电动汽车的充电系统设计.doc

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1、 电动汽车的充电系统设计Electric vehicle charging system design 目 录前 言4PREFACE5第1章 绪 论61.1 课题提出61.2 电动汽车充电系统研究现状61.3 常用蓄电池种类71.4 电动汽车充电模式及充电方法简介91.4.1 常用蓄电池的充电模式91.4.2 常用蓄电池的充电方法介绍101.5 充电结束控制方法的确定161.6 极化现象181.6.1 极化现象产生的原因和种类181.6.2 去极化现象应遵循的准则20第2章 电动汽车充电系统控制方法综述212.1 开关电源控制方式简介212.2 充电系统的结构设计21第3章 电动汽车充电系统硬

2、件设计233.1充电电源主回路设计和实现233.1.1 常用DC/DC拓扑结构的介绍233.1.2 DC/DC变换器结构分析与选择273.1.3 软开关技术概述及应用273.1.4 DC/DC全桥移相变换电路设计293.1.5 全桥移相ZVS变换器存在的问题及其改进313.1.6 带辅助网络全桥移相零电压软开关拓扑工作原理333.1.7 DC/DC变换器中功率开关元件选择353.2IGBT驱动电路的设计353.3 整流电路的设计383.4 能量回馈电路的设计383.5DSP控制器393.6PWM脉冲生成系统设计403.7信号检测单元的设计413.7.1 DSP控制器的模数转换模块413.7.2

3、 电压采集电路的设计423.7.3 电流采集电路的设计433.7.4 温度参数采集433.8功率驱动保护单元的设计443.9辅助电源的设计45第4章 充电控制系统的软件设计464.1 软件设计思想464.2 充电系统的主程序设计464.3 实时时钟中断服务程序设计484.4 基于PID的充电控制算法49参考文献52前 言绿色革命的一个重要体现是绿色交通，作为新型交通工具的电动汽车的研究越来越受到重视，其市场需求量也呈现出愈来愈大的趋势。然而，电源充电问题却成为了其发展的瓶颈，为了能够更充分发挥其无污染，轻便，节能的优势，对电源的要求也变得更加严格，比如要体积小，重量轻，充电快等，同时也要保持电

4、源能有足够长的寿命。电源的充电问题归根到底是电源的充电技术问题，本文立足于当今电动汽车的充电技术，分别总结了市面上流行的大多数充电方式，并在此基础上选用了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智能充电方案加以详细论述。本文所研究的充电系统主要有充电主回路和充电控制回路组成，主要模块包括：三相输入整流滤波模块、脉宽调制功率变换模块（DC/DC变换器）、电池能量回馈模块、IGBT驱动保护模块、电压电流和温度检测模块以及辅助电源的设计。整个系统由DSP控制，协调实现对电池的智能快速充电。关键字：多段横流与脉冲间歇充电 DC/DC变换器 IGBT驱动保护 辅助电源 DSPPREFACEThe green

5、revolution is one of the important embodiment of green transportation, the research of new vehicles of the electric car has gained more and more attention to the market demand，and it is also showing more and more big trend. However, the power supply recharging problems became the bottleneck of its d

6、evelopment, in order to give full play to its more pollution, deft, energy saving and the advantages of the power supply requirements to also become more strictly, for example ，small volume, light weight, charging fast, etc, also want to keep power can have enough long life. The most important probl

7、em of power charging is the charging technology in the final, based on the current electric vehicle charging technique are summarized in the fashion most charging mode, and the selection of a cross flow and intermittent charging combines fast intelligent charging scheme is discussed in this paper. T

8、his paper studies the charging system are main charging circuit and charging control circuit, the main modules include: three-phase input rectifier filter module, pulse width modulation converter modules ( DC / DC converter), battery energy feedback module, IGBT drive protection module, voltage and

9、current and temperature detection module and the design of the auxiliary power supply. The system is under the control of DSP, achieving the intelligent fast charging.Keywords: Multi section cross flow and intermittent charging DC / DC converter IGBT drive protection auxiliary power supply DSP第1章 绪

