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20kW车用铅酸电池智能管理系统

浙江大学电气工程学院 硕士学位论文 20kW车用铅酸电池智能管理系统 姓名:杨诗佳 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:彭方正;钱照明 20080501

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环境的不断污染、石油能源的加剧消耗促使纯电动车成为了各国各汽车厂 商争相研究的对象。而阀控免维护铅酸蓄电池(VRLA)凭着其低廉的价格优 势占据了车用蓄电池的大部分市场份额。本文旨在开发一套完整的VRLA蓄电 池管理系统,包括蓄电池状态检测、均衡充放电管理、温度管理、充放电管理 等。 本文首先讨论了车用VRLA蓄电池的特性,包括其失效模式、改进方式以 及各种充电方法对其物理上的影响。随后,针对VRLA车用蓄电池,本文着重 讨论了电动汽车蓄电池的智能管理系统,第三章到第四章详细介绍了装载车内 的管理系统(检测系统、均衡系统);第五章着重讨论了置于车外的充放电管理 系统的设计和实现。 状态检测系统系统主要包括电池状态采集系统以及剩余容量SoC、健康状 态Soil测量系统。本文针对电动汽车这个特殊应用场合,提出了一种新的同 时基于AH定律、Pcukcrt方程、温度修正、Soil以及开路电压的的容量预测 方法。 均衡充电系统的目的是保持串联电池组单体电池容量的均衡。均衡管理系 统主要包括控制器、开关组件以及辅助均衡充电器三个部分。 主充电系统采用的是正负脉冲的充电方式,本系统通过一个全桥双向 DC/DC变流器来实现。主充电器的功率等级为20kW,在本课题组中,这个功 率等级较之以往有较大的突破。

关键词:VRLA蓄电池,均衡充电,状态检测,脉冲充电

浙江人学硕士学位论文

Abstract
Electric.Vehicles have become the research focus of most famous carmakers all
over

the world because of the problems in air pollution and petrolium crisis.Due to

its low costs,the Valve Regulated Lead

Acid(VRLA)batteries

still remain the key

position

in

applications

for

Electric-Vehicles.In this

dissertation,a battery

intelligent management system,which includes battery state detection,equalizing

management,temperature management
proposed.

and charge/discharge

management

has been

The characteristics of VRLA baaeries used to power Electric—Vehicles are discussed

firstly.The

failure modes,charge algorithms,also with the
are

significant

changes in

VRLA baaeries design

discussed in detail.
on

This dissertation mainly focuses

the battery management

for(VRLA) inside
the

baaeries in the Electric—Vehicle applications.The management system

car(battery

state

detecting

system

and

equalizing charging

system)has

been

discussed in detail of the chapter 3&4.The chapter 5

proposed

the charge/discharge

management

system outside the Car. state detecting system measures the voltage

The battery

and temperature

of the

baaeries,then it estimations the state of charge(SoC)and state of health(Soil).A novel method used for estimation of SoC is proposed,which is based principle,Peukert equation,temperature correction,SoH Here
on

AH

and open-circuit—voltage.

an

equalizing charging system is

designed

to keep battery equalization

during charging and

discharging.The

controler,switches

and

all

auxiliary charger

make up the equlizing system.
The Pulse charging/discharging method is adopmd
on

as

the main charging

algorithm.This charging algorithm is achieved based DC/DC



bi-directional full-bridge

converter.The power rating of the

main charger is about

20kW.

Keywords:VRLA

batteries,equalized

charging,state

detection,Pulse

charging/discharging

—ll—

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第1章绪论
20世纪后期,西方发达资本主义国家遭遇了严重的中东石油危机之后,人 们开始意识到过度地开发大自然,以消耗原油和煤炭等自然资源的原始做法已 经亟待改进了。无止境燃烧化石燃料获取能量不仅是在掠夺人类子孙的财富, 更是严重污染大自然的重要原因。如今,全球汽车保有量已经超过7亿辆,年 产量突破5000万辆,据预测,到2050年,全世界的汽车总量将达30亿台。 而汽车在耗用巨量石油资源的同时,又产生极为严重的废气污染,每年汽车尾 气约排放2亿吨有害气体,占大气污染总量60%以上。于是各国科学家纷纷 提出要在能源消耗最大的机动车产品上进行技术革新。而使用绿色环保并且能 循环利用的电动系统便进入了各个机动车生产厂商的开发方案中,然而发展电 动车必须解决几项主要关键技术,即蓄电池、蓄电池管理以及电机及其控制。 如上所述,蓄电池、蓄电池管理、电机及其控制是限制电动汽车产业化的 三个最主要的因素。其中,电机及其控制问题已经得到了较好的解决,电动汽 车的瓶颈还是在蓄电池以及其配套的管理系统。现阶段国内外的研究主要集中 在电动汽车蓄电池及其管理系统方面。

1.1电动汽车发展及现状
从能源角度看,石油资源逐渐枯竭,科学家预测,地球上的石油资源如果 按目前的消耗水*,仅仅可以维持60~100年。而电能的来源广泛,人们对电 力的使用,已积累了丰富的经验。2l世纪电能必然会成为各种地面运载工具的 主要能源,发展EV是交通运输工业发展的必然趋势,也是汽车工业发展的总 趋势Il】。

20世纪70年代全球三次石油危机爆发后,各跨国汽车公司争先开始研发
各种类型的电动汽车。我国在研发电动汽车专项上也投入了大量的人力、物力 和财力,并取得了一系列科研成果【2l。但是迄今为止,这些科研成果真正能转 化为产品,实现批量生产的却不多。国外在电动汽车方面的研究投入很大,也 取得了不少研究成果,并将此用于电动车的产品中。不过离实现大规模电动车 的生产和制造的阶段还有一定距离。

1.1.1美国电动车发展现状131
美国是世界上大气污染最严重的国家之一,也是防止和限制大气污染最严 厉的国家之一。20世纪五六十年代,在美国的一些大城市里,相继出现了因为 汽车排放对大气环境造成严重污染而引起的光化学烟雾危害事件。 1976年7月,美国国会以立法的形式、政府资助和财政补贴手段加速电动

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汽车的发展。法规的强行推行,促进了电动车小批量、商业化生产和实践应用 的进程。此后,美国还出台了一系列鼓励电动汽车发展的政策。在这些因素的 推动下,美国电动汽车产业化进程有了较快的发展。 1991年,美国通用汽车公司、福*倒竞涂死乘估掌倒竟餐 议,成立了“先进电池联合体”(USABC),共同研究开发新一代电动汽车所需 要的高能电池。当年10月USABC与美国能源部签订协议,在1991—1995年4 年间投资2.26亿美元来资助电动汽车用高能电池的研究。美国通用汽车公司还 在底特律建成EV-I(纯电动汽车1电动轿车总装线,每天生产10辆电动轿车。 美国发展电动汽车主要有以下几项计划: (1)PNGV计划(新一代汽车伙伴计划) “PNGV计划”的最终目的是研发出一系列新型EV/HEV,保证车辆高 性能,减少排放和车辆生命周期费用。
(2)Freedom CAR计划(自由车计划)
“Freedom

