电动汽车动力电池充电系统控制部分设计论文.docx
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电动汽车动力电池充电系统控制部分设计论文
题目:
电动汽车动力电池充电系统控制部分设计
电动汽车动力电池充电系统控制部分设计
摘要
为了解决目前电动车配备的铅酸蓄电池使用寿命普遍短的问题,课题设计了一种针对电动汽车铅酸动力电池,完成大功率充电系统设计,实现对快速充电过程的控制。
在介绍了智能充电器的工作原理的基础上,设计以单片机NECuPD78F0881为核心,由控制电路、复位电路、蜂鸣报警器电路、CAN总线上位机通信电路、电压电流温度采集电路以及液晶显示插口设计电路构成硬件电路。
在软件设计方面利用“循环+中断”实现对硬件的精确控制,使硬件更加快速、可靠。
实验证明:
该设计充电过程平稳、快速,能够达到快速补充性充电的目的,对于蓄电池的快速充电和延长其寿命有很大意义。
关键词:
铅酸蓄电池;恒流慢脉冲;均衡充电;中断
ControlpartdesignofElectricvehiclepowerbatterychargingsystem
Abstract
Inordertosolvethepresentelectricvehicleequippedwithlead-acidbattery'slifeisgenerallyshort,topicdesignalead-acidbatteriesforelectricvehiclepower,tocompletehigh-powerchargingsystemdesignandtorealizethefastchargingprocesscontrol.Intheintroductionofintelligentchargerbasedontheworkingprinciple,designisbasedonSCMNECuPD78F0881asthecore,thecontrolcircuitandresetcircuit,beesalarmcircuit,CANbusPCcommunicationcircuit,voltagecurrenttemperatureacquisitioncircuitandliquidcrystaldisplayinterfacecircuitdesignconstitutethehardwarecircuit.Insoftwaredesign,using"circulation+interrupt"toachieveprecisecontrolofthehardware,makethehardwaremorerapid,reliable.Theexperimentshowsthatthedesignchargingprocessstable,fast,andcanachievethepurposeofcomplementaryfastcharging.Itisofgreatsignificanceforquickchargingandprolongtheservicelifeofthebattery.
Keywords:
Lead-acidbatteries;constantslowpulse;equalizingcharge;break
1绪论
1.1课题研究背景及意义
自21世纪以来,随着世界经济的飞速发展,人们的生活水平也逐渐提高,随之而来的环境和能源问题也日益严重,所以可持续发展成为了世界人关注的焦点。
随着新时代汽车工业的高速发展,我国的汽车数量也在逐渐增加。
在人们的日常生活,汽车虽然给交通带来了便利,但传统燃油汽车尾气的大量排放加剧了空气的污染;同时,不可再生燃油的大量消耗也使能源不断减少。
因此,汽车工业的发展方向需要转变到以开发出新的环保和节能路径为主,以符合可持续发展的要求,而电动汽车则恰好符合这一要求。
电动汽车与燃油汽车最大的不同,就是不存在燃油和汽车尾气排放的问题,所以针对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点。
