文档介绍：电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计
摘要:对快速充电原理进行了阐述,针对蓄电池充电过程中出现的种种问题,采用了分级定电流的脉冲快速充电方案,提出了充电器的硬件电路和控制软件的设计方案。该充电方案对充分发挥蓄电池的功效,提
高对蓄电池的充电速度,减少充电损耗,延长蓄电池的使用寿命具有重要意义。
关键词:电动车;铅酸蓄电池;脉冲快速充电
引言
以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程,它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。目前,电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟,而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求,有一些理论和技术问题还有待攻关,现已成为影响
电动交通工具发展的瓶颈。
目前,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。锂离子电池电动车在深圳已投入试运营,由上海研制的第二代燃料电池轿车"超越二号"也于2004年5月在北京的国际氢能大会上露面,但都还未能得到广泛的推广应用。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。
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脉冲快速充电法的理论基础
理论和实践证明,蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同,即使
是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。
1972年,美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律,即
1)对于任何给定的放电电流,蓄电池充电时的电流接受比a
与电池放出的容量的平方根成反比,即
式中:K1为放电电流常数,视放电电流的大小而定;
C为蓄电池放出的容量。
由于蓄电池的初始接受电流Io=aC,所以
I0=aC=K1(根号C)
a=K2logkId(2)(3)2)对于任何给定的放电量,蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比,即
式中:K2为放电量常数,视放电量的多少而定;
k为计算常数。
3)蓄电池在以不同的放电率放电后,其最终的允许充电电流It(接受能力)是各个放电率下的允许充电
电流的总和,即:
It=I1+I2+I3+I4+...(4)
式中:I1、I2、I3、I4...为各个放电率下的允许充电电流。
综合马斯三定律,可以推出,蓄电池的总电流接受比可表示为
α=It/Ct(5)
式中:Ct=C1+C2+C3+C4+...为各次放电量的总和,即蓄电池放出的全部电量。
马斯三定律说明,在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电,以消除电池的极化现象,可以提高蓄电池的充电接受能力,如图1所示。也就是说通过反向大电流放电,可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移,同时其陡度不断增大,即α值增大,从
而大大提高充电速度,缩短充电时间。
马斯三定律的提出至今已有30多年,目前为止这一理论虽未得到有效的验证,但在理论上和实践上都证明
了它的可行性,脉冲快速充电法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式。
2充电方法设计
基于上述理论,并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性,本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电4个阶段,如图2所示。根据蓄电池充电前的
残余电量,进入不同的充电阶段。
对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时,一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电,使电池电压上升,当电池电压上
升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。