畢業(yè)設(shè)計(jì)汽車快速充電

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告題 目：電動(dòng)汽車快速充電模式專 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué) 生 張山 學(xué) 號(hào) 120210330 班 號(hào) 1202103 指導(dǎo)教師 王新生 日 期 2016-4-21 1論文工作是否按預(yù)期進(jìn)行、目前已完成的研究工作及結(jié)果1.1 論文工作是否按預(yù)期進(jìn)行本次設(shè)計(jì)具體進(jìn)度安排如下1. 了解、研究鉛蓄電池快速充電原理及其充電方法（1-2周）（1） 研究鉛蓄電池的電化學(xué)基礎(chǔ)（2） 認(rèn)識(shí)和分析鉛蓄電池的極化現(xiàn)象（3） 分析并介紹鉛蓄電池的容量及荷電狀態(tài)（4） 鉛蓄電池充電過程的基本分析2、 設(shè)計(jì)鉛蓄電池快速充電的模糊控制（36周）（1） 通過資料及所學(xué)知識(shí)熟悉鞏固模糊控制原理（2） 擬設(shè)計(jì)模糊

2、控制器（3） 對(duì)充電設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真3、 擬運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件電路的設(shè)計(jì)（7-10周）1.2目前已完成的研究工作及結(jié)果 一極化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)當(dāng)電池有電流通過，使電極偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象，稱為電極極化。在電極單位面積上通過的電流越大，偏離平衡電極電位越嚴(yán)重。通電前和通電后電極電位的差叫作過電位。陽極電流產(chǎn)生的電極極化叫作陽極極化；陰極電流產(chǎn)生的電極極化叫陰極極化。平衡電極電位是一個(gè)沒有電流流過時(shí)，靜止的、相對(duì)理想化的狀態(tài)時(shí)的一個(gè)電極電位。電池極化就是由于電流的流動(dòng)，而打破靜止?fàn)顟B(tài)后，實(shí)際電極電位偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來講，極化就是指所測(cè)得的電池電壓偏離實(shí)際電壓的現(xiàn)象，測(cè)得的電壓會(huì)隨靜置時(shí)

3、間加長(zhǎng)而與實(shí)際電壓接近；極化包含歐姆極化、電化學(xué)極化以及濃差極化。電子流動(dòng)的速度肯定大于電極反應(yīng)的速度，所以極化不可避免。如果電池只是1C以內(nèi)放電，其極化可以忽略；如果高倍率放電，放電時(shí)間則會(huì)急劇下降，電池本身發(fā)熱嚴(yán)重，甚至于發(fā)脹（放電結(jié)束冷卻后可能會(huì)恢復(fù)原狀），影響電池使用壽命。 消除極化是不可能的，只能通過改變工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，來減輕其極化程度，例如適當(dāng)提高極片導(dǎo)電劑含量、提高電解液中溶質(zhì)含量、降低極片的涂敷量、極片壓實(shí)適中等等一系列手段。一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個(gè)方面的原因。1） 歐姆極化充電過程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了

4、克服這個(gè)內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。2）濃度極化電流流過蓄電池時(shí)，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時(shí)得到補(bǔ)充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。3）電化學(xué)極化這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電極上電子運(yùn)動(dòng)的速度造成的。例如：電池的負(fù)極放電前，電極表面帶有負(fù)電荷

5、，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時(shí)，立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢MeeMe，不能及時(shí)補(bǔ)充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開電極，金屬離子Me轉(zhuǎn)入溶液，加速M(fèi)eeMe反應(yīng)進(jìn)行。總有一個(gè)時(shí)刻，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了，與此對(duì)應(yīng)的電極電勢(shì)變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時(shí)，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢(shì)變負(fù)。這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。二鉛蓄電池的容量及荷電狀態(tài)2.1蓄電池的容量蓄電

