電動汽車充放電(電力電子技術的應用)

電動汽車充放電研究

作者：葉圣雙摘要鉛酸蓄電池是目前使用最廣泛的一種電動汽車蓄電池，由于電池技術不能在很短的時間內有較大的提高，因此當前研究的主要方向就是通過別的方式間接的增加蓄電池的容量，即縮短充電時間以延長行駛里程。因此，本文針對目前蓄電池的實際情況，通過對蓄電池充放電過程進行控制，達到縮短充電時間，延長電池壽命和增加行駛里程的目的，達到蓄電池增加容量的目的。一、鉛酸蓄電池快速充電技術1．1蓄電池參數蓄電池的五個主要參數為：容量、標稱電壓、內阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電壓的容量通常用Ah(安時)表示。通常電池體積越大，其容量也就越高。標稱電壓是指電池剛剛出廠時正、負極之間的電勢差。電池的內阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。蓄電池充足電時，極板上的活性物質已經達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。

1.2蓄電池充電過程中的化學變化蓄電池充電，使得蓄電池極板上的活性物質發(fā)生化學反應。它在整個充電過程中，化學反應總的反應方程式：2PbSO4+2H20=Pb02+Pb+2H2S04以上反應稱為主充電反應。其化學過程叫做電池過程，這是充電時所必需的。除了主反應外，在電解液中，還進行著所謂的副反應，它包括兩方面，即：正極板表面產生氧氣：負極板表面產生氫氣：顯然，這個副反應就是水解反應，它在充電過程中是我們不希望有的。

1.3蓄電池充電過程中的物理現(xiàn)象主要表現(xiàn)為電池的兩極會發(fā)生“過電壓”，即電池兩極板間的電位差在充電過程中要比不充電時高一定的數值，結果是正極板更正，負極板更負，形成“極化”現(xiàn)象。它會對充電電流起阻礙作用，使電流趨于減小。極化現(xiàn)象可分為三種情況：(1)歐姆極化即內阻所引起的歐姆壓降，隨電流的變化而變化。當充電電流停止時，它立即降為零。(2)濃差極化充電過程中導致的電解液濃度差異。根據電化學的詳細分析，只要出現(xiàn)濃差，則電極就會發(fā)生過電壓極化。此濃差極化會對充電電流產生影響，阻礙電流流入，如果想消除濃差極化，只需要停充一會兒，讓離子利用布朗運動進行擴散，或利用瞬間大電流的放電，使得電化學反應朝相反的方向進行，達到新的平衡。(3)電化學極化由前面分析的電池過程可以知道，充電過程中，會形成電荷的累積。電荷的累積將使極板產生過電位，這種電壓被稱為化學極化。它也會阻礙電流，使充電電流趨于減少，放慢了電池化學反應，還會引起如下的影響：a.副反應(水解)加劇，產生大量氣體。b.副反應(水解)將產生大量的熱量，使電解液的溫度升高。c.副反應(水解)消耗的能量全是無謂消耗，降低了充電過程的能量、效率指標。

從以上分析可以看出，極化所產生的阻流、氣泡、溫升、能耗等等都是對電池極為有害的，是阻礙電解反應的重要因素。此外，充電電流越大，則極化也就越快、越厲害，對電池也就越不利。由于極化現(xiàn)象的存在，使蓄電池固有的可接受充電電流的特征曲線具有以下局限性：

初始電流I0有一定的限制。初始電流I0維持時間很短，并以一定速率衰減。所以，要想提高充電電流的數值，必須設法消除極化現(xiàn)象。只有消除了極化現(xiàn)象，才可能大幅度的加大充電電流，縮短時間，達到快速充電的目的。另外，電池的容量受放電率、電池溫度的影響很大，根據試驗數據總結。在活性物質總量不變的條件下，電池容量隨放電電流的增大而降低。在-30。C至30。C范圍內，電池溫度每增減1攝氏度，容量近似增減百分之一。