CAR计划”将集中于风险较高的实用技术研究,利用国内可再

生能源制造氢燃料电池,以使用该种电池不损害汽车使用的自由、不损害选择 汽车的自由和不增加使用成本为目的。 (3)EV电池利用研究项目 2002年,美国能源部批准经费l 500万美元,用于“工业研究、开发和演 示使用电池的电动汽车”的费用共担项目,包括使用效率和动力储存、供电质 量等。该项目批准6个月后,美国议会制定了相应的法律。 (4)绿色校车示范项目 能源部建立了一个3亿美元的鼓励学校使用纯电动汽车、燃料电*岛 超低硫磺柴油机校车的示范项目。 (5)AVP计划

1994年在美国2l世纪交通法授权下,美国交通部成立专门研究管理机构
对EV/I-IEV研究计划进行建议、组织和管理,此机构称做AVP。AVP的设立是 对PNGV系统的补充,是政府“EWHEV研发计划"的延续。 1.1.2欧洲电动汽车的发展13J 法国是个缺油国家,每年依靠进口大量石油来供应国内的需求。汽车尾气 排放成为了法国的最大污染源。法国电力供应主要靠核能与水力发电,发电源 污染少,电价也便宜。所以法国自然成为了拥护电动汽车研发的绝对支持者。 法国政府在政策上给予支持。 法国政府、法国电力公司、标致.雪铁龙汽车公司以及雷诺汽车公司签署协
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议,共同承担开发和推广电动汽车,共同合资组建了电动汽车的电池公司。在 拉一罗且里(La Rochelle)市进行电动汽车的使用实验,投入了50辆小型4座 电动客车,建立了9个普通充电站和3个快速充电站。法国政府还计划在巴黎 等城市推广使用电动汽车。在法国政府出台了各种优惠政策保障电动汽车的发 展以来,法国电动汽车也得到了飞速的发展。 1990年法国标致.雪铁龙汽车公司所开发的J.5和C.25电动载货汽车投入 生产。1995年法国能源部、标致.雪铁龙汽车公司开发了标致.106和SAXO型 4座电动轿车:雷诺汽车公司研制了Clio型4座电动轿车并投放在罗且里市进 行实验。1997年为止,法国的电动汽车产量达到两千辆。 不仅如此,法国政府非常鼓励使用电动汽车,使法国电动汽车的发展位居 世界前列。4年前,法国政府电力公司与汽车制造商签订了协议,使全国电动 汽车保有量达到10万辆,在20个城市推广使用。目前法国已有十余个城市运 行电动汽车且有比较完善的充电站等服务设施,政府机关带头使用电动汽车。 法国政府为了鼓励大众使用电动汽车,采用了“企业购买电动汽车在第一 年可以免税”的措施。同时,电动汽车生产厂家每生产1辆电动汽车,法国电 力公司将提供l万法郎的补助,以扩大电力使用范围。法国“PREDIT III.2002/2006计划’’除了对电动汽车的研发进行大力支持外,还对电动汽车的 购买者实施财政鼓励措施。 德国政府十分重视环境保护,投入大量资金用于电动汽车的研发。1971年 便成立了城市电动车交通公司(GES),秘极组织电动车的研发。1991年,在 拜尔州投入了300辆电动汽车进行运行。拜尔州拨款400万马克,用于资助电 动车的购买者30%的车价。另外,汉堡市也采取了资助用户车价的25%,用来 鼓励用户购买电动汽车的措施。 1992年德国政府拨款2200万马克,在吕根岛建立欧洲电动汽车实验基地, 组织了四大公司62辆各类电动车在吕根半岛城运行实验,对64辆电动汽车进 行长达4年的大规模试验,并且有很多国家和城市也都有电动汽车参加了此次

试验。70年代末,德国戴姆勒.奔驰公司生产了一批LE306电动汽车,采用铅
酸电池。电池电压180V,容量180Ah,电池质量1000kg,电机最高转速为 6000r/min。有效载荷1450kg,最高时速为50km/h,续驶里程达到120km。奔 驰公司生产了电动大客车和商用电动汽车,投资4.7亿美元研究开发燃料电池, 计划2005年实现产业化。欧宝公司在1981年与ABB公司合作开发了电动轿 车。 德国政府同9个主要汽车公司签订了一份理解备忘录,期望建立一个清洁

能源城市——柏林。这一计划将持续5年,参与此计划的包括德国汽油制造经 销商Aral,以及汽车制造厂家宝马、戴姆勒.克莱斯勒、福特等,还有柏林运输
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组织、天然气供应商Linde。 英国是当今世界生产电动汽车较为先进和使用广泛的国家之一,电动汽车 的使用历史已有50年之久,上个世纪80年代中期英国就有12万辆电动汽车在 运行,目前全国已有40万辆电动汽车。英国政府投资两千多万英镑支持电动汽 车的开发,并且实行了多项优惠政策给使用者,比如免受牌照税、养路费。而 且在夜间充电只收取二分之一的电费。英国国际汽车设计公司从1979年开始研

制电动汽车,1991年克罗德利蓄电池公司投资建立电动汽车生产集团,研制的
电动汽车行程达到130kin。 瑞士要求国内旅游区内一律使用电动汽车,防止环境污染。因此瑞士也是 欧洲电动汽车使用效益最高的国家之一。 瑞典的VOLVO汽车工业公司、意大利的菲亚特公司等都不惜投入巨额资 金,研究开发新一代电动汽车。 意大利在上世纪80年代末期建立了电动汽车车队,投入52辆电动汽车实 验,使用铅酸蓄电池。1990年菲亚特公司生产的电动车续驶里程为100km,速 度达到70km/h,采用铅酸电池。 丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等国家也都纷纷加入了开发电动汽车的行列。 各个汽车公司都看准了国际未来的电动车市场,力争早日实现产业化,在国际 市场上分一杯羹。 冰岛的生态城市运输系统(ECTS)和欧洲七国九城市的欧州清洁城市运输 (CUTE)系统会在这10个城市中都投入燃料电池公共汽车运营,并且设立加氢 站,系统为了收集有关电动车的使用和维修特点,以及在不同环境气候下电动 车的特性。评价各种制氢方法也是该系统的目的之一。 1.1.3日本电动汽车的发展131 日本是世界范围内实施电动汽车产业化最早的国家之~。日本国土不大, 石油资源匮乏,几乎全部依赖进口 日本工业相当发达,人口密集,城市污染也是国家考虑的重大问题之一。 日本政府特别重视电动汽车的研发工作。1967年,日本成立了日本电动汽车协