我国的电动汽车研究与开发始于上世纪九十年代,目前,我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员,并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题,这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。
目前,国内外电动汽车主要有三类,一是以蓄电池为车载能源的纯电动汽车,二是燃油发动机与蓄电池并存的混合动力电动汽车,三是燃料电池电动汽车。
同燃油汽车相比,电动汽车优点更加突出:
第一,电动汽车是以动力蓄电池作为汽车的动力,因此能够保证能量的供给比较充足;第二,电动汽车以电能作为动力,可以保证能源利用具有较高的效率;第三,以电能作为动力,能够改善传统汽车的尾气污染排放问题。
当然,电动汽车的发展也存在许多需要解决和完善的问题,包括动力电池及其高效的充电方法的研究。
周所周知,动力电池是电动汽车的核心,但是目前许多动力蓄电池存在比能量低下、蓄电池一次充电速度较慢、电动汽车续驶里程较短等问题。
同时,动力电池的高效充电方法问题,也一直困扰着电动汽车的普及与应用[1]。
在汽车工业迅猛增长、政策对再生能源产业的大力扶持、工业电子技术不断进步诸因素的带动下,我国铅蓄电池工业与国际先进水平的差距将逐渐缩小,未来将呈现高速增长的势头。
而且随着我国铅蓄电池技术进步的加快,传统的铅蓄电池通过改造和改进,正朝着密封免维护等新型蓄电池方面发展。
同时,凭借廉价优势,我国铅蓄电池出口也呈现快速增长的势头。
因为我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池,这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。
当然,也有一些高性能电池,比如锂电池、燃料电池等。
虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步,但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢,传统的常规充电时间过长,快速充电技术至今仍未能完全解决,严重地制约着电动车的发展。
面对上述情况,对电动汽车蓄电池的充电问题进行研究,开发合理的充电系统,将具有重要的意义和应用价值。
1.2国内外研究现状
铅酸蓄电池是1859年法国人普兰特发明的,是一种可循环再充电的化学电源,是目前世界上所有二次电池中使用最广泛、技术最成熟的电池,约占电池总用量的90%。
因其成本价格低廉、具有良好的可逆性、容量大、使用安全及无污染等优点,具有广阔的发展前景。
根据美国的统计数据,铅酸蓄电池行业产生的铅污染已远远小于航空工业、炼钢和锅炉加热、发电等行业。
从而美国、日本、德国等发达国家也对电动汽车技术高度重视,从汽车技术变革和产业升级的战略出发,积极促进本国电动汽车产业发展,以期提升本国汽车工业国际竞争力,铅酸蓄电池也成了发展的热门方向。
国外对动力电池的充电技术研究由来已久,近年来取得了较好的科研成果。
国外许多
公司利用计算机控制、人工智能等先进技术,使得传统功能简单的充电器发展成功能齐全、易于控制的智能型充电设备,这种先进的智能充电设备能够实现对电压、电流、电池温度等参数的监测和显示;能够实现充电策略的定制,而且可以根据所用电池种类以及荷电状态的不同来选择和设定充电方式;同时,它具有更好的安全性,设有充电保护电路并具有安全报警的功能等。
近年来,随着我国汽车、交通、电信等基础产业的快速发展,我国铅蓄电池工业也进入高速增长期。
据不完全统计,我国铅蓄电池制造企业已达到1500家左右,产量约占世界产量的1/3,并以年均约20%的速度高速增长。
随着我国铅蓄电池技术进步的加快,传统的铅蓄电池通过改造和改进,正朝着密封免维护等新型蓄电池方面发展。
自铅酸蓄电池问世以来,由于各种技术条件的限制,所采用的充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律,使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象,充电效率低。
电动车用动力蓄电池与一般蓄电池还有所不同,它以较长时间中等电流持续放电为主,间或以大电流放电,用于起动、加速或爬坡。