6、池的容量單位是 AH（安時(shí)） 也就是 電流與時(shí)間的乘積。 100AH容量得電池，充滿電后以100A的電流放電一小時(shí)就能把電量放完。50A電流就是2小時(shí)放完！ 20A就是5小時(shí) ！當(dāng)然這個(gè)是理論值，實(shí)際上是不可能以恒定電流一直放電的。因?yàn)殡姵貎?nèi)阻會(huì)隨著電池容量的下降而增大，端電壓會(huì)逐漸下降，放電電流減小，最后變成端電壓=0（這時(shí)候就已經(jīng)成為過度放電了） 過放電對(duì)電池的危害是終生的，放完電的電池如果不及時(shí)充電的話，幾個(gè)小時(shí)內(nèi)附著在極板上的強(qiáng)酸就會(huì)把極板腐蝕掉最終導(dǎo)致電池報(bào)廢。所以一般電路中都有蓄電池保護(hù)電路，一旦電池電壓低于10.8V就會(huì)自動(dòng)切斷用電，以防止蓄電池因?yàn)檫^放電而損壞。（標(biāo)稱值12V的

7、蓄電池 內(nèi)部六格電池格） 用電池的放電電流乘以放電時(shí)間來表示電池可以蓄存多少能量，是很形象的一個(gè)衡量方法。電池的安時(shí)值越大，說明電池可蓄存的能量越多。但是并不表示電池就可以使用這么大電流放電。2.2荷電狀態(tài)(SoC)的定義和測(cè)量方法一般SOC的定義是為了準(zhǔn)確計(jì)算電池的容量，即預(yù)測(cè)電池的剩余能量。蓄電池的荷電狀態(tài)是不能直接得到的，只能通過對(duì)電池外特性電池電壓、電池電流、電池內(nèi)阻、電池溫度等參數(shù)的檢測(cè)來推斷SOC的大小。以上這些參數(shù)與SOC的關(guān)系隨電池老化的過程而改變，這中間含有很多不確定因素，而且電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的工作狀態(tài)及環(huán)境隨電動(dòng)車的行駛而隨機(jī)改變。三快速充電要求1992年國(guó)際先進(jìn)蓄電池開

8、發(fā)聯(lián)合體ALABC制訂了電動(dòng)車用鉛蓄電池的開發(fā)目標(biāo)如表1 所示。表一、電動(dòng)車鉛蓄電池的快速充電ALABC的開發(fā)目標(biāo)項(xiàng)目 單位 開發(fā)目標(biāo)比能量（C/3） Wh/Kg 50 55 50 比功率（80%DOD） W/Kg 150 165 15循環(huán)壽命（SFUDS） 周期 500 1000 500再充電 50%5min 50%3min 50%3min 80%15min 80%10min 80%10min 100%4h 100%30min 100%30mi*DOD(Depth of discharge放電深度)*SFUDS(Simplified Federal Urban Driving Schedul

9、e)從表1 所列數(shù)據(jù)可以看出, 為滿足電動(dòng)車實(shí)用化的需要, 電動(dòng)車用鉛蓄電池今后發(fā)展方向是: 在提高電池比能量和比功率的同時(shí), 對(duì)電池的充電提出了特殊要求:第一, 充電時(shí)間特別短, 以往鉛蓄電池每次充電需用8 1 6 h , 現(xiàn)在要求30min 充完電; 第二, 允許每次充電不必充至額定容量的100 %。這樣的要求是否做得到? 這樣做對(duì)電池會(huì)有什么影響呢?3 .1充電過程分析恒電流充電曲線鉛蓄電池在開路狀態(tài)時(shí), 其端電壓V 。是隨電池荷電態(tài)、電解液濃度和溫度而變化的。新的鉛蓄電池充足電后, 其穩(wěn)態(tài)開路電壓V ?？蛇_(dá)到2.14 2.15 V。當(dāng)電池放電深度達(dá)到80 % 時(shí), 其V 。一1.96

10、1.97V。電池充電時(shí), 端電壓V 會(huì)逐漸升高, 此時(shí)V = Vo+ V (1)式中的V 稱為電池的過電壓。圖為鉛蓄電池恒流充電時(shí)端電壓的變化過程。剛接通充電電流時(shí), 電壓會(huì)突然升高, 接著就變化非常緩慢, 此時(shí)充入的電量基本上用于電池的電化學(xué)反應(yīng), 將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能, .并且充電效率最高, 電池溫升不大。當(dāng)電池電壓達(dá)到2.4 o V 之后, 電壓會(huì)迅速上升;:此時(shí)的充電電流除用于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化外, 電極上同時(shí)發(fā)生了電解水反應(yīng), 正負(fù)極上分別產(chǎn)生氧和氫, 因而通常2.4 V稱為析氣電壓。當(dāng)電池電壓迅速上升到2.6V 以上時(shí), 電池大量冒氣, 溫度迅速升高, 此時(shí)的充電效率極低。為使鉛蓄電池充電