会,以此促进电动汽车的发展。日本大阪市由市政府、大发汽车公司、蓄电池
公司和电力公司共同组成促进电动汽车发展的地方性组织,采用优惠的租赁方 法鼓励用户购买电动汽车,并在大阪市内建立10个快速充电站,为用户提供全 方位的服务,促进电动汽车的推广。 1998年日本东京电力公司联合日本电池公司,共同开发了“ZA"电动汽 车。在当时属于世界最高水*。20世纪90年代,丰田汽车公司多次展览豪华 型的电动轿车,日本各大电力公司不仅在资金上参与电动汽车的研发,而且还 在公务汽车的选用上优先选择电动汽车。
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1996年,丰田汽车公司研制出燃料电*档纳担⒃冢保梗梗纺昕 始批量生产混合动力汽车,成为了环保技术领域和世界电动汽车产业化的领头 羊。该公司在第16届国际电动车展览会上展示的最新混合动力汽车“Pfius” 是世界最早批量生产的混合动力汽车,至今已经销售了6万辆。 日本发展电动汽车主要有低公害汽车开发普及行动计划以及专项研究计 划。其中专项研究计划主要涉猎的内容有:燃料电*档扔蔑绯丶际蹩ⅰ 氢能利用技术开发、质子膜燃料电池系统的验证研究、质子膜燃料电池系统的 普及基础事业、质子膜燃料电池系统的技术开发和氢气安全利用等基础技术开 发费补助金等。 1.1.4我国的电动汽车发展 我国从2003年起,EV重大科技专项已由总体规划、全面启动阶段,转入 关键技术攻坚和产业化前期准备阶段。EV专项已组织起包括企业、大学、科 研机构在内的100多个研发团队,开展了EV关键技术的研究开发,取得了整 车功能样车、燃料电池发动机系统等一大批阶段性成果,申请了1 55项专利。 如同济大学自主研发的“超越二号”燃料电池轿车在世界电动汽车竞技中获得 好成绩。中国科学院电工所开发的高效、高集成度的数字化车用永磁电机驱动 系统和大功率数字化交流异步电机驱动系统完成了整车型式认证实验,已应用 于“科技奥运北京电动公交车示范项目”上,天津清源电动汽车动力总成和电 动汽车整车产业化示范基地预*衲昴甑捉ǔ桑焓苯晌澜缟献畲蟮牡缍 汽车生产基地。

1.2电动汽车蓄电池管理系统
电池管理系统在电池的运用场合起着至关重要的作用,电池管理系统能全 面测量电池参数,并根据当前电池状态完成相应的控制动作。它既要保证电池 的安全运行,又要保障延长电池的寿命。一套好的管理系统可以给电池的运行 带来强有力的保障,而性能不完善的管理系统不仅会影响电池的寿命,甚至可 能引发安全事故。 电池管理系统测量电池的电压、充放电电流和温度,根据电压状态控制电 池的充放电,根据电流大小提供充放电保护,根据温度状态推断电池当前的状 态。电池管理系统的控制部分主要是根据采集的电压状态而选择充电方式(如 恒压、限流、间歇浮充等),并且产生异常状态(如过压、过流、欠压等)时对 电池进行保护,防止电池损坏和确保使用安全。而通讯接口则是管理系统内部 各个模块进行传输信息的通道。并且也为其他智能系统访问智能电池提供了必 要保证。 不仅如此,管理系统还需要实时根据电动汽车电池的使用状况做出反应或
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者通过人机接口提示驾驶员处理紧急状况。电动车用蓄电池常常是由很多单节 电池串联起来的,对其充电和放电的时候难免会因为单体电池的出厂特性不完 全相同而出现莫单节电池过充电或者欠充电状态。长此以往,此节电池便会损 坏,是的电池组无法正常使用。所以电池管理系统也需要提供电池均衡的功能。 通过电动汽车电池管理系统检测到电池单体和电池组的荷电状态,使多能源管 理系统能在保障电池安全和使用寿命的前提下,充分发挥电池的性能,加强电 动汽车的动力性和续驶里程。 基于以上对电池管理系统的介绍与描述,一套完整的电池管理系统应该包 括[41【5l: 11电池保护系统: 2)主充电系统; 3、l充放电均衡管理系统; 4)电池状态检测系统: 5)温度管理系统; 6)通信系统。 主充电系统的功能就是用能延长电池寿命的充电方法对电池进行充电,目 前正负脉冲充电技术被普遍认为能增加VRLA电池的充放电次数,延长电池的 使用寿命。单体电池的过充电、过放电、长期欠充电、过温对电池的寿命有很 大的影响,故应有一套均衡管理系统和温度管理系统来保证在充放电过程中所 有单体电池不过充电、不过放电、不欠充电和不过温。电池的状态检测系统包 括对单体电池电压、内阻等信息的采集以及根据这些参数来判断电池的状态。 结合现有的一些管理系统和电动汽车的特殊要求,一套适合电动汽车的管 理系统的结构方框图如图1.1所示。该系统包括车载和车外管理系统两部分, 车载蓄电池管理系统应具备以下功能【51: 1)数据采集、记录以及电池电压均衡。 2)数据处理以防止电池失效和不良使用;预测荷电状态SOC; 3)和车外管理系统通讯。 车外的管理系统则包括主充电系统、人机接口、监控模块等。 实际应用中,电动大巴蓄电池智能管理系统的构成远不如上述的系统那么 完善,依然存在这样或那样的缺陷。在国内,已有纯电动公交车在试运行,但 其管理系统功能还需完善:大多数主充电系统依然采用恒压限流的方式对电池 进行充电,且缺乏电池的均衡管理和有效的状态检测。管理系统的落后导致电 池的寿命普遍较短,有的电池的寿命甚至不到2个月【6l。

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主充电系统
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………一…一…一…一一…一一……一一一一一i.i 车外管理系统



车内管理系统

图1-1电动汽车管理系统组成

1.3本论文研究的主要内容
本论文是在杨潮硕士论文《免维护铅酸蓄电池管理系统》、潘尚智硕士论文 《阀控式铅酸蓄电池管理系统》、罗光毅硕士论文《蓄电池管理系统》、王伟硕 士论文《铅酸蓄电池管理系统实验的软硬件研究》、丁昂硕士论文《阀控式免维 护铅酸蓄电池脉冲充电及其智能管理》以及欧阳茜硕士论文《电动大巴蓄电池 智能管理系统》的基础上完成的。这几篇论文对车用蓄电池管理系统进行了大 量的前期研究工作,包括阀控免维护铅酸蓄电池的化学特性分析、模型建立。 影响蓄电池使用寿命的关键因素分析以及提高蓄电池寿命充电方式研究等。本 文主要在欧阳茜硕士论文提出的整体框架上进行系统的完善优化和搭建工作。 重点研究了车内的电池智能管理部分,并搭建了车内管理系统。同时研究了车 用VRLA蓄电池的化学特性并结合其特性使用相应的充放电策略,延长蓄电池 寿命。 本文第一章介绍了目前世界范围内电动汽车的发展状况以及电动汽车蓄电 池管理系统的概况。第二章主要介绍了电动汽车用VRLA电池的特性、失效模 式和充电方法。第三章和第四章分别介绍了车内管理系统的状态检测系统和均 衡充电管理系统。第五章介绍了主充电系统的构成。最后对本论文的研究工进 行了总结和展望。

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浙江大学颀士学位论文

参考文献
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【6】欧阳茜.电大巴蓄电池智能管理系统:【学位论文】.杭州:浙江大学电力电 子系,2007

