受充電電流曲線，但經實驗驗證很是接近。且從工程角度來看，恒壓控制更容易實現。同時根據第三章中對恒壓充電過程中電池溫升的分析可知，由于其充電電流曲線和充電可接受電流曲線非常接近的原因，電池的溫度緩慢上升。而且從循環壽命的角度分析，在恒壓充電中，只要充電電壓選擇合理，是可以在較快的充電方式下獲得滿意的循環壽命的。同時根據麥斯理論可知，在充電過程中對蓄電池實施一定深度的放電是加快充電過程的有效途徑。在充電過程中實時改變蓄電池的放電歷史，就可以提高充電接受電流，從而打破指數曲線的自然接受特性的限制，按照上移后的曲線所能接受的充電電流進行充電，則可以縮短充電時間，且充電性能優良。而且根據對蓄電池充電過程中阻礙電解反應的極化現象的分析及對去極化方法的探討可知，間歇充電和放電脈沖能夠在短時間內有效抑制氣體析出量，減小內阻，提高電池充電接受能力，且蓄電池內溫度也因放電而降低。上海大學碩士學位論文42充電參數探討在變壓間歇加負脈沖去極化的充電控制中，分幾個階段比較合適，恒充電壓取值等充電參數對充電時間和質量有重要影響。同時去極化的量應適當掌握，這具體反映在充電和停充時間比，脈沖放電的深度和寬度等方面。脈沖幅值太小則對極板的積累電荷沒有消除作用，不能有效地消除極化現象。脈沖幅值太大將對蓄電池極板形成強大沖擊，嚴重縮短蓄電池壽命。文獻271DP針對某型號鉛酸蓄池12V4AH進行了負脈沖去極化實驗。研究分析了在排除其它因素的影響下，停歇時間、負脈沖寬度、負脈沖幅度分別對去極化效果的影響。在實際應用中，我們可針對特定型號容量的電池通過類似實驗確定合理的參數。在這，其參數選擇范圍及實驗結果可作為參考。在對間歇時間影響的實驗中發現在25MS1S時間內，蓄電池端電壓差值變化不大。當間歇時間大于1S，則消除過電勢的作用明顯增加。但若間歇時間選擇過長，會影響充電過程的效率。因此可選擇25MS作為間歇時間。在對負脈沖幅度影響的實驗中，針對該型號電池設置負脈沖幅值參數分別為24A、20A、16A、12A、8A。在初始電壓為1173V條件下，將負脈沖放電前后的電壓降作為去極化效果進行比較分析。實驗結果表明，對于該型號電池，當負脈沖幅度選為24A時，脈沖放電前后電壓降平均值最大，則可認為負脈沖寬度取該值時消除極化效果最明顯。在對負脈沖寬度影響的實驗中，針對該型號電池設置負脈沖寬度分別為16MS、25MS、50MS、75MS、LOOMS。實驗結果表明，消除極化的作用隨脈寬的增加而增加。在實際應用中，去極化的具體方法和去極化的量不盡一致。充電時蓄電池出氣率和溫度高低不一，對于不同電壓和容量的蓄電池去極化的量各不相同。則不能以固定的方法去對待不同的充電對象，應當切合不同蓄電池的實際情況。下面主要基于麥斯理論和曲線，用數學的方法推導在變壓間歇加負脈沖去極化充電中參數間的基本關系式。在分析中停充暫不考慮，且認為充電設備所能產生的負脈沖電流大小IDIS上海大學碩士學位論文是確定的。這里主要需要確定恒壓充電時間和負脈沖電流寬度。在各負脈沖去極化段后，各段的最大可接受充電電流與蓄電池固有可接受充電電流曲線的最大充電電流相差不大。為便于分析，將各段的最大可接受充電電流取為相等值IO。根據麥斯定律，為保持最高充電接受電流IO，若在恒壓充電段充電接受電流下降I，經過停充檢測，加入合適的負脈沖，需使充電接受電流上升I。其充電特性曲線見圖41。IOIDJS。I厶IRTCHA。，TDIS_1、。IIIIIL_J127一RTT圖41變壓間歇加負脈沖去極化的充電特性曲線這里考慮T時刻開始的恒壓停充加負脈沖放電段停充影響暫不考慮。把T時刻充電接受率記為QT，恒壓段充電時間TCH，放電脈沖寬度。