11、時(shí)間短、充電效率高并且不會(huì)縮短電池壽命, 最好將電池的充電電壓控制在2.4 V 以下( 舊電池還要低一些)。鉛蓄電池在端電壓達(dá)到析氣電壓時(shí)充入的電量取決于充電電流值: 充電電流越大, 充入的電越少, 反之亦然。因而欲提高電池充電效率達(dá)到快速充電的目的, 必須盡可能采取措施降低V。3.2 過電壓V 的組成理論電化學(xué)早已指出, V是由以下三部分組成的: 歐姆壓降Vo、濃差極化Vc和電化學(xué)極化Vo。現(xiàn)就鉛蓄電池充電過程中出現(xiàn)的情況分述如下:( 1 ) 歐姆壓降Vo歐姆壓降是充電時(shí)電流流過電池的純歐姆內(nèi)阻引起的, 它包括極柱、連接條、匯流排、板柵、活性物質(zhì)、隔板、電解液的電阻; 這種壓降遵循歐姆定律:

12、Vo= I Rn(2)電池的型號(hào)結(jié)構(gòu)一旦確定后, 其歐姆其分布情況閉, 電池內(nèi)部連接部分的電阻內(nèi)阻也就基本確定了表2 列出兩種容量約占?xì)W姆內(nèi)阻6%。的鉛蓄電池充足電后單格電池歐姆內(nèi)阻表2鉛蓄電池歐姆內(nèi)阻分布電池容量 極板 電解液 隔板 合計(jì)（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我們以前測(cè)得1.05Ah 起動(dòng)型鉛蓄電池單格歐姆內(nèi)阻為0.6mn;中12v / 112 A h

13、水平密封鉛蓄電池單電池內(nèi)阻小于0.3 mn。上述電池用I C 電流充電時(shí), 前者會(huì)產(chǎn)生63 m V 的歐姆壓降, 后者的歐姆壓降只有34mV。顯然, 水平式密封鉛蓄電池的快速充電性能會(huì)優(yōu)于起動(dòng)用鉛蓄電池。( 2 ) 濃差極化Vc蓄電池充電時(shí), 在正和負(fù)極板上分別進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)( 放電時(shí)則相反) , 使電極附近液層中各種參與電化學(xué)反應(yīng)的離子濃度跟原來溶液中的濃度有所不同, 從而引起電極電位發(fā)生變化, 這種變化稱為儂差極化爪。理論電化學(xué)已經(jīng)導(dǎo)出:式中dI 為極限擴(kuò)散電流,R 為氣體常數(shù),T 為溫度, F 為法拉弟常數(shù); 整個(gè)電池的濃差極化V。應(yīng)當(dāng)是正和負(fù)極濃差極化的代數(shù)和, 且正極的濃差極化大

14、于負(fù)極。由于蓄電池的正負(fù)極均為多孔性電極, 它比理論上的平板電極要復(fù)雜得多; 電池充放電時(shí)又包含了多種傳質(zhì)過程, 并且傳質(zhì)過程與電化學(xué)過程在相互交錯(cuò)的區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行, 再加上多孔電極的物理模型在當(dāng)前還很不成熟, 因而從理論上計(jì)算出電池的濃差極化是比較困難的。實(shí)驗(yàn)得出,正常充電過程的中前期,Vo只有20 一30mV。當(dāng)充電到后期時(shí), 極板上存在的活性PbSO 已不多了, 而且溶液中的HZSO4含量已很多時(shí), 那么由極板上PbSO溶解而生成的Pb + 濃度就相當(dāng)?shù)? 極限擴(kuò)散電流dI 就會(huì)減小, 致使I/ dI 值增大,V。就會(huì)迅速上升, 導(dǎo)致充電電壓上升, 直到發(fā)生電解水反應(yīng)。( 3) 電化學(xué)極