10、论1.1 课题提出我国石油资源十分短缺，人均占有的探明可采储量仅相当于世界平均水平的77；同时，我国资源消耗过多，2004年，我国GDP产出消耗的能源量是世界平均水平的336倍，是美国的4倍多，是日、英、德、法等国的近8倍，2005年，我国石油净进口136亿吨，占石油全部消费量的429。在国际石油价格持续高涨的今天，传统的交通工具汽车面临越来越大的使用压力，而以电动汽车为代表的代用燃料汽车是人类解决这一危机的主要途径。在此形势下，世界各国的汽车制造商都投入了大量资金开发电动汽车。进入二十世纪九十年代以来，国际电动汽车的开发已逐步进入产业化初期阶段。电动汽车具有低噪声、零排放、无污染、综合利用能

11、源的优点，是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径，有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。如今限制电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池能源问题，而改进电池特性是一个漫长的过程，那么在车载电池能量不足时，需要用充电设备及时的对电池进行充电。本文就是基于这样一个背景，以快速智能充电系统为研究对象，对控制方法进行了研究，并对系统进行了设计。本文分析并选择了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智能充电方案，主要研究了系统主回路中DC/DC变换器的拓扑结构，及相应的驱动电路设计等。1.2 电动汽车充电系统研究现状电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发,其中能源供给系统是指充电基础

12、设施,供电、充电和电池系统及能源供给模式。电动汽车充电技术作为一个新的科技领域, 世界各国都置身于充电技术的研究,并拟制作充电技术标准,为未来企业发展占据先机。随着电动汽车技术的发展，在电池能量有限的情况下，研制一种能快速为电池补充能量的充电设备，是延长行驶里程的最好方法。目前，国内外充电设备大体可以分为接触式和感应式两类。接触式充电器是通过金属连接器将电动汽车与充电器和公共电网连接，已达到传递能量的目的。这种能量传递方式结构简单，能量传递效率高而且造价低，目前美国的福特以及日本的丰田和本田等汽车公司开发的充电器均采用的是这种方式。但这种方式的缺点在于它的安全性和通用性。感应式充电是近年来兴起

13、的一种利用高频变压器将公用电网与电动汽车香格里的充电方法。由于感应式充电器与电动汽车之间没有任何金属接触，使得电动汽车的通用性好，而且更为安全可靠。目前美国的通用汽车和日本的日产七尺所研制的充电器都是这种形式，它的缺点是体积庞大。根据充电器是否安装在电动汽车上，又可以分为车载充电器和非车载充电器两种。本文研究的主要是车载充电器，它的特点是充电方式比较简单，但充电时间较长。由于车上空间的限制，也为了减小电动汽车的自重，提高行驶里程，要求车载充电器尽量做到体积小、重量轻。目前我国的大功率充电器大多仍然采用传统的模拟控制方式，人机交互以及维护性差。控制电路的主体很多仍然是模拟电路，外围期间较多，电路

14、复杂，可靠性不高。因而，充电器作为电动汽车重要的辅助设备，对它的研究还是有很大的发展空间。目前，电动汽车充电器的改进方向主要是小型化、快速化和智能化。1）小型化：充分利用数字化技术，选用新型功率器件，通过提高频率的方法，减小电感、电容器件的体积，使系统整体体积减小。2）快速化：根据电池特性，选择电池最优充电曲线充电，加快充电速度，减少充电等待时间。3）智能化：主要表现在系统具有人机交互功能，可以按照用户设定的充电曲线为电池充电，也可以根据电池种类自动选择优化充电曲线；当充电设备出现故障时，具有系统故障报警和保护功能。1.3 常用蓄电池种类随着电子技术的飞速发展，蓄电池已经日益广泛魄运用在交通运

15、输、电力、 通信等部门的设备中，它已经成为最重要的关键系统部件之一。它的安全可靠运 行直接关系到整套设备的可靠运行。蓄电池的充放电过程以及蓄电池系统的可持 续放电时间也会影响整个系统的可靠性。蓄电池按电解质性质不同又分为酸性电池和碱性电池。酸性电池主要指铅酸电池，即采用酸性电解液的电池，碱性电池则指碱性电解液如KOH，NaOH等的 电池，如铁镍电池、镍镉电池、金属氢化物电池、锌镍和锂屯池等。下面主要对铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池做一简单对比介绍。（1）、铅酸电池 铅酸电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅

16、和铅，电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类，即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源，正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种：水平铅酸电池、双极密封铅酸电池、卷式电

17、极铅酸电池等。 铅酸电池是目前电动汽车领域中应用最广泛的电池之一，也是最成熟的蓄电池。它最大的特点是寿命长，成本低，是所有电池中最耐用的。现在广泛使用的阀控铅酸蓄电池（VRLA），安全性能好，使用可靠，这些优点使得它在将来的一段时间内，仍将是电动汽车能源的主力。但这种电池的缺点也很明显，电池比能量小，一次充电行程短，充电所需时间长，因此在提供相同能量的情况下，所需电池的体积、质量较大。另外，随着人们对环保要求的深入，含铅的重金属必将被淘汰。所以，尽管铅酸蓄电池有许多优点，但终将推出历史舞台，因而寻找更加清洁的电池能源是十分必要的。（2）、镍金属电池（镍镉电池，镍氢电池）目前在电动汽车上使用的镍

18、金属电池主要有镉镍电池和氢镍电池两种。镉镍电池和铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循环寿命2000次，而且可以快速充电，虽说其价格为铅酸蓄电池的45倍，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。但由于其含有重金属镉，在使用中不注意回收的话，就会形成环境污染，目前许多发达国家都已限制发展和使用镉镍电池。氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且其在工作过程中不会出现电解液增减现象，电池可以实现密封设计。镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都比镉镍电池有所提高，使用氢镍电池的电动

19、汽车一次充电后的续驶里程曾经达到过600公里，目前在欧美已实现了批量生产和使用。氢镍电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的，它已被列为近期和中期电动汽车用首选动力电池，但其还存在价格太高，均匀性较差（特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大），自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，且其工作的电压低，应用在较高电压情况下，需要串联很多电池。(3)、锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，能够比氢镍电池存储更多的能量，比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研

20、究。锂离子蓄电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。锂离子蓄电池的电极为锂金属氧化物和储锂碳材料，根据电解质的不同，锂离子蓄电池一般可分为锂离子电池和锂聚合物电池两种。但是锂离子电池的安全性能不好，而且对充电设备要求较高，一旦过充，就可能会造成电池的永久性损坏，故这一致命缺陷限制了它的使用范围。1.4 电动汽车充电模式及充电方法简介1.4.1 常用蓄电池的充电模式根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性,电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方

21、案的选择,现今普遍存在常规充电、快速充电和电池组快速更换系统三种模式。（1）、常规充电1)概念:蓄电池在放电终止后,应立即充电(在特殊情况下也不应超过24h),充电电流相当低,大小约为15A,这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电,一般充电时间为5-8小时,甚至长达10至20多个小时。2 )优缺点:因为所用功率和电流的额定值并不关键,因此充电器和安装成本比较低;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本;可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长,有紧急运行需求时难以满足。（2）、快速充电1)概念：常规蓄电池的充电方法

22、一般时间较长,给实际使用带来许多不便。快速充电电池的出现,为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内,为其提供短时充电服务,一般充电电流为150400A。2)优缺点：充电时间短;充电电池寿命长(可充电2000次以上);没有记忆性,可以大容量充电及放电,在几分钟内就可充70% 80%的电;由于充电在短时间内(约为10-15分钟)就能使电池储电量达到80% - 90%,与加油时间相仿,因此,建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是,相对常规充电模式,快速充电也存在一定的缺点:充电器充电效率较低,且相应的工作和安装成本较高;由于采

23、用快速充电,充电电流大,这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求。（3）、机械充电（电池更换）1)概念：即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于电池组重量较大,更换电池的专业化要求较强,需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。2)优缺点：电动汽车用户可租用充满电的蓄电池,更换已经耗尽的蓄电池,有利于提高车辆使用效率,也提高了用户使用的方便性和快捷性;对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电,降低了充电成本,提高了车辆运行经济性;解决了充电时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程长及价格等难题;可以及时发现电池组中单电池的问题,进