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第2章电动汽车蓄电池
2.1车用蓄电池特性分析
2.1.1电动车蓄电池基本性能指标 电动汽车用蓄电池的主要性能指标有:容量、能量密度、功率、白放电率、 循环使用寿命等111。 (1)容量。蓄电池在一定的放电条件下所能放出的电量容量称为电池的容量, 用符号C表示。常用的单位为安培小时,它等于放电电流与放电时间的乘积, 单位为Ah,这种方式定义的电池容量小于电池的标称容量。因为组成电池时, 除活性物质外还包括非反映成分,如外壳、导电零件等,同时还与活性物质被有 效利用的程度有关。 在实际应用中我们一般采用荷电状态SoC(state 剩余容量。SoC定义为剩余容量与总容量的百分比。 (2)蓄电池的能量密度。定义为动力电池组单位质量或单位体积的蓄电池所 能输出的能量。通常质量能量密度定义为蓄电池的比能量(Wh/Kg),体积能量 密度定义为蓄电池的能量密度(Wh/L)。其中比能量显得更为重要,它影响到电 动车的整车质量及续驶里程,是评价电动车的蓄电池是否满足预定的续驶里程的 重要指标。而体积能量密度只影响到电池的布置空间。 (3)蓄电池的功率密度。功率密度是指单位质量或单位体积的蓄电池所具有 的输出能量的速度,它也可分为比功率(W/Kg)fffl功率密度(W/L)。对电动车而 言,重点考虑比功率参数。它是评价蓄电池能否满足电动汽车加速和爬坡能力的 重要指标。 (4)能量效率。电池作为能量储能器,充电时把电能转变成化学能储存起来, 放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中,有一定的能量损耗。 通常用电池的能量效率来表示电池的充放电效率。它表示为放电时输出的能量与 充电时输入的能量比。 电池内阻是影响能量效率的主要原因,它使电池能量以热的形式损耗掉。 (5)放电倍率。电池以某种电流强度放电时的数值为电池容量的配数。常用C 表示。例如,电池容量为40Ah,当充放电电流强度为1C时,是指放电电流为
40A. of

change)来描述需电池的

(6)蓄电池的自放电率。电池在存放时间内,在没有负荷的条件下自身放电,
使得电池的能量损失的速度。一般时间是以月为单位,如放电率(%/月)。

(7)蓄电池的循环使用寿命。通常定义为蓄电池失效前所允许的深放电次数。
所谓深放电一般是指蓄电池完全放电到截止电压。它是影响电动车总的续驶里程
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的重要指标。 电池的使用寿命与充放电深度及温度等条件有关,减小充放电深度,可以延 长电池的寿命。

表2-1美国现代电池联合会(USABC)提出的目标121 项目 比能量,Wh/kg 能量密度,Wh/L 比功率,W/kg(80%DOG/30s) 体积功率,W/L 寿命,年 循环寿命,次(DOG
80%)

中期同标
80(100) 135

长期目标
200 300 400 600 10 1000 20 <loo —40~85 3~6

150(Z00)
250 5 600 20 <150 .30~65 <6

能量及功率下降率(%) 最终价格,美元/KWh 工作环境,℃ 充电时间,h 满充时连续放电lh至截至电琏,放出

75

75

电量与标称能量比值,%

目前,有许多种材料、储能原理不同的蓄电池可以用到电动汽车的动力系统 中。但是不同的应用场合对蓄电池的要求也不尽相同,在电动汽车应用领域,蓄 电池应当满足以下要求: 1)安全可靠(不泄露,不爆炸); 2)高比能量(满电后单次最远行程); 3)高比功率(大电流放电,加速爬坡能力): 4)循环寿命长,容量衰减小(低成本); 5’)单体电池电压高(减少串联数量,防止电池一致性差引起的电池组故障) 61}充放电效率高: n体积小,重量轻; 8)与环境友好(造成污染的程度)。

与普通的燃油汽车相比,电动汽车的单次行驶里程明显较短,电动汽车充满
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电的行驶里程一般为200.300km,而普通燃油汽车加满油后的行驶里程可达 1000km左右。其原因是汽油的比能量达到了12000 Wh/kg,而目前蓄电池的比 能量只能做到150 Wh/kg左右):比功率则关系到汽车的加速和爬坡性能,比功 率越大说明汽车产生扭矩的能力越强,载重与爬坡性能越强;与环境友好,指的 是电池在生产、使用、回收的过程中不会对环境造成大的污染:开发电动汽车的 一个主要目的就是限制汽车尾气的排放,如果电池本身的污染就很严重,就无异 于“拆东墙补西墙”,得不偿失【引。美国高新电池开发联合体USABC(The
states advanced battery

united

consortium)为电动车用蓄电池制定了一个开发目标,如表

2.1所示。 2.1.2几种常用车用蓄电池性能比较 电动车作为未来人类交通工具的重要组成部分已形成共识,美国《时代周刊》 把燃料电,电动车列为2l世纪影响人类生活的十大关键技术之首。在燃料电池 电动车市场化前的10.20年内,纯电动车和混合电动车将率先实现产业化,应用 前景广阔。电动车电池存在巨大的国内外市场,据预计,2010年全球二次电池 市场将增加到约300亿美元,其中电动车电池市场将达到50亿美元。 表2.2示出目前常见的、适用于电动汽车的电池种类及其参数。由这些数 据可以看出,虽然车用电池的市场前景被如此看好,但是就目前而言,车用电池 的发展还是有相当的局限性,比能量小,质量大,价格高等一系列问题还摆在各 个厂商的面前。
表2.2适用于电动汽车的电池种类及其参数【4~5l 比能量 电池类型 Wh/kg 铅酸 镍镉 镍氢 钠硫 钠氯化镍 锂电池 锌空气
35

能量密度

比功率
W/kg
150

循环寿命 (次)
500

价格
¥,I(、~m lOO

缪j记
90

50

80

200

looO

500

65

135

150

1000

400

100

100

150

600

400

lOO

130

160

lO∞
1200

500

110.160

170

300

800

190.260

270

90

150

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表2.3示出这几种电池的主要性能比较。由表2.2、表2.3可以看出,现阶 段,市面所售的电池和USABC提出的目标还有相当的差距,只有个别种类电池, 如锂电池性能上已经接*USABC提出的中期目标,但是锂电池价格高的问题一 直让它没有占据大部分车用电池的市场份额。这几种常见车用蓄电池依然存在各 种缺陷。镍镉电池含有剧毒物质镉;铅酸电池生产过程中也有造成铅污染的可能 性;钠硫电池的制造过程较复杂,由于制造过程中需用到液态钠,故需在惰性气 体进行,此外,钠硫电池还存在可靠性差,对过充过放和环境温度很敏感等缺陷; 钠氯化镍电池原理和钠硫电池相*,但是其在安全可靠性,耐过充过放、环境温 度方面已经有很大的提高,是*期研究比较多的一种电池。但不管是钠硫电池也