一般来说,电动车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。
因此,对电动车用动力蓄电池的快速充电提出了不同于常规电池的要求,它必须具有充电时间短、对蓄电池使用寿命影响小以及充满电判断准确的特点。
1.3课题研究的主要内容
设计的主要内容是:
针对电动汽车铅酸动力电池,完成大功率充电系统设计,实现充电控制。
要求:
实现变电流充电控制;实现充电电源各继电器闭合顺序控制、启动停机控制、输出设定、检测信号AD采集;液晶显示电压、电流、温度。
通过大量的查阅资料与研究,首先介绍了国内外关于电动汽车动力电池充电技术的研究现状,论述了电动汽车常用动力蓄电池的基本状况,介绍了铅酸蓄电池的一般结构、工作原理、充电特性、充电模式及控制方法,分析了常规充电法和快速充电法的优缺点,以及各个模式的过程分析。
同时对铅酸蓄电池的快速充电的控制技术进行了一定的研究,为了提高充电效率和延长蓄电池的寿命,提出了一种新型的智能化充电技术,以单片机为核心控制部件,通过外围检测电路实时检测充电蓄电池的电压、电流、温度状态,把采集到的信号传送给单片机,由单片机来确定一种蓄电池能接受的充电模式,采用常规充电和快速充电相结合的充电方法,尽可能的缩短蓄电池充电时间,防止温升过高引起的蓄电池极化现象,提高充电效率,从而有效地延长蓄电池的循环寿命。
并且,重点对控制电路进行了设计。
最终选用针对汽车车身控制系统和汽车仪表应用而开发的8位闪存(Flash)的单片机NECuPD78F0881,设计了充电系统的充电控制回路,并对其电路构成、工作原理和工作流程做了详细的阐述。
充电系统的研究,以安全性为前提,实现较高的充电效率,延长蓄电池组的循环使用寿命,实现了蓄电池充电的快速性和智能性,具有良好的可靠性。
2铅酸蓄电池特性分析
2.1铅酸蓄电池的基本结构
铅酸蓄电池的基本结构[2]如图2.1所示:
图2.1铅酸蓄电池基本结构
图2.1中1-电池槽2-负极板3-正极板4-隔板5-鞍子6-汇流排
7-封口胶9-槽盖9-连接条10-极柱11-排气栓
a.极板极板是蓄电池的核心部分,极板分正极板和负极板,由栅架和活性物质组成。
铅酸蓄电池的正极板一般采用铅钙镉合金、低锑合金材料制成,负极板一般采用铅钙合金制成。
铅酸蓄电池的充放电过程就是靠正、负极板上的活性物质和电解液之间的电化学反应来实现的。
正极板为二氧化铅(PbO2),呈棕红色;负极板为海绵状纯铅(Pb),呈青灰色。
b.隔板为了增大铅酸蓄电池的容量,蓄电池的正、负极均采用多片极板组成为极板组放在电池槽内。
隔板插放在正、负极板之间,防止正、负极板互相接触造成短路。
隔板耐酸、具有多孔性,以利于电解液的渗透。
常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。
微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低,因此被广泛采用。
c.电池槽(壳体)壳体用于盛放电解液和极板组,应该耐酸、耐热、耐震。
壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成,为整体式结构,底部有凸起的肋条以搁置极板组。
壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格,各单格之间用铅质联条串联起来。
d.电解液电解液在蓄电池的化学反应中,起到离子间导电的作用,并参与蓄电池的化学反应。
电解液由纯硫酸(H2SO4)与蒸馏水按一定比例配制而成,其密度一般为1.24~1.31g/cm3。
电解液的纯度对蓄电池的电气性能和使用寿命有重要影响,一般工业用硫酸和
普通水中,含有铁、铜等有害杂质,绝对不能加入到蓄电池中,否则自行放电,损坏极板。
2.2铅酸蓄电池的充放电原理
2.2.1铅蓄电池的放电
当铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中时,在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势,此时若接入负载,在电动势的作用下,电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极,这一过程称为放电,蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。