24、行维修工作,对于电池的维护工作将具有积极意义,电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。1.4.2 常用蓄电池的充电方法介绍蓄电池投入使用后，必须定期地进行充电和放电。充电的目的是使蓄电池贮存电能及时地恢复容量，以满足用电设备的需要。放电的目的是及时地检验蓄电池容量参数，及促进电极活性物质的活化反应。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学合理的充电方法将会大大提高蓄电池的维护效果。常用的蓄电池充电方法从大的方向分有：常规充电方法和快速充电法。（1）、常规充电法常规充电法主要有以下几种：1)恒压充电 使用恒压源直接为电池充电，它

25、是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。电池端电压和电流的关系如图1-1所示。开始时，给定一个期望电压值，系统开始充电，充电电流随充电的进行不断减小；当充电电流小于一定值后，充电过程结束。恒压充电方式：图1-1 恒压充电方式曲线这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。2)恒流充电 使用恒定的电流源为电池充电，充电速率相对来讲都比较低。根据充电速率的大小，又可分为以下几种情况：浮充充电，又称涓流充电。标准充电：一般充电速率在0.1C左

26、右，充电时间大约在14H左右。 快速充电：一般充电速率在0.3C以上，充电时间大约在3h左右。控制过程如图1-2所示。开始时，充电器以恒定较大电流为电池充电，电池将要充满时，改用恒定的小电流为电池充电，进入浮充阶段，俯冲的作用是为了补偿电池自放电的影响。图1-2 横流充电方式曲线以上的快速充电与标准充电是相对而言的概念，并没有严格的划分。人们有时还根据速率的大小，将快速充电又划分出一般快速充电(3H到5H)和高速充电(小于3H)等。在恒流充电方式中，高速充电几乎是不可能的，一般的恒流充电也只适合于0.3C以下的充电速率。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

27、段充电法 即先恒流后恒压充电法，这种充电方法是上述两者的简单结合。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。如图1-3所示：图1-3 二阶段法充电曲线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1-4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1-4 三阶段法充电曲线以上三种方法采用的都是充电电流连续的充电方式，它们的共同问题在于，连续的充电电流会引发蓄电池的副反应，导致极化现象的发生，不仅影响电池寿命，而且限制了充

28、电电流的增加，这正是限制充电速度的根本原因。那么，在在充电过程中，如果能够避免激化现象，使实际的充电电流始终等于或接近蓄电池可接受的最大电流，充电速度就可以大大加快，而且析气率也可以控制在很低的范围内。下面的充电方法采用断续的电流为电流充电，就是为了解决极化问题，提高充电速度，研究表明这样的充电策略能够得到更好的充电效果。（2）、快速充电法为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状 态的时问，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。电池充电的过程实质是其内部化学反应的过程。提高化学反应速度有两种方式，一是改进电

29、池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进充电方法，本文以后者作为论述对象。不同种类的电池，具有不同的充放电曲线，与之相应的充电方法也有很大的不同，在研究具体的充电方法时要考虑到这一点以选择合适的充电方法。传统的充电方法(恒流充电或恒压充电)没有考虑到这一点。20世纪60年代美国科学家马斯(JAMAS)提出了以最低气率为前提的电池可接受的最佳充电曲线，即任一时刻电池能够接受的充电电流为ia=I0e-At。ia为任意时刻充电电流的大小，I0为开始充电时的电流值。A为充电接受比。电池最佳充电曲线如图1-5所示。如图1-5 电池最佳充电曲线图1-5中曲线a展示出电池的最佳充电曲线，可以看

30、出，充电电流随时间按指数规律下降，并且：1)如果充电电流工作在N区，则电流过大，会导致电池体温度过高，在电池内部气压过高时会有大量气体析出，对电池造成损坏。2)如果充电电流工作在M区，是可接受的，但充电时间不能达到最短。3)如果充电电流沿着曲线轨道变化，是理想的充电状态。实践证明，如果充电电流按这条曲线变化，可以大大缩短充电时间并且对电池的容量和寿命也没有影响。下面介绍日前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充 电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼近最佳充电曲线。(1)脉动式充电 脉动式充电是指充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端，实现的方法可以是调节充电电压的可

