蓄电池充放电管理系统研究本科毕业论文.doc
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1、摘要电动汽车是以动力电池作为能源的环保型汽车,动力电池的寿命是影响电动汽车发展的关键因素,其中一个方面就是:动力蓄电池在制造过程中,由于制作工艺的差别,即使同一批次的电池,也不可避免的存在着差异,即容量上的差异。这种差异直表现在电池的端电压上。在充电过程中,容量小的电池电压上升比较快,即当其它电池尚未充满时,容量小的电池已经充满,继续充电将会造成容量小的电池处于过充电状态。这种差异的直接后果容量小的电池在充电过程中经常处于过充状态,在放电过程中处于过放状态,致使寿命明显缩短,从而导致整组蓄电池寿命降低。本文中采用串并联转换的方法解决这一问题,在充电过程中各个单体电池的联接方式是并联联接的,当检
2、测到某个单体电池充满电时,就把该单体电池从电池组中撤出来;在放电过程中各个单体电池的联接方式是串联的,当检测到某个单体电池的电量不足时,就把该单体电池从电池组中撤出来。实现这种串并联转换的电路即使本文研究的重点。关键词:电池 串并联转换 寿命 充放电管理Abstract Electric automobile is environment-friendly as it is operated by power battery, the life of which is the critical factor that affects the development of electric au
3、tomobile. One aspect is that in the process of manufacturing power battery, differences in workmanship lead to differences in battery capacity even the same batch will be no exception. The differences are manifest in the terminal voltage straightly. During charging, the small capacity batterys volta
4、ge rise quicker, that is, it need less time to reach full than the others. Stop timely, or it will be over-charging. The immediate consequences of differences are that small capacity storage batteries are always over-charging in the charging process while over-discharging in the opposite process, wh
5、ich shorten lifespan evidently and of course life of the full group of storage battery will be influenced. In this article series-parallel connection transformation is used to solve this problem. During charging, each single battery is connected in parallel and if one of them is detected having been
6、 charged fully, it will be took out of the battery pack. In the discharging process, single batteries are in series connection and once some battery lacks power, it will be took out. This article emphasizes on the transformation of series parallel connection.Key word: Battery series-parallel connect
7、ion transformation life span charging and discharging management目录摘要IAbstractII绪论IV第一章 充电方式的选择11.1 恒压充电方式11.2恒流充电方式21.3两阶段充电方式31.4三阶段充电方式31.5脉冲充电方式5第二章 单体电池电压测量72.1目前几种单体电池电压测量方法72.1.1共模测量法72.1.2继电器切换采样法82.1.3开关切换法92.1.4 V/F转换无触点采样法92.1.5浮动地测量法102.2本为采用的单体电池电压测量方法11第三章 均衡充放电管理133.1目前几种常见的充放电管理方法133.