15、化Ve蓄電池充電時(shí), 正負(fù)極板上都要發(fā)生電化學(xué)反應(yīng), 使正極電位向正方向偏移, 負(fù)極電位向負(fù)方向移動(dòng)。這種由電化學(xué)反應(yīng)而引起的電極電位的變化稱為電化學(xué)極化爪, 它在數(shù)值上等于:式中的I。為交換電流密度。整個(gè)電池的電化學(xué)極化V。應(yīng)當(dāng)是正負(fù)極反應(yīng)電化學(xué)極化的代數(shù)和。由于鉛蓄電池正極PbO2 / Pb5O4體系的交換電流密度遠(yuǎn)大于負(fù)極體系PbSO 4 / Pb 的交換電流密度, 因而鉛蓄電池充電時(shí)發(fā)生的電化學(xué)極化Vo實(shí)際上主要是由負(fù)極反應(yīng)引起的, (4 ) 式中的I?？梢杂秒姵刎?fù)極體系的交換電流密度來代替, 其值約為1。一3A c/mZ ( 真實(shí)電極面積)。由于鉛蓄電池極板是多孔性的, 其真實(shí)面積為

16、表觀面積的數(shù)百倍, 那么真實(shí)的充電電流密度也就很小, 其值一般為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。四實(shí)現(xiàn)快速充電的技術(shù)途徑為了縮短充電時(shí)間, 必須合理地加大充電電流, 并且要在電池電壓達(dá)到析氣電壓前充入盡可能多的電量。如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢?4.1 改進(jìn)電池設(shè)計(jì)降低歐姆內(nèi)阻按照ALABC規(guī)定的快速充電目標(biāo),若要求100Ah起動(dòng)用鉛蓄電池在5min內(nèi)將電池容量由20%充至50%, 即充入電量為100*(0.5一0.2 ) = 30A h , 則充電電流應(yīng)不小于30/(5/60 ) = 360A, 即3.6C2。

17、( A ) , 此時(shí)電池歐姆360*6*0.00001=0.216V, 電池電壓達(dá)到1.97 +0.216 + 0.030+ 0.006=2.23 V, 未到析氣電壓, 電池可以安全充電。水平式密封鉛蓄電池歐姆內(nèi)阻更小,112A h 單格電池只有0.3mn, 則電池容量在5min 內(nèi)由20 %充至50 % 需要充電電流為112x (0.5 一0.2 )/ (5/60 ) = 403A , 用此電流充電時(shí)的電池歐姆降為403*3X0.00001 =0.121V, 它比起動(dòng)用電池要低。顯然, 水平密封鉛蓄電池在充至析氣電壓時(shí)可以充入更多的電量, 即它的快速充電性能更好。鉛蓄電池若采用銅拉網(wǎng)負(fù)板柵,

18、 則會(huì)顯著地降低板柵電阻; 這不僅有利于提高活性物質(zhì)利用率和電池比功率, 而且還改善了電池快速充電性能。看來采用銅拉網(wǎng)負(fù)板柵的鉛蓄電池會(huì)給電動(dòng)車帶來很大好處。4.2 提高反應(yīng)離子擴(kuò)散速度這是為了提高鉛蓄電池的擴(kuò)散電流密度, 也就是推遲電池在充電過程中極限擴(kuò)散電流出現(xiàn)的時(shí)間, 即延遲電池電壓達(dá)到析氣電壓的時(shí)間, 從而允許加大充電電流,快速充電。減薄極板厚度、增加活性物質(zhì)孔率、增加板柵跟活性物質(zhì)的接觸面積, 這些措施均有利于反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)散過程, 減小濃差極化, 提高了允許的充電電流值, 實(shí)現(xiàn)快速充電。但從電池壽命考慮, 極板也不能做得太薄。4.3 改革蓄電池的充電方法脈沖快速充電方法的理論基

19、礎(chǔ)就是通過在充電電流中疊加一定頻率、寬度、高度的負(fù)脈沖或短時(shí)間的中停充電, 使參加反應(yīng)的P b + 離子來得及生成并提高其濃度, 又使生成的H + 和H -離子來得及從電極表面附近移開, 其綜合效果是降低了濃差極化, 允許加大充電電流縮短充電時(shí)間。應(yīng)當(dāng)指出, 鉛蓄電池在充電過程中端電壓是不斷升高的, 也就是說在不同的充電階段蓄電池的極化分布情況是不同的,因而在設(shè)計(jì)脈沖充電裝置時(shí), 應(yīng)當(dāng)根據(jù)電池充電時(shí)允許達(dá)到的電壓值來自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流時(shí)間; 同時(shí)還必須按照負(fù)脈沖放電過程中電池電壓下降值來自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)脈沖的寬度和高度。這樣雖然充電電流很大,但由于適時(shí)地有效地采取了降低濃差極化的措施, 蓄電池電壓上升