31、控硅导通角，也可以调整充放电脉冲的宽度或充放电周期的大小。脉冲快速充电方法的理论基础是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的中途停充电，使参加反应的铅离子来得及通过PbS04溶解而生成并提高其浓度，又使生成的日一和HS04一离子来得及从电极表面附近移开；其综合效果是降低了蓄电池的浓差极化，允许加大充电电流，缩短充电时间。图1-6表示了蓄电池的脉冲充电方法。图1-6 蓄电池脉冲充电法应当指出，蓄电池在充电过程中端电压是不断升高的，也就是说在不同的充电阶段蓄电池的极化程度不同，应该根据蓄电池的一个单元电压尚未达到25V之前(对12V电池来讲，此端电压值为15V)的电压差自动调节

32、充电电流。这样虽然充电电流很大，但由于适时有效地采取了降低浓差极化的措施，蓄电池电压上升速度就慢，使蓄电池在这种快速充电情况下充入更多的电量。目前蓄电池充电机的市场中，仅仅使用脉冲充电法的并不很多，大多数是采用脉冲充电法和其它充电法(典型的如三级充电法)相结合的方法，将充电过程分几段曲线，每段曲线分别采取恒流脉冲充电或恒压脉冲充电的方法。(2)Reflex快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是NiCd电池。它采用了新型的充电方法，解决了NiCd电池的记忆效应，因此大大提高电池的快速充电的时间。镍氢蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法镉电池有很大的不同，但它们之间可以

33、相互借鉴，互作参考。图1-6 Reflex快速充电法Reflex充电模式的一个周期为1S，由三个部分组成：正向充电脉冲(983ms)，反向瞬间放电脉冲(5ms)，维持及检测用的脉冲(12ms)。正向脉冲为正常的充电脉冲，它的幅度由电池的容量C和期望的充电时间T(或称为充电速率S)所决定，C的单位为AH，T的单位为H，其关系如下式：I=CS=CT。反向脉冲为放电脉冲，由蓄电池的充电原理可知，在对电池进行快速充电时，电池内部气体的产生不仅会使充电时间延长，并且会威胁到电池的安全。Reflex充电模式通过瞬间的大电流放电脉冲，除去了正极板上的气体，并使氧气在负极板上被吸收。从而解决了电池在快速充电过

34、程中的极化问题。该方法要求放电脉冲的幅度调整为充电脉冲的25倍，放电能量同样是随着电池容量及期望的充电时间做函数变化的，但对充电速度维持固定的比值。在放电脉冲后有10rns的维持电平，在这段时间内电池内部可以进行化学恢复，去除内部电荷的积累，从而使电池恢复到自然状态，更便于对电池采样，获得真实的电池充电状态信息，对电池的充电进行自动控制。（3）变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通

35、过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。变电流间歇充电法电流电压曲线如图1-7。图1-7 变电流间歇充电法曲线（4）变电压间歇充电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。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。变电压间歇充电曲线如图1-

36、8所示。图1-8变电压间歇充电曲线（5）智能充电方法 这是本文重点介绍的一种快速智能充电方法。根据蓄电池可接受充电电流定律以及马斯三定律，可知在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有充电曲线时，适时地对蓄电池进行反向电流放电，可以提高蓄电池的充电接受能力，也就是说通过反向大电流放电，可以提高蓄电池的充电速度，缩短充电时间。因此，我们制定了多阶段恒流充电与脉冲放电相结合的充电策略，如图1-9所示。多阶段恒流充电的每段恒流充电电流波形由一组脉冲波形组成，整个波形逼近蓄电池可接受充电电流曲线。图1-9 多阶段横流与脉冲间歇充电曲线智能充电系统在初期根据电池组状态确定是否需要涓流充电；在快速充电上采用多