1.4蓄電池的放電特性蓄電池在使用的過程中，無論是大電流的放電或小電流的放電都會對鉛酸蓄電池造成損害，大電流放電易造成正活性物質脫落，實際上就是PbSO4晶體從板上脫落下來。根據蓄電池當時狀況，適當降低蓄電池放電電流，可以有利于疏松的PbSO4晶體的生成，延長蓄電池的壽命。當蓄電池進行小電流放電時，容易造成蓄電池的放電終止電壓過高，此時暴露在電解液中的板柵覆蓋層的PbSO4鈍化層變成多孔的PbS04，電解液浸過這些孔使鉛板接觸而腐蝕，引起蓄電池壽命的下降。1.5蓄電池充電特性如果在充電過程當中，以不產生氣泡或微產生氣泡為前提，亦即盡量減少極化，可以寫出蓄電池的允許充電特性為：i=I0e-at（曲線如下圖I）式中：i——電池可接受的充電電流(不會產生氣泡)，即允許充電電流；I0——t=O時允許的最大充電電流，它由蓄電池的使用狀態(tài)決定；a——稱之為電池的充電電流接受比，又稱固有接受比，它等于a=I／C，這個數值越高，表示電池的接受能力越強，充電的時間也越短。圖中I線所示為蓄電池的允許充電特性曲線，只要充電電流不超過這條曲線，電池就不會產生氣泡，否則就會產生大量的氣泡，危及電池的安全。嚴格的按照指數型的固有充電特性充電，在技術上有一定的困難和不便，只要充電電流調整不及時，超出這條曲線所限定的數值，馬上就會導致電池產生的氣泡和溫度升高。固有充電特性是電池在充電過程中發(fā)生極化與否的分界線，充電電流的數值一旦超過它，極化就嚴重起來，馬上就引起電池產生氣泡和溫升。常規(guī)充電時，由于充電電流遠遠小于固有特性的數值，所以基本上不會產生極化，自然電池也不會產生氣泡和溫升，但是，充電時間卻拉的很長。所以目前所用到的充電方法都是取一個折中，電流既不能太大，不然就會損傷電池，也不能太小，否則耗時太長。1.6快速充電技術快速充電的特性曲線如上圖中II所示，它是通過改造蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線。盡可能地延長蓄電池可接受的大電流時間曲線來達到縮短總的充電時間的目的。II線超出了蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線，將會產生極化現(xiàn)象，對蓄電池造成損壞。為了使持續(xù)大電流能順利地進行充電，就必須對蓄電池充放電過程進行控制，在一定程度上消除大電流引起的極化現(xiàn)象。解決極化問題是大電流快速充電技術的關鍵，也是當前條件下電動汽車能否推廣的瓶頸問題。大電流充電與極化現(xiàn)象是一對矛盾，這對矛盾將存在于蓄電池充電的全過程。快速充電是通過盡可能地延長蓄電池的可接受初始電流的持續(xù)時間來實現(xiàn)的。在這段時間里，所要解決的問題是消除極化，而消除極化的主要手段是對蓄電池實施放電，放電量一般為窄而深的放電脈沖。充電全過程引進放電脈沖法：采用這種方法，是在充電全過程實施放電脈沖去極化。整個充電過程按照“充電——停充——放電——停充——充電"這一既定的程序周而復始。二模糊控制應用與快速充電模糊控制可以根據在充蓄電池的一項或某幾項特性來決定充電電流和電壓的大小，并且隨著蓄電池狀態(tài)的改變而實時的改變。相對于常規(guī)充電模式而言，常規(guī)的控制方法只是對某項指標的精確控制，但對于在充電過程中，由于蓄電池參數模型不斷變化，常規(guī)的控制方式就難以動態(tài)的根據蓄電池模型參數的變化調節(jié)給定信號的大小，從而無法實現(xiàn)沖電過程的最優(yōu)化；而模糊化充電模式在整個充電過程當中，根據蓄電池的充電狀態(tài)而動態(tài)的跟蹤蓄電池的可接受充電電流，使得實際充電電流始終保持在可接受充電電流附近，從而保證蓄電池幾乎在無析氣的狀態(tài)下充電，延長了蓄電池的使用壽命。

2.1充放電主電路

該電路為雙向SPWM逆變整流電路，其功率開關器件為絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)。該電路適用于單相電網，其BP端與BN端分別接蓄電池的正極和負極。電阻Rs為軟啟動電阻，以防止在合閘瞬間由于濾波電容的初始零電壓，由于電容上的電壓不能突變，在啟動的瞬間相當于短路，從而引起產生大的短路沖擊電流，在軟啟動完畢后(電容上的電壓達到額定值容許范圍內)，接觸器KM1閉合，短路Rs。采用SPWM技術的蓄電池充放電裝置，可以方便地實現(xiàn)并網充放電，尤其適用于家庭及小旅館場合。

2.2基于模糊控制的智能充放電過程智能充放電過程的作用是對給蓄電池進行充放電控制。它的功能是要求根據不同的電池，控制不同的充電狀態(tài)，自動檢測電池端電壓(端電流)的值經過處理后產生電壓(電流)偏差和變化率信息，再經過模糊處理，輸出電流控制信息，實時和精確地控制充電過程。根據蓄電池自身物理特性，準確檢測電池是否充滿，提示用戶，同時充電器自動進入浮充維護狀態(tài)。

整個充電系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成，主電路包括充電電源和負載即蓄電池組，控制部分包括信號采樣以及模糊控制環(huán)節(jié)、充電電流調節(jié)環(huán)和充電電壓調節(jié)環(huán)。

整個控制系統(tǒng)全部數字化，通過軟件來實現(xiàn)。圖中的開關K，是為了此處方便系統(tǒng)的描述而加入的，實際上并不存在，通過K的通斷來就可以實現(xiàn)兩種不同的充電模式，分別為：1)K閉合：大電流模糊充放電模式。此時的充電電流給定i由模糊推理環(huán)節(jié)決定，它隨著蓄電池的充電狀態(tài)變化而變化；2）K斷開：恒流充放電模式。此時的充電電流給定值i可以在充電開始時或充電過程中隨時給定，根據電池的溫度或電壓的某一項指標控制電流的通斷。

2.3鉛酸蓄電池SPWM雙向充放電過程

首先系統(tǒng)根據蓄電池的荷電狀態(tài)，判定蓄電池要進入的狀態(tài)是需要對蓄電池的電壓進行跟蹤控制(預充電階段和浮沖階段)還是要對電流進行控制(大電流快速充電階段)，參考側電壓Ud*與直流側輸出電壓Ud的差值經電壓調節(jié)器VR調節(jié)后，產生蓄電池充電電流給定信號id*與實際充電電流信號的差值經電流調節(jié)器IR調解后與電網同步電壓信號相乘，產生和電網具有相同相位的參考電流iac*，與交流電網側輸入電流實際電流iac作比較后的差值形成電流誤差信號，經過滯環(huán)比較器實現(xiàn)并網電流的跟蹤控制，當id*為正值時，電路處于整流狀態(tài)，電網向蓄電池供電；當id*為負正值時，電路處于逆變狀態(tài)，蓄電池向電網供電，同時消除和降低極