8、1.1涓流充电法133.1.2并联电阻法133.1.3电容切换法143.1.4多绕组变压器法143.1.5并联DC/DC变流器法153.2本文采用的方法163.2.1放电过程的管理163.2.2充电过程的管理163.2.3充放电串并联转换的实现183.3 基于protues的串并联转换管理方式的仿真183.3.1继电器的逻辑控制183.3.2 单体电池的模拟203.3.3 电压比较器的应用203.3.4串并联电池充放电管理系统仿真图213.4串并联管理方法的改进22总结与展望24致谢25参考文献26绪论当前,在电动汽车的研制与产业化推广过程中,动力蓄电池的问题成为最主要的制约因素。其中一个方面
9、就是:动力蓄电池在制造过程中,由于制作工艺的差别,即使同一批次的电池,也不可避免的存在着差异,即容量上的差异。这种差异直表现在电池的端电压上。在充电过程中,容量小的电池电压上升比较快,即当其它电池尚未充满时,容量小的电池已经充满,继续充电将会造成容量小的电池处于过充电状态。这种差异的直接后果容量小的电池在充电过程中经常处于过充状态,在放电过程中处于过放状态,致使寿命明显缩短,从而导致整组蓄电池寿命降低。本文中从充电方式,单体电池的电压测量这两个问题入手选择一种适合串并联转换管路方法的充电方式,提出一种由差分放大器组成的减法电路来测量单体电池电压的思路,最后提出串并联转换的电池充放电管理方法。并
10、用protues进行电路仿真。第一章 充电方式的选择对于蓄电池而言,不同的充电控制策略对其寿命的影响也是不尽相同的。根据不同的应用环境、不同的应用场合,充电控制策略的选择也是多式多样的。目前常用的几个充电控制策略有恒压充电方式、恒流充电方式、两阶段充电方式、三阶段充电方式以及脉冲充电方式和根据麦克斯韦理论来设定充电参数的综合充电方式。下面对不同的充电方式一一介绍。1.1 恒压充电方式 恒压充电是保持电池的端电压恒定值的一种充电方式。充电器的输出电压恒定,单节电池的端电压为2V,一般将充电电压设为2.35-2.5V之间,具体数值需要查看电池厂家的技术说明书,并且需要根据具体环境和温度等应用条件相
11、搭配,取得一个较为准确的充电电压值。恒压充电的充电电压、电流波形如图1-1所示。图1-1 恒压充电充电电压电流波形 恒压充电方式的明显不足之处在于充电开始的初期,由于电压已经恒定,又因为电池的等效内阻非常的小,所以充电电流会很大。严重时会引起极板弯曲、活性物质脱落以及蓄电池的温度异常升高,从而缩短蓄电池组的寿命。如果将恒压值降低,虽然可以适当减小初始电流的大小,但是蓄电池的充电时间会大大增加,而且可能会出现无法充满的现象,从而造成蓄电池充电不足,同样会缩短蓄电池的寿命。恒压充电方式的好处在于电池充电电压恒定,充电器的控制较容易实现,成本低。因此。恒压充电一般用在小容量、低电压电池的充电场合。1
12、.2恒流充电方式 恒流充电与恒压充电方式类似,只不过恒定值为充电电流。而恒流充电又包括单一恒流充电方式和分段恒流充电方式。 单一恒流充电恒流值设定比较低,是为了避免充电到一定程度后,电流过大使得电池由于过充而损坏。单一恒流充电保持电流恒定不变直到充电结束,充电时间相对较长,导致充电过程中蓄电池内部析气较多,效率低。图1-2单一恒流充电方式的电流电压波形图。图1-2 单一恒流充电方式电压电流波形 而分段恒流充电在一个充电周期中的充电电流是分段变化的,它根据充电状态进行调整,先以较大的电流充电,并逐渐减小,电流呈阶梯状减小,这样可以避免过充电,不过对控制参数的准确性要求较高。如图1-3示。图1-3
13、 分段恒流充电方式电压电流波形 恒流充电方式一般用在快速充电开始前的涓流充电或者串联电池组的小电流长时间充电。1.3两阶段充电方式两阶段充电方式也是目前市面上相当多的充电器所采取的一种充电策略。为了避免恒压充电初始时大电流对蓄电池组电极的损坏现象,大多数电池厂商采取了这种恒压限流充电方法。限制恒压充电的初始充电电流,等待电池端电压上升到设定的恒压值,则进入恒压充电阶段,这样充电电流便会逐渐减小,直到充电过程结束。其电压电流波形如图1-4示。两阶段充电方式充电过程中,电解液中产生的气泡很少,可以节省电能、抑制蓄电池的温度上升趋势、避免损坏电池极板。图1-4 两阶段充电方式电压电流波形1.4三阶段