37、阶段恒流充电与脉冲充电相结合的充电方法，通过负脉冲反向放电，并在快速充电过程中短时间的停止充电，从而防止电池组出现过充，并且欧姆极化可立刻消失，浓差极化和电化学极化也逐渐消失，充电副反应也随之停止。暂停充电后，再为蓄电池提供一条放电通道让其反方向放电，则极化现象将更是迅速消失，充电副反应也将更加的被抑制。如此蓄电池就可接受较大充电电流，充电速度将大大加快。在充电后期采用定电压对电池组迸行补足充电直至电池组电量达到额定电量。这种充电曲线在总体上基本逼近马斯提出的蓄电池可接受充电电流曲线。这种策略能够保证电池组充电的快速性，提高充电效率，同时很好地解决普通快速充电所导致的硫化问题，保证了电池组的循

38、环使用寿命，因此这种方案是合理的。1.5 充电结束控制方法的确定我们知道，电池在充足电后，电池的温度和内压都会迅速上升，同时电池的端电压开始下降，出现电压负增量。电池在充满电后，如果不及时停止充虫，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速蓄电池电解液的分解，从而缩短电池寿命，使电池容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制、温度控制和综合控制等多种终止充电的方法。(1)定时控制：该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。这种方法的缺点是适应性比较差，当电池用过一段时间后，剩余电量不一样，容易出现欠充或过充现象。(2)

39、电池温度控制：电池电压与电池温度存在一定的对应关系，根据蓄电池充电的温度特性曲线，为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止充电。3)电池最高电压控制：在电压控制法中，最容易检测的是电泡的最高电压。常用的电压控制法是：最高电压控制。从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。(4)电池电压负增量控制：当电池充足电后，电池电压略有下降，因此，检测出电池

40、电压的负增量，即可判断电池己充足电。与温度控制法相比，这种方法的响应快。此外，由于电池电压的负增量与电池的绝对湿度无关，因此采用这种检测法的快速充电器，可以对电池数不同的电池组充电。目前国内采用高频开关电源的快速充电器部分就是采用这种检测方法。实践证明，这种测试方法非常可靠，也非常灵敏，能够使蓄电池刚好充足电。负增量检测法的缺点是：环境温度较高时，电池充足电后，电池电压的负增量不明显。因此为了避免环境温度过高时损坏电池，最好与其他控制方法配合应用。(5)电池电压二次导数控制法：这种控制方法是通过检测电池电压的二次导数来实现控制的。实验证明，当电池在充足电时，dV/dt将达到某一个确定的值，此时

41、结束充电即可。美国TEMIC公司推出的充电控制芯片U2402B就是采用这种充电控制方法的，这种控制方法相对来讲更加安全可靠，但测试技术却相对复杂。随着测试技术的发展，这种控制方法应该得到普遍的应用。(6)综合控制法：以上各种控制方法各有其优缺点，由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。由以上介绍可以知道，充电终止的控制方法很多，但每种方法单独使用效果都不是很好，在这里本系统的设计也采用综合控制法。本系统所要求的快速智能充电方法，一方面要求

42、能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到充满状态的时间，提高充电速度，另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力足以及时地吸收正极所产生的氧气。最后最重要的一点是在保证充电效果的基础上，还要充分保证系统的安全性，这种安全性主要包括充电设备的安全即充电时充电器的安全运行，还要保证充电时电池的安全，这种安全主要包括充电池是否过热充电电压是否太大把电池充爆等等。以这种标准为出发点的充电控制采用综合控制法主要包括，温度控制，定时控制，最高电压控制，以及电压负增量控制。在整个充电过程中每一阶段都要有定时控制和温度控制，保证充电时间不会太长和充电时电池温度不会太高，此外在充电的前一阶段还要采用最

43、高电压法来检测电池所处的充电状态，电池在充满前会出现一个充电最高电压提前的问题，这个问题的具体表现是在电池的实际电压还没有达到最高电压时，检测电池电压时会出现一个最高电压的幅值，如果这个时候还使用最高电压法就可能误认为电池已经充满，转入浮充阶段，可见最高电压法在这个时候不适合，我们需要使用电压负增量控制法。1.6 极化现象1.6.1 极化现象产生的原因和种类所谓的蓄电池外部电路的开路，就是当没有电流通过时，电极板处于平衡状态，蓄电池的两端的电压即为蓄电池的电动势，这样则称为平衡电动势。蓄电池放电或者充电的时候，因为在电池中有大量的电流通过，导致电池的电动势将稍微偏离预定好的平衡值，这种相对于平