好,钠氯化镍电池也好,其电池内部工作温度很高,一般为270℃_50℃。采
用这两种电池供电的汽车在停车时的热损失较大,且在启动时需要长时间加热。 一般认为该电池较适用于经常运转的车队车辆,不太适合于私人小轿车。锌空气 电池是一种一次电池,其比能量极高,生产使用过程中不会对生态环境产生明显 影响,但电解液碳酸化、失水和吸湿、机械充电方式等都是比较复杂的技术问题, 并且在使用过程中需要频繁更换燃料,更换下来的燃料又需要再生,目前离商业 化还有一定距离[31。
表2.3电动汽车电池的主要性能比较14。l 电池类型 铅酸 镍镉 镍氢 钠硫 安全性 好 好 较好 一般 稳定性 一般 好 较好 较差 能量密度 较差 一般 较好 较好 循环寿命 较差 使用成本 好 环保性 较差

较好 较好 一般

一般 一般 一一般

较差 较好 较好

钠氯化镍

较好 较差 好

较好

较好 好

较好 好

一般

较好 较好 较好

锂电池 锌空气

一般 较差

较差 好



正是由于这些车用电池要么在性能上存在一定的缺陷.要么在技术上还不够 成熟,所以没有一项公认的适用于任何场合的车用电池标准。目前运用在电动车 上的电池还是以铅酸、镍氢、锂电池为主,其中铅酸电池占据较大的市场份额也
一12一

浙江大学硕士学位论文

是由于其价格优势最容易让它被市场所接受的原因。铅酸电池在比能量和比功率 上较之其他电池有较大的差距,但是它技术成熟,可靠性高也是市场容易接受它 的另一原因。镍氢电池、锂电池存性能上要优于铅酸电池,但这两种电池成本过 高,采用这两种电池装配的汽车在售价上要远远高于同等的燃油汽车,这是这两 种电池推广的最大阻碍。不过随着产量的增加,其成本也有持续降低的趋势,其 竞争力无疑也会增强。 电动汽车动力电池除了这几种蓄电池之外,还有一种特殊的电池,就是上文 所提及的绿色动力一燃料电池。与普通的蓄电池不同,燃料电池是通过燃料(如 H2)的电化学氧化和氧化剂(如02)的电化学还原直接产生电流,不但转换效 率高,而且不会对环境造成污染。燃料电池可分很多种,其中质子交换膜电池
(Proton Exchange

Membrane

Full

Cell,简称PEMFC)具有工作温度低、启动

迅速、功率密度高等特点,被认为是电动汽车的理想电源161,目前,PEMFC电 动车是一种唯一能与燃油汽车相媲美的电动车,从环境效应和长远利益考虑,燃 料电池车是未来电动车的主要发展方向之一。但目前燃料电池技术尚未成熟,产 品还没有一个可以被市场接受的价值等式,虽然成本有所下降,但其价格昂贵仍 是一个天文数字(目前1辆进口燃料电池大巴的价格仍高达数百万美元),且安 全供给氢气仍是一个技术难题,此外诸如催化剂资源、复杂的基础设施建设以及 长期运行的可靠性等瓶颈问题仍在困扰着燃料电池电动车的发展。 正是由于燃料电池电动汽车的商业化、普及化还有很长一段路要走,蓄电池 电动汽车必将在相当长的一段时期内和燃料电池电动汽车共存。

2.2铅酸电池(Ⅵ阻A)的特性
铅酸电池由于其在价格和可靠性方面的绝对优势,短时内尚不会退出历史舞 台。本文研究的正是针对阀控式免维护铅酸(Value
Regulated Lead

Acid,简称

VRLA)蓄电池的电动车智能管理系统,该课题在现阶段对电动汽车的发展普及 具有一定的意义
2.2.1

VRLA的电化学反应 铅酸蓄电池的工作过程是一个正负极的电化学反应过程。正负极板上的反应

可以用化学方程式来表示。公式(2.1)、公式(2.2)分别表示了正负极板上的充放电 化学反应过程l引。

Pb02+HS04一+3H++2e.危电PbS04+2H20

(2?1) (2—2)

Pb+HS04-案PbS04+H++2e
一13一

浙汀大学硕士学位论文

公式(2.1)表明电池的正极板上放电时,二氧化铅(PbO,)以极大的速率吸 收外电路电子,并以低价的Pb2+形式在电极的表面形成硫酸铅(PbSO。)。自右 至左的反应是充电:在外电源的作用下,Pb2+释放电子,并与电解液作用形成
Pb02。

公式(2-2)表明电池的负极板上放电时,铅(Pb)以极大的速率融解,在向 外电路提供电子的同时,Pb2+还夺取界面电解液中的HSO。一,形成PbSO。。自右 至左的反应是充电:在外电源的作用下,Pb2+以极大的速率吸收电子,使PbSO。 恢复成活性Pb。 图2.1表示了电池内部结构在充放电过程中的化学反应情况。

放电l





l充电





图2.1铅酸蓄电池基本化学反应

综合公式(2.1)和公式(2.2),整个电池的充放电化学反应式如下:

Pb+2H++2HSO+-+Pb02‘,--舢Erc-2PbS04+2H20(2-3)

式(2.3)表明了在充电时,正极由硫酸铅(PbSO。)转化为二氧化铅(PbO:) 后将电能转化为化学能储存在正极板中;负极由PbSO。转化为海绵状铅(海绵状 Pb)后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时,正极由PbO:变成PbSO。 而将化学能转换成电能向负载供电,负极由海绵状铅变成PbSO。而将化学能转换 成电能向负载供电。
2.2.2

VRLA的失效模式 电动汽车所用的VRLA电池组在运行时会经常深度循环并且大电流放电。

这是与UPS以及备用电源不同之处,在此情况下长期使用的电池组失效几率会
一14—

*zr^学顺L}n&女

大增。

VRLA蓄电池失散是指在使埚过程中,1:到1年甚至2、3个月的时间内其
容量就低十额定值的80%,~般来说VRLA的失效所伴随的特征主要有凹种: 极板硫化、失水干洞、热失控、漏液现象…。 ¨极板硫化

一般伴有少量渗澈或极柱表面结有少量白色硫酸盐晶体。极板腐蚀会导致内
阻增大、端电压升高、容量小足、使用性能明显*怠T斐桑郑遥蹋列畹绯丶

硫化的主要外部原冈是过放电或者欠充电,氏时间的欠充电状志会导致VRLA
蓄电池内部有大量的硫酸铅被吸附到VILLA蒂电池的阴极表面,在VRLA蓄电 池的阴极造成“硫酸盐化”。硫酸铅是一种绝缘体,它的形成必然对VRLA蓄电 池的充放电产生很大的负面影响,而¨在阴极上形成的硫酸盐积累会越来越多. VRLA电池内阻会进一步增大,最终导致VRLA蓄电池的失效。 VRLA电池电解液中的硫酸铅(PbSO。)始终处F饱和状态。硫酸钳是难溶

物质,存溶液巾遵守溶度半衡规则,即[Pb“¨s0。’】=K,其中K为常数。电
解液中硫酸铅的溶解与沉淀处于*衡状态, 深度放电之后的硫酸密度。 如果极板硫化长期得不刮解决,将导致VRLA蓄电池的极板上形成硫酸铅, 堵塞极板的微扎,妨碍电解液的渗透作用,是内板的活性物质小能很好地参加化 学反应,导致容量*担钪赵冢郑遥蹋疗蔚绯氐募澹绦纬刹蝗芙獾牧蛩崆 晶,如图2—2所示使得极板内部的活性物质小*洌郑桑蹋蹋恋绯厥А 般电池放电开始的硫酸擀度远大于