放电时,正极板上的PbO2和负极板上的Pb,都与电解液中的H2SO4反应生成硫酸铅(PbSO4),沉附在正、负极板上。
电解液中H2SO4不断减少,密度下降。
理论上,放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止,但由于生成的PbSO4沉附于极板表面,阻碍电解液向活性物质内层渗透,使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应,因此在使用中被称为放完电蓄电池的活性物质利用率只有20%~30%。
因此,采用薄型极板,增加极板的多孔性,可以提高活性物质的利用率,增大蓄电池的容量。
2.2.2铅蓄电池的充电
充电时,蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连,当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时,在电场的作用下,电流从蓄电池的正极流入,负极流出,这一过程称为充电。
蓄电池充电过程是电能转换为化学能的过程。
充电时,正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb,电解液中的H2SO4增多,密度上升。
当充电接近终了时,PbSO4已基本还原成PbO2和Pb,这时,过剩的充电电流将电解水,使正极板附近产生O2从电解液中逸出,负极板附近产生H2从电解液中逸出,电解液液面高度降低。
因此,铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。
铅酸蓄电池的正常充放电化学方程式如式(2.1)所示,这是理想化的原理方程式。
(2.1)
2.3蓄电池容量
蓄电池容量指在一定的放电条件下,可以从电池中获得的电量,用W•h或A•h表示。
W•h容量表示电池做功的能力,A•h容量指电池输出的电量。
显然,铅酸蓄电池的容量愈大,该电池能输出的电量就愈多,做功的能力就愈强。
电池的容量可以分为三种:
一种是理论容量,它是依据活性物质的量按法拉第定律计算求得的;理论容量是假设极板上的活性物质全部用于放电时的电量,这实际上是不可能的;第二种容量是实际容量,由于不可能全部的活性物质都参加反应,所以在一定条件下实际放出的电量,总是低于理论容量。
第三种容量是在设计电池时,在规定放电条件下应该放出的最低限度的电量。
实际容量与理论容量之比叫做活性物质的利用率。
但在实际使用过程中,铅酸蓄电池的实际容量总是小于其理论容量。
因为当铅酸蓄电池内部的活性物质数量一定时,蓄电池的实际容量就由其内部的活性物质利用率来决定,由于铅酸蓄电池的内部原因,活性物质不可能全部利用,所以应用中蓄电池的实际容量总是低于理论容量的。
在经过多次的充、放电循环后,铅酸蓄电池的实际容量就会不断的下降,一般情况下,将使铅酸蓄电池的实际容量下降到额定容量的70%时的充、放电次数,就称为蓄电池的使用寿命[2]。
2.4铅酸蓄电池的充放电特性
2.4.1铅酸电池的充电特性
电池在充电过程中其充电可接受电流如图2.2所示,具有指数规律下降的可接受电流特性。
当充电电流大于充电可接受电流时,即处在1区域时则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水,使电池电解液产生析气反应;当充电电流在可接受电流曲线以下时,即处在2区域时,不产生析气,此时充入的电量几乎都转变为电池的化学能量。
在1区域时,充电电流越大,电解水反应就越剧烈,并使电池内部的压力增大、温升加速,使得电池的充电效率下降,且很容易损害电池影响电池的使用寿命。
通过试验证明,铅酸电池也具有按指数规律下降的可接受电流特性。
充电过程中,如果能使实际的充电电流始终靠近可接受充电电流曲线,就可使充电所需的时间缩短。
固有充电特性曲线是蓄电池在充电过程中是否发生极化的分界线,充电电流的值一旦超过它,极化现象就会严重起来,就会使蓄电池产生析气和升温现象。
常规充电时由于充电电流很小,所以基本上不会产生极化,也就不会产生析气和温升现象,它的缺点是充电时间过长。