44、衡电动势的偏离称为电极板的极化，有时也被称为过电压或过电势。在电极单位面积上通过的电流越大，偏离平衡电极电位的现象越严重。上电前和上电后电极电位的差叫作过电位。氧化反应则是失去电子，还原反应就是得到电子。阳极极化就是阳极电流产生的电极极化；同样阴极极化就是阴极电流产生的电极极化。每当蓄电池充电的时候，因为充电电压高出了极板电动势很多，消耗了好多的电能；而又同时在放电过程中，放电电压又总是低于了蓄电池平衡电动势许多，电能消耗变成了大部分的热能，是很不实用的。因此极化现象，可以说对蓄电池充电、放电电能的利用是很不利的。减少蓄电池反应过程中的极化，对改进蓄电池性能有着十分关键的作用，这一步骤也是在蓄

45、电池充电过程中必不可少的。我们要引起相当大的重视。在极化过程中产生的极化电压将由即电化学、欧姆和浓差极化三部分组成。(1) 电化学极化电化学极化现象是电极极化的一种，也就是在外电场作用下，电化学作用相对于电子运动的迟缓性改变了原有的电偶层，最终导致了引起的电极电位的变化，将这种现象称为电化学极化。其特点是就是在电流流出端的电极表面积累过量的电子，即电极电位趋负值，电流的流入端正好相反。由电化学极化作用引起的电动势也叫做活化超电压。(2) 欧姆极化在蓄电池的充电过程中，正负电离子分别向极板的两极运动。在离子运动过程中不可避免地将受到蓄电池内部各个导电极板，隔板、电解液和外部连接部分如极柱、连接条

46、等一系列部分所产生的阻力，将这一现象称之为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外部所施加的电压就必须额外补给一定的电压，来克服阻力推动电离子的迁移。欧姆极化在随着充电电流急剧加大，将造成蓄电池在充电过程中的温度的升高。欧姆极化遵循了物理上所说的欧姆定律。当充电电流停止后，欧姆极化现象可立即消失。(3) 浓差极化在膜的分离过程中的这种现象就叫做浓差极化，这种极化现象会降低透水率，而且这种过程是一个可逆的。浓差极化是指在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，在膜的表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起到了阻碍的作用。电

47、流通过电池或电解池时，如整个电极过程为电解质的扩散和对流等过程所控制，则在两极附近的电解质浓度与溶液本体的浓度就有差异，使阳极和阴极的电极电位与平衡电极电位发生了相对的偏离，我们将这种现象称之为“浓差极化”。浓差极化是指，当水透过膜并截留盐时，在膜的表面会形成一个流速非常低的边界层，边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。非常明显的可以看出，每当蓄电池不接负载的时候，电化学体系处于平衡状态。电解质溶液的浓度分布是各处均匀的。电流接通后情况则发生了好多变化，随着电极化学反应的进行，电极表面的反应物一直在消耗

48、，而产物又在不断的产生，为了维持正常的反应，最理想的情况当然是在电极表面的反应物能及时得到补充，而生成物也必须立即离去。然而，实际的情况是生成物以及反应物扩散的速度远远比不上化学反应的速度，以至造成极板附近电解质溶液浓度发生变化，也就是说，从电极表面到中部溶液，电解质浓度分布是不均匀的。这种现象称为浓差极化。由于浓差极化的存在，充电时必须施加一定的电压去克服它，造成了蓄电池分解电压，也就是即使蓄电池电解质开始进行电解反应必须施加的最小电压，将偏离蓄电池的平衡值，电极就会产生过电势。根据经验表明，电极化学反应的速度与电极附近反应物浓度、生成物的浓度等一系列因素有关，同时在相当程度上还决定于了电极所处的电位。所以过电位的产生加速了浓差极化。随着充电电流逐渐增加，浓差极化现象就表现的更加显著。每当蓄电池停止充电后，在由于扩散作用使各处电