蒸 蠢
q%、≯叶h■卜露一
a)低放电宰 (b)高放电率 图2-2低放电速率和高放电速率时硫酸铅的沉积情况18j

循环使用时电池的主要失效模式是正极板活性物质的脱落。正极板活性物质 主要以两种形态存在:斜方晶系斗Pb02,正方晶系B—Pb02。a.Pb02结晶较粗,
一15一

浙rl_^f婀L学n呛女

其尺、j约为1“m,“一Pb02的州格结构比较稳定,小容易脱落:B—Pb02的结晶较 细,其尺寸约为o 59m,B—Pb02的网格结构不稳定,根容易破坏。随着电池的循

环充放电mPb02逐渐转变为B—Pb02,这样正极活陛物质之间的联系就被削弱,
活性物质很容易脱落,正极板的容量下降,进而导致电池失效口l。 文献f91对VRLA电池在犬电流充放电时循环使用时的失效模式进行了实验

研究,验证了上述理论分析的正确性。文中的采用24节12V/33Ah的VRLA电
池串联组成电池组。电池组的放电电流4 200A--250A之间,放电时间持续10s, 之后将电池静置50s,最后用展大为100A的电流对电池充电20s。这样不断循环 直到电池失效。

2竺5

№^口&。10%

(b)火效电池正极活性物质的结构 图2-3新电池和失效电池正极活性物质结构I


6一

浙江大学硕士学位论文

电池失效后,文献【9】对新电池和失效电池的正极板活性物质结构进行了分 析。图2.3为活性物质的电子显微镜下的结构图。可以看出,在新电池中,活性 物质主要以Q.Pb02的形式存在,相互之间的联系很紧密:在失效电池中,活性 物质呈现椭圆状,晶体的直径较小,晶体结构很疏松,这是13-Pb02的典型形态。 正是B-Pb02疏松的结构导致了活性物质的脱落并使电池失效。 2)VRLA电池失水干涸 失水是VRLA蓄电池特有的贫液结构有关。VRLA蓄电池的水分损失相当 于VRLA电池的容量损失,如果水分损失过大过快,则将使VRLA电池干涸而 提前失效。 在VRLA电池中,放电时,二次反应不会发生。充电时以及静止时,还存 在以下二次反应: >负极板析出氢气; >负极板氧气的复合; >正极板析出氧气; >正极板腐蚀。 用化学反应方程式表示,上述四个二次反应可分别表示为: 2H++2e专/42 (2-4) (2?5) (2-6) (2-7)

D2+4H++4ej2皿D 24D—q+4H++4e
Pb+2H20-->Pb02+4H。+4e

虽说正常状态下VRLA电池内部氧气的复合率可以达到98%,但是仍然有 2%的氧气从电池内部析出,这部分氧来源于电解水反应,虽然量小,但是长时 间的积累后数量就非常客观了。 VRLA密封不好也是造成充电过程逸出气体的重要原因,尤其是均衡充电和 补充充电时,由于充电电压提高了,析氧量也随之增大。 另外,VRLA蓄电池正极板栅腐蚀,使得正极板栅的铅转化为二氧化铅,所 需要的氧原子来自于电解液中的水,因此也会消耗一部分的水分。

3)VRLA电池热失控 VRLA蓄电池的寿命和性能与VRLA蓄电池内部产生的热量密切相关。在
一17一

浙江人学硕士学位论文

浮充方式工作时,VRLA蓄电池内部的功率消损耗等于浮充电压与浮充电流的乘 积;在以恒压方式充电时,浮充电流随温度的上升而增大,增大了的浮充电流又 会产生更多的热量,从而是温度进一步上升。如果VRLA蓄电池内部热量产生 的速率超过了VRLA蓄电池在当时条件下的散热能力,VRLA蓄电池的温度会 持续上升,致使VRLA蓄电池的塑料外壳变软,最后导致外壳鼓胀甚至破裂熔 化。 造成VIUA电池热失控的外部原因是:环境温度异常升高,使充电电流增 加,热*衡被打破;充电电压异常升高,使得充电电流增加,热*衡被打破,形 成热失控。 随电池失水后,电池内部的电解液含量逐渐减少,相应热容量降低,欧姆内 阻增大,由于氧气在负极的复合反应是放热反应,产生的热量如小能及时向外界 释放,电池温度将上升:温度升高会进一步加速氧气的复合放热反应,这将促使 电池温度进一步上升,严重的时候会导致热失控。国内摩托车行业配套使用 VRLA电池的初期,经常发现部分电池使用一段时间(4~6个月)后便变形鼓胀, 无法正常使用。追踪调查表明,绝大部分是由于摩托车的充电器仍沿用普通富液 式电池的设计,充电电压有的高达16 ̄18V,过充电造成电池失水和热失控。 4)VRLA蓄电池漏液 VRLA蓄电池漏液与电解液量的关系。VRLA蓄电池是采用贫液设计的,为 使正极产生的O,通过VRLA蓄电池内循环在负极上得到最大程度的复合吸收, 以此完成VRLA蓄电池内部气体的再化合,维护电解液中的水*衡。如果电解 液量过多,会使内部气体再化合通道受阻,VRLA蓄电池内部气体增多,压力增 加,容易在VRLA蓄电池密封的薄弱部位产生漏液。 运行经验表明,VRLA蓄电池壳盖之间密封处、极柱端子、安全阀密封处容 易发生漏液故障。这是因为目前国内极柱端子的密封普遍采用先将极柱与 VRLA蓄电池盖上的铅套管焊接在一起,再灌上一层环氧树脂胶密封。使用3~ 5年后漏液问题就开始显现。通常,专业人员都称之为“爬酸现象”,实际上是 由于极柱早已被腐蚀,硫酸沿着腐蚀通道在内部气压的作用下,流到极柱表面并 腐蚀极柱形成白色的硫酸盐粉末。
2.2.3

VILLA电池失效的防止措施11肛11l 由于VRLA电池的早期失效问题的严重性,在使用过程中,需要做到及时

检测、及时让智能管理系统根据检测的数据做出参数调整。其中,对于温度的管 理要做到调整快速,防止高温、低温对电池性能的影响。当温度超过设定的范围 时,应该发出警报,由特定人员进行查明原因后方可再行使用。在不同季节、不
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浙}I:大学硕士学位论文