如果严格按照固有特性曲线充电,就可以在不产生析气和温升的情况下大大缩短充电时间。
所以,在对电动汽车电池进行智能充电时,以“蓄电池充电可接受电流定律”为理论依据,保证实际充电曲线近似逼近铅酸电池的固有充电特性曲线[3]。
图2.2铅酸电池理想充电曲线
2.4.2铅酸电池的放电特性
放电时,若一开始就采用大电流对蓄电池放电,则在放电开始后不久,电压就会有明显的下降,蓄电池放电曲线的平缓部分就变得很短,其斜率就会比较大。
如图2.3所示。
这是由于在蓄电池放电过程中电解液的硫酸浓度已经很低,电解液扩散到极板的速度不及放电的速度,在电解质不足的情况下,极板的电动势急剧降低,造成电池端电压的下降,至此应停止放电,否则会造成电池的过度放电。
过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面,造成电池阴极“硫酸盐化”,由于硫酸铅是一种绝缘体,它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响,因此在阴极上形成的硫酸盐越多,蓄电池的内阻也越大,电池的充、放电性能就越差,从而使蓄电池的寿命缩短。
图2.3铅酸电池的放电特性曲线
2.5主要影响电池快速充电的因素
电池端电压反映了电池电极的偏振度,而且端电压在充电和放电过程会增加。
有几个因素会影响电池的充电特性,它们如下:
2.5.1电池的欧姆极化
在充电过程中,离子迁移不可避免地遇到一定的阻力,外加电压就必须额外的施加一定的电压以克服这种阻力,这种现象就称为欧姆极化。
因为端电压增加,产生热量,这时充电电流平方成正比的也增加。
很明显,充电电流越大,电池温度上升的越快,析出的气体越多,结果,电池的容量和循环寿命降低了。
2.5.2电池浓度极化
在电池充电期间,电化学反应主要发生电池电极和电池的电解液的接口。
在外电场作用下,正电极的氢离子移动到负电极,与此同时负电极的硫酸根负离子移动到正电极,因为移动速度比电化学反应慢,电极周围的电解质密度发生在差异,这种现象称为浓度极化。
充电电流越大,电化学反应越快,密度差异越大,因此充电电流的效率降低。
2.5.3电池的极化
充电过程中,正电极的活性物质与电解液反应,阳极的金属铅失电子并成为铅粒子,阴极的铅离子得到两个电子变成金属铅。
由于化学反应速度比电子的运动慢得多,阳极的电子在逐渐减少,而在负极逐渐增加,结果,发生电池极化,充电电流封锁。
极化问题是阻碍充电的重要因素,会导致铅酸蓄电池在充电时初始电流受到一定的限制,同时初始电流的维持时间会变短并会出现一定速率的衰减。
如果浓差极化和电化学极化不消除,当充电达到一定程度时,蓄电池的端电压就会迅速增长,这样即使坚持充电也只会产生析气和发热,而实际充进蓄电池的电量却寥寥无几。
2.6充电方法
蓄电池充电方法可以分为常规的充电方法和快速充电方法。
常规的蓄电池充电方法主要有恒流充电、恒压充电、分阶段充电三种,许多其他的方法都是在这三种基本方法的基础上衍生而来。
而快速充电方法目前常用的主要有脉冲充电、变电流间歇充电、变电压间歇充电方法等。
2.6.1恒流充电法
恒流充电法指采用恒定的充电电流对蓄电池进行充电的充电方法[4],该充电电流在充电过程中不随时间变化,保持恒定。
恒流充电曲线如图2.4所示。
图2.4恒流充电曲线
恒流充电法方法操作简单,易于实现,不管是从直流发电机还是硅整流装置中,都可以得到实现。
通过蓄电池的充电电流I决定于蓄电池的电动势E、内阻r和充电电路输出电压U之间的关系,如式(2.2)
(2.2)
但是恒流充电法在应用的过程中也显示出其不足之处。
随着蓄电池充电的进行,根据蓄电池的充放电特性,蓄电池的电动势E是上升的,如果充电电路的输出电压不变,则充电电流将会下降。
但如果要保持充电电流恒定不变,要么在充电过程中提高充电电路的输出电压,要么减小与蓄电池串联的电阻阻值。
并且在充电过程中,恒流充电电流的大小也是需要考虑的问题。
若充电电流选小了,会使蓄电池的充电时间延长;充电电流若选大了,根据图2-2铅酸蓄电池的最佳充电接受曲线可知,蓄电池可接受的充电电流是随着充电的进行而逐渐降低,若一直采用恒定的大电流充电,这样在蓄电池充电的末期充入的电量大多就会用于电解水,产生气体。
由此可见,恒流充电法是很难适应蓄电池常规充电的全过程的。