根據麥斯理論，在恒壓段充電接受電流的下降可表示為甜IOOE噸41恒壓段充入電量Q幽2R,TOE噸F，加老EATT_EATXTT,42根據麥斯第二定律，放電段貢獻的充電接受電流應等于恒壓段可接受充電電流的下降，即A七K么1943上海大學碩士學位論文當IDIS為常數時，則可得放電脈沖寬度負脈沖段放電量如K么2素】2由麥斯第三定律可知，T時刻的充電接受率吼IO駭F444546其中放電容量QT是初始放電容量減去前T1個周期內充入的總電量Q，QO一甌F一玩FJ147隨著充電的進行，電池放電容量逐漸減少，充電接受率Q增加，可接受充電電流衰減得越快。由式41、46可得放電容量與恒壓充電時間的關系QF48M盎上述給出了一些基本關系式，但具體控制參數需經大量充放電實驗，同時需要注意環境溫度等的影響，以總結較合理的充電參數，從而達到最佳充電效43充電控制策略對于變壓間歇加負脈沖去極化的快速充電，其控制策略具體分析如下。下圖為常規充電過程中極化電流和充電電流的比率與荷電狀態之間關系的曲線【2829O上海大學碩士學位論文0102030405060708090100圖42極化電流和充電電流的比率與荷電狀態的關系圖由圖可見，在荷電狀態SC88以后，極化電流增加非?？?。這時即使引入負脈沖去極化后，蓄電池可接受的充電電流仍然很小。所以這時采取去極化措施的意義已不大。此后可設定蓄電池單體充電電壓為230V，進行恒壓控制。同時，在充電過程中后期電池間充電不均衡問題明顯。所以當荷電狀態SC88后，均衡充電階段開始。整個充電控制流程如下圖。如加卯如加M上海大學碩士學位論文廣。ILLLILLILLLIILLLIILLLLLLIIIILLLIILLLLNNN圖43充電控制流程圖對于充電終止判斷，我們采用電壓零增量控制和溫度變化率控制相結合的方法。對于電壓零增量控制，可避免因等出現電壓負增量時間過久而損壞電池。缺點在于充足電前電池電壓在某段時間內可能變化很小，很可能誤操作。因此為消除誤檢測，同時考慮其溫度變化率。若蓄電池溫度每分鐘上升1OC則認為檢測到的零增量有效，則結束充電。對于充電控制流程中的均衡充電控制分析具體見下節。44均充控制策略選擇反映電池充電狀態的參數是均衡充電首先要討論的問題。在可實測參數中，電池端電壓是電池本身體現出的參數，是最能反應電池充電狀態的參數。32上海大學碩士學位論文且有實驗數據表明【161，狀態差和狀態好電池在恒壓充電過程中端電壓的差別很大，可以作為均衡控制的參數。根據研究分析可知【30】，在電池組中單體電池間參數一致性比較好的前提條件下，在充電末期電流較小時，電壓的均衡可以近似認為是容量的均衡。然而在大電流充電階段，電壓均衡作為容量均衡的手段并不可行。因此，在充電控制后期即均衡階段，采用單體電池端電壓值作為參數標準來確定開啟均衡電路的時刻。其中單體電壓的檢測在第五章中說明。因此在均衡充電階段，檢測單體電池端電壓并求其與電池組平均電壓差，當其達到設定閾值V時開啟均衡電路，計算PQV信號占空比給相應觸發模塊，否則關斷。此控制流程可見下圖，其中T伽為設定的均充段時間。33上海大學碩士學位論文圖44均充控制流程圖上海大學碩士學位論文第五章充電模糊控制系統設計及仿真51充電系統硬件設計511系統總體框圖系統硬件部分主要包括主充電模塊、檢測模塊、控制模塊、均衡控制模塊。如圖51示?？刂菩盘枅D51充電系統模塊圖充電電源采用開關電源。開關電源是將交流輸入電壓變換成所需的直流電壓的裝置。開關電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。主回路有多種不同的拓撲結構。控制回路是實現電源各種性能要求的核心，其控