同环境温度下应对充电器的浮充电压进行补偿。补偿值由厂家给出。切小可过充。 对于VRLA电池组放电时限为10h,为了避免VRLA蓄电池的深度放电,造成 VRLA电池活性物质不能还原,建议设定终止放电的门槛值。当然对于纯电动汽 车而言,需要及时检测各个电池的电压,做到及时充电,并且均衡充电。 针对正极板栅存在着腐蚀和变形的必然性,应采取以下技术措施减缓正极板 栅的腐蚀和增长,保证电池的使用寿命。 1)正板栅的腐蚀可以通过选择合金、晶型、制造方法和改变充电或维持电 极的浮充极化来控制。 2)增加正极板栅的厚度,保证VRLA电池板栅的工作年限。 3’)采用更耐腐蚀的板栅合金材料,如低钙高锡Pb.ca合金比普通Pb.ca合 金耐腐蚀性好,抗蠕变强度也明显增加。 4)在电池设计上采用玻璃棉隔板紧装配或胶体电介质使电极承受压力,提 高板栅的机械支撑力。 针对VRLA电池的干涸现象,应该对正板栅合金材料的耐蚀性及极板厚度 的设计,都应该慎重考虑。根据以上原因采取措施如下: 1)选择高孔隙率的超细玻璃纤维隔板,孔隙率在93%以上,为氧的复合提 供通道。 2)采取定量灌酸,使玻璃棉隔板在吸收电解液以外,仍有5%~10%的孑L隙 率未被电解液充满。 3)高纯度Pb.ca.sn.AI无锑板栅合金,因为Pb.Ca合金比Pb.Sb合金有较 高的析氢过电位,降低了因板棚腐蚀而析出氢气的可能性。 4)让负极有多余的容量,即比正极多出10%的容量,防止氢在负极析出, 氢气大量析出是无法再复合的。 5)安全阀:开阀压力精密可调,长期使用安全阀开阀压力不变,安全阀中 装有滤酸片,具有阻燃及防爆功能。 对于热失控,了解了它的形成原因后,需要采取的措施有: 1)采取恒压限流的充电方式,防止电池的过充电。 2)高频开关电源设置的均充电压值和浮充电压值不能高于蓄电池厂家所 规定的数值。浮充电压应合理选择,浮充电压是蓄电池长期使用的充电 电压,是影响电池寿命至关重要的因素。一般情况下,浮充电压定为 2.23V/单体(25℃)比较合适。 3)在电池设计和制造中尽量减小电池的内阻,如正负极间距要小、电池要 紧装配等。
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2.3充电方式对VRLA电池的影响【-}211
对于VRLA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斯理论来设定充电参数的综合 充电方式。 2.3.1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VRLA电池端电压为2V,一般将充电电压设为2.35V ̄2.5V之间,具 体数值需要查看VRLA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24所示。

时问 图2-4恒压充电方式下的电压电流、波形图

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VRLA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*先菀资迪郑 本低。因此,恒压充电一般用在小容量、低电压(VRLA电池单体)电池的充电 场合。
一20—

浙江人学硕士学何论文

2.3.2恒流充电方式【22】 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,是为了避免到充电到一定程度后,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VRLA蓄电池内部析气较多,效率低。图2.5 示为单一恒流充电方式的电流电压波形图。

图2-5单一恒流充电模式

而分段恒流充电在一个充电周期中的充电电流是分阶段变化的,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2-6所示。

髓铷

图2.6分段恒流充电模式

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
--21‘-I’

浙汀大学硕士学位论文

流长时间充电。

2.3.3两阶段充电方式
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VRLA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,知道 充电过程结束。其电压电流波形如图2.7。 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2.7两阶段充电方式

甘寸棚

2.3.4三阶段充电方式 三阶段的充电方式是由二阶段(恒压限流)充电方式发展而来的。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2.8 所示。 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 充更准确地说应该是蓄电池的一种运行方式。它是直流电源系统中,与整流器设 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下,充放电循环次数少,自放电和深放电的容量又能 及时补足,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
一22一 厶£

浙}I:大学硕士学位论文

能量。同时,应保证在相对较短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电而造成的损坏达到最低程度。因此,选择恰当的浮充电 压对于蓄电池的使用寿命来说是至关重要的。





o秘M

图2-8三阶段充电方式电压电流波形图

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,浮充电压增加O.1V,VRLA电池的寿命将减少*半。因此, 选取浮充电压一般选取厂家推荐值的下限,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,以一4InV/。C作为补偿系数。 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【2蝴】。
2.3.5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d,贝tJN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VRLA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2-9所示:

一23—

浙江大学硕上学位论文

(a)正脉冲充电

(b)正负脉冲充电

图2-9脉冲充电电流波形

11去极化【3J VRLA电池的极化分为三种:(1)、电阻极化,主要由极板电阻、电解液电 阻引起;(2)、浓差极化,这是由于正负极板表面电解液的浓度变化,使得电极 电位偏离*衡电位;(3)、电化学极化,由于电极反应过程中的迟缓特性,阻碍 了整个电极反应的进行,引起电极电势的变化,称为电化学极化。严重的极化 会导致电池内部析气严重,充电效率急剧降低。 采取脉冲充电可以较好地抑制极化的产生。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。 2)去硫酸盐沉积例 正如上文所述,经历高放电率放电的铅酸电池。由于反应过程主要在极板

表面进行,负极板表面会形成一层致密的硫酸铅晶体层。该晶体层阻止了椰D4一
进入极板内部,减小了有效反应面积,负极板的容量急剧减少。且在充电时, 若采用普通的恒流充电,该硫酸铅晶体层很难转换为活性铅,电池的可充电性 能急剧下降。 如果充电电流是脉冲电流,则情况不同。脉冲电流可以看成是一系列频率交 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。集肤深度可以用下式表示:

D=

(2—8)
一24一

浙江大学硕士学位论文

其中,P是导体电阻率(铅为:2.053x10。Q.m),p是导体的磁导率,对于 非铁磁材料电池极板,可以认为是自由空间磁导率,f为频率。 显然,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 酸铅能够得到电子,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层能够全部转换为活性铅。

2.4本章小结
本章主要讨论了电动汽车蓄电池的性能特性。在本章开始介绍了目前电动车 用蓄电池组的性能指标以及材料特点。分析了不同的车用蓄电池在不同场合下的 优劣,并介绍了车用蓄电池的发展方向。 VRLA(免维护阀控铅酸蓄电池)是铅酸电池发展的一个标志,也是铅酸蓄 电池在各种场合应用广泛的原因。它不仅价格低廉,而且使用寿命有保障,维护 起来也比较方便。正因为如此,本文所介绍的电池管理系统就是针对VRLA电 池所设计的。 本章着重分析了VRLA蓄电池的电化学特性、失效机制以及如何避免它的 失效。最后,详细介绍了目前大多电池厂商以及用户所采用的充电方式对VRLA 蓄电池的寿命影响,并胃.分析了各个充电方式的优缺点。

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Jackson,Robert V RAPID CHARGING OF BATTERIES.US

patent,3614583

【2 1】Burkett W'Bigbee
3,597,673

John H.RAPID CHARGING OF

BATTERIES.US

patent,

【22】丁昂.阀控式免维护铅酸蓄电池脉冲充电技术及其智能管理:【学位论文】. 杭州:浙江大学电力电子系,2006 【23】Bhatt M,Hurley W G,Wolfle W H.A New Approach to
Valve-Regulmed Transactions
on

Intermittent Charging of Applications. IEEE

Lead—Acid

Batteries

in

Standby

Industrial Electronics,2005,52:1337—1342 A.The Effects of Intermittent Charging
on