20、就慢, 使蓄電池充入更多的電量。目前開發(fā)的智能化充電裝置就是考慮到這些情況后進(jìn)行設(shè)計(jì)的。4.4 快速充電對(duì)電池壽命的影響大電流快速充電對(duì)電池壽命的影響是好還是壞眾論紛紜; 出現(xiàn)這種不同的看法不足為怪。這首先是由于電池壽命不是一致的, 在我們的試驗(yàn)中觀察到, 即使是從生產(chǎn)線上同時(shí)抽取的一批電池, 其循環(huán)壽命甚至可相差1 倍; 再者, 長(zhǎng)時(shí)期的壽命試驗(yàn)過程中, 很難保證各批電池的試驗(yàn)條件完全一致。雖然一般認(rèn)為大電流充電會(huì)縮短電池壽命, 但在文獻(xiàn)中卻報(bào)道了在有適當(dāng)冷卻的情況下, 閥控式密封鉛蓄電池的循環(huán)壽命卻因大電流充電而有改善。我們的試驗(yàn)表明, 在保持電池充電電壓低于析氣電壓的條件下, 大電流快速

21、充電并沒有給電池壽命帶來不利影響。電動(dòng)車電池在使用過程中, 可以不必每次充電都充至額定容量的100%， 但每隔一星期( 最好不超過半個(gè)月) 應(yīng)將電池充足電。尤其在不使用電動(dòng)車時(shí), 更應(yīng)當(dāng)將電池充足電后保存。這樣會(huì)有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。 智能充電特性曲線五模糊控制器設(shè)計(jì) 模糊控制器1 I(t)- d/dtddD為d/ddt蓄電池主電路ir +模糊控制器2ur + -uj Soc 模糊控制充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1模糊控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)蓄電池的單格電壓小于2.40，采用大電流充電，采用恒定電流控制，模糊控制器的兩個(gè)輸入分別為和，i(n)ir(n)，為充電電流給定值與實(shí)際值之差，e(n)-e(n-1)，為誤

22、差的變化率。當(dāng)蓄電池單格電壓充至2.40V時(shí)，采用恒壓控制，這時(shí)模糊控制器的兩個(gè)輸入分別為電壓給定值和蓄電池實(shí)際電壓值的差值U(n)-Ur(n)，及誤差的變化率e(n)-e(n-1)。在恒壓控制過程中，充電電流下降，當(dāng)電流小于第二段充電電流值時(shí)，又采用小電流充電的恒流控制，控制過程類似第一段。按上述三段控制要求設(shè)計(jì)模糊控制器，即完成恒流恒壓恒流的充電過程。兩種方式下模糊控制器的輸入均為e(n)和e(n)。模糊控制器的輸出采用速度式，其輸出為：z(n)z(n)-z(n-1)式(1)中，z(n)為控制量z(n)的變化率。定義模糊子集各量：NBNegativeBig（負(fù)大）；NMNegativeMe

23、dium（負(fù)中）；NSNegativeSmall（負(fù)?。?；ZOZero（零）；PSPositiveSmall（正小）；PMPositiveMedium（正中）；PBPositiveBig（正大）。和 的論域取為-3,-2,-1,0,1,2,3；的論域?yàn)?6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6；和的模糊子集取為，；的模糊子集取為，；、和 的隸屬函數(shù)均取三角形。根據(jù)對(duì)蓄電池充電的控制過程和操作經(jīng)驗(yàn)，可得模糊控制規(guī)則如表所示。根據(jù) 和在各點(diǎn)的隸屬度，再進(jìn)行極大極小合成推理運(yùn)算，可以獲得模糊控制查詢表，即模糊推理的過程。利用加權(quán)平均法去模糊化，得出各輸出控制精確值。 的隸屬函數(shù) 的隸屬函數(shù)5.2模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器同樣采用兩輸入和單輸出的形式，兩個(gè)輸入