2.6.2恒压充电法
恒压充电法是指蓄电池充电电路的输出电压在整个充电过程中都保持一定数值不变的充电方法。
这种充电方法最初是针对单体电池进行的,后来扩展到电池组。
对于完全放电的蓄电池,在恒压充电初期,蓄电池的充电电流会很大,远远超过正常恒流充电电流值。
在充电过程中,随着蓄电池电动势的上升,充电电流会自动慢慢减小。
因此,在采用恒压充电时,充电过程中就不用再采取调整充电电流的措施。
相对于恒流充电法,恒压充电法在充电过程中产生的气体就会少,能量的耗费会比恒流充电法低。
恒压充电曲线如图2.5所示。
图2.5恒压充电曲线
比较图2.4和图2.5还可以看出,和恒流充电法的充电电流比较,恒压充电法的充电电流曲线更接近于蓄电池的最佳接受充电电流曲线,并且在蓄电池充电过程中电解的水量少,可以有效避免蓄电池过充现象。
如果充电电压选择适当,就可以在短时间内完成对蓄电池的充电。
但是和恒流充电法一样,恒压充电法也有其自身的缺陷。
由于铅酸蓄电池的内阻很小,在恒压充电过程中,充电电路输出电压的微小波动,就会引起蓄电池充电电流的很大波动,瞬间的大电流不仅会对蓄电池的寿命造成很大的影响,而且还会使蓄电池的内部极板变形。
因此,恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。
例如,汽车等车辆上的发电机对蓄电池的充电就是一种采用了恒压和限流措施的恒压充电。
2.6.3分阶段充电方法
常用的分阶段充电方法有二阶段充电法和三阶段充电法。
二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法,如图2.6所示。
首先,以恒电流充电至预定的电压值,然后,改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电,中间用恒电压充电,如图2.7所示。
当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。
这种方法可以将出气量减到最少,但作为一种快速充电方法使用,受到一定的限制。
图2.6二阶段法曲线图2.7三阶段法曲线
2.6.4脉冲充电法
脉冲充电法是一种新型的充电模式,也是目前应用最广泛的快速充电技术。
是指在充电过程中,采用脉冲电流对蓄电池进行充电,中间会有短暂的停充,可以有效地去除极化现象。
如图2.8所示。
由图2.8可以看出,在充电过程中有短暂的间隙脉冲放电,这样既可以保证不产生大量的气体,又不会使蓄电池内部电解液的温升过高,保证蓄电池按照可接受的充电接受率进行充电,大大缩短了充电时间。
脉冲充电技术不仅可以按照铅酸蓄电池固有的充电接受率对蓄电池进行充电,而且还能在原有的充电接受率基础上提高蓄电池充电接受率,从而提高了蓄电池的充电效率。
图2.8脉冲充电曲线
2.6.5变电流间歇充电法
变电流间歇充电法是在恒流充电和脉冲充电基础上建立起来的,也是恒流充电和脉冲充电的结合。
充电曲线如图2.9所示。
在对铅酸蓄电池进行充电的初期,若采用变电流间歇充电,可以实现用大电流对铅酸蓄电池进行充电,这样使蓄电池可以在较短的时间内充入较多的电量。
对铅酸蓄电池充电的后期,若采用一定的电压值对铅酸蓄电池进行充电,可以将蓄电池的电量恢复至放电前的满充状态。
在充电过程中通过间歇的停充,可以使蓄电池内部的活性物质重新进行化学反应,使极化现象得以消除,并能使蓄电池内部的温度降下来,使充电过程更顺利的进行,从而可以有效提高蓄电池的充电效率。
图2.9变电流间歇充电法曲线
2.6.6变电压间歇充电方法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法,如图2.10。
与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流,而是间歇恒压。
这种方法更加符合最佳充电的充电曲线。
在每个恒电压充电阶段,由于是恒压充电,充电电流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。
图2.10变电压间歇充电法曲线
2.7控制方
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