14、充电方式 三阶段充电方式是由二阶段(恒压限流)方式发展而来的。在很多场合下,蓄电池并不是总处于工作状态下的。而对于蓄电池组而言,即便是在不使用的状态下,电池也会通过内阻放电,容量也会随着时间逐渐减小。如图1-5示。图1-5 三阶段充电方式电压电流波形 所以在蓄电池两端加上恒定电压,便可以补偿这种因为电池自放电而造成的容量损失,这便是浮充阶段。浮充阶段类似恒压充电模式,不过这两者的恒压值是不相同的。它和恒压充电的目的并不相同,它并不以恢复电池容量为目的。浮充更准确的说应该是蓄电池的一种运行方式。它是直流电源系统中,与整流设备并联,作为支持系统工作的后备电源的蓄电池工作方式。 蓄电池在浮充工作方式
15、下,充放电循环次数少,自放电和深放电的容量又能及时补充,活性物质利用率高,使用寿命长。浮充使用时蓄电池的充电电压必须保持一恒定值,在该电压下,充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电而损失的能量。同时,应保证在相对较短的时间内使放过电的电池充足电,这样就可以使蓄电池长期处于充足电状态,不会由于欠充电造成容量损失。另一方面,该电压的选择应使蓄电池因过充而造成的损失达到最低程度。因此,选择恰当的浮充电压对蓄电池的使用寿命来说是至关重要的。对于VRLA电池的浮充电,当前无论国内还是国外均采用大致相同的办法,浮充电压通常选取2.23-2.28V。而且,修正浮充电压值对延长VRLA蓄电池的寿命十分重要,浮充
16、电压增加0.1V,蓄电池的寿命将减少近半。因此,选取浮充电压一般选取厂家推荐的下限,且要根据温度进行补偿,补偿方法与均充电压温度补偿一样,以-4mV摄氏度为补偿系数。为了使得浮充电压更加的精确,多种间歇性浮充方式被提出。这种特殊的浮充方式是待到电池端压降到设定值时进行浮充,到上限值停止,如此循环。便可以防止电池的损坏。1.5脉冲充电方式前面介绍的几种充电方式如恒压充电方式、恒流充电方式、两阶段充电方式以及三阶段充电方式普遍存在的问题是充电电流参数难以与具体的VRLA电池取得一致。充电电流过大则会加速电池的析气,使得电池失水。电流过小则加长充电时间,可能造成电极硫酸盐化。脉冲充电方式是一种针对V
17、RLA电池比较先进的充电技术。它对铅酸电池内部的电化学过程有较大影响,主要解决了铅酸电池极化问题和硫酸盐沉积问题。,脉冲充电方式如图1-6示:图1-6 脉冲充电方式电流电压波形 采取脉冲充电可以较好的抑制极化的产生。电阻极化和电化学极化只需要等待充电电流下降到足够小,便可以在微秒内减小或者干脆消除。对于浓度差极化,在脉冲的间隔空闲时间区间内,电解液浓度差不变,为离子扩散创造了条件。若在充电过程中加入负脉冲,则可以使得VRLA电池在充电过程中的电化学反应朝着与原来相反的方向进行,离子扩散运动方向也相反,这样便有利于消除充电过程中产生的浓度差。 如果充电电流是脉冲电流,则情况不同。脉冲电流则可以看
18、成是一系列频率交流电流组成。由于集肤效应,当一定频率的交流电流流过某一导体时,电流仅流过导体界面的外表面。充电电流频率越高,则电流越集中在极板表面,积累在极板表面的硫酸能够得到电子,充电反应能够进行较充分,且抑制了析氢反应的发生。这样负极表面的硫酸铅晶体能够全部转换为活性铅。综合考虑,在串并联转换时选择脉冲充电方式。其实,脉冲电压充电和恒压充电方式在串并联转化的电路设计上没有任何区别。但是在使用两阶段充电方式、三阶段充电方式时由于在充电时要使用电流充电,所以在充电时,单体电池的联接方式不能简单的并联,要在恒流充电时把单体电池的联接方式转换为串联。第二章 单体电池电压测量本文中对于单体电池剩余电
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