【24】Waltari P,Suntio T,Tenno
Conference,2002

VRLA

Battery Life Expectancy in Telecom Applications.Telecommunications Energy

—27—

浙江大学硕士学何论文

第3章车内管理系统~状态检测系统
本文针对VRLA蓄电池组所设计的电动车蓄电池管理系统分为两个部分一 一车内部分和车外部分。车内部分包括状态检测系统和均衡充电模块。状态检
测系统负责实时监测车用VRLA蓄电池单体的状态,通过采集的电池单体状态 量预测电池容量、电池寿命。同时将采集的电池单体状态参量通过人机接口显 示给驾驶员,如果某参量越过警戒值,则向驾驶员发出警告,由驾驶员决定是 否继续运行车辆。 状态检测系统是VRLA电池组管理系统的关键部件之一,唯有检测精准, 才不会因为过充、欠充电损坏电池组。本章详细介绍了置于车内的状态检测系 统。

3.1电池单体电压的测量方法介绍
对于串联的蓄电池组,目前常用的几种测量单体电池的方法有共模测量法、 差模测量法。而差模测量法又分为开关切换法、V,F转换无触电采样法以及浮 动地技术测量法。本节详细介绍了这几种方法,并且针对本文的应用场合,做 了一定的改进,采用了直接测量的方法,实际的采样精度也大大提高了。 3.1.1共模测量法 共模测量是相对于同一个参考电位的,用了精密电阻等比例衰减各测量点 的电位,然后依次相减得到各节蓄电池单体电压。在笔记本电脑的电池管理系 统中就常用到此种测量方式。如下图所示便是共模测量法,高精度的AD只用 采集A、B两点的电位,然后相减得到的便是E1两端的电池端压。

E1

E2

图3-1共模测量法【IJ 一28—

浙江大学硕士学位论文

此方法电路比较简单可靠,但是测量精度却不高。例如,32节标称电压为 12V的蓄电池,单节电池测量精度为O.5%的测量系统,单节电池测量的绝对误 差为±60mV,32节串联累计的绝对误差可以达到1.92V,显然,其相对误差可 以达到16%,这个误差在很多情况下是不容允许的。这种方法也只适合串联电 池数量较少或者对测量精度要求不高的场合。 3.1.2继电器切换采样法12l 差模测量法是通过电气或者电子元件选通单节电池进行测量,当串联电池 数量较多而且对测量精度要求较高时,一般采用差模测量方法。继电器切换采 样法也属于差模测量方式的一种。 传统的比较成熟的测量方法是用继电器和大的电解电容做成隔离处理,原 理如图3.2所示。 其基本的测量原理为:首先将继电器闭合到1侧,对电解电容进行充电; 测量时把继电器闭合到2侧,将电解电容和蓄电池隔离开来,这样只需要测量 电解电容上的电压便可以得到相应的蓄电池上的电压,这个方法原理简单,并 且造价低廉,不过继电器动作较慢,电解电容充放电太频繁,使用寿命会减少, 可靠性不高。


图3.2传统继电器切换单体电池电压测量法

3.1.3开关切换法 这种方法与继电器切换法比较类似。仅用一片AD芯片就可以实现对所有 的单体电池电压的测量,当需要测量电池组中的某一节电池电压时,只需要通 过相应的开关组件接通AD转换芯片即可。系统构成如图3.3所示。 这种方法的缺点是需要利用很多开关组件,控*衔丛樱煽啃圆桓撸 此外,开关一般采用MOS构成,其导通压降不可忽略,这也会影响测量精度,
一29—

浙汀大学硕士学位论文

虽然MOS的压降可以通过软件进行补偿,但是其补偿精度有待验证。

图3-3开关切换法

3.1.4Ⅷ转换无触点采样法131
V/F转换法的原理图如图34所示,其工作原理如下:单节蓄电池采用分 别采样,取单节蓄电池的端电压经过分压(降压)后作为V/F转换的输入,分

压电阻的分散性可以通过Ⅵ转换电路调整。V/F转换信号输出通过光电隔离
器件送到模拟开关,处理器通过控制模拟开关采集频率信号。数据采集电路与 数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术,实现两者之间电气上的隔离。 但是采用V/F转换作为A/D转换器的缺点是响应速度慢、在小信号范围内 线性度差、精度低。

蓄 电


图3-4V/F法原理图

一30—

浙江大学硕士学位论文

3.1.5浮动地测量法 由于串联在一起的电池组总电压达几十伏,甚至*俜对陡哂谀D饪 的正常工作电压,因此需要使地电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测 量正常进行。测量时窗口比较器自动判断当前地电位是否合适。如果正好,启 动AD进行测量;如果太高或太低,则通过控制器经DA对地电位行浮动控制。 其原理图如图3.5所示。 每次工作时,先由模拟开关选通,使其被测电池两端的电位信号接入测试 电路,此信号一方面进入差分放大器,另一方面进入窗口比较器,在窗口比较 器中与固定电位Vr相比较。从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量 地的电位是太高还是太低或者正好(相对于Vr)。如果正好,则可以启动A/D 进行测量。如果太高或太低,则通过控制器对地电位进行浮动控制。 该方法虽然可以达到较高的测量精度,但是地电位经常受现场干扰发生变 化,不能对地电位进行精确控制,影响整个系统的测量精度。

图3-5浮动地测量法

3.2电池端压测量研究设计
本文采用了直接测量法对单节VRLA蓄电池进行测量,给每节单体电池都 配备一块AD转换芯片,通过A/D转换将电池的电压模拟信号转换为电压数字 信号然后经过光耦隔离,将数字信号送入微处理器(MPU)处理。示意图如图 3-6所示。这里采用的AD转换芯片是1rI公司生产的ADC7888,为8位的串行 转换芯片,带内部电压基准,该转换芯片用法简单,且和同系列的10位、12 位AD转换芯片管脚完全兼容,给系统升级留下了空间。
一3l一

浙江人学硕士学位论文

AT89C52

ADC7888 ~ 一d


电池

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单片机

图3.6本文所用直接采样示意图【Il

该芯片通过光耦和单片机进行电气隔离并传送数字信号,单片机向AD转 换:占片发送控制和时钟信号,AD转换芯片向单片机传送转换结果。这种方法 采样精度高,且控制系统和电池组通过光耦和电池组进行隔离,安全可靠。当 然,其缺陷是每节电池都需配备一篇AD转换:芯片,成本较高。不过,由于这 种采样电路的精度较高,允许采用较低精度(如8位)的AD转换芯片,因此 其整体价格依然可以控制在较合理的范围之内。 3.2.1端压测量设计 本文所研究设计的电池智能管理系统用于电动汽车上,电动车上配备的 VRLA蓄电池一共有三组,三组并联。每一组有32节单体VRLA蓄电池,32 节串联。每节VRLA单体蓄电池标称12V,一共96节VRLA都需要进行测量 其端电压。 为96节VRLA电池进行测量端压,这是个庞大的测量系统,所以本文将 采样分为三块,每块采样板负责采集32节串联的VRLA电池端压。每一节单 体电池的测量电路如图3.7所示。

B1



B1



图3.7单节电池测量图

一32一

浙江大学硕士学位论文

在图3.7中U29A为运放LM358,它的供电电压范围宽广,从3V到30V【4J, 将其输出电压的全部反馈到反相输入端,就构成了上图中的电压跟随器。电路 中引入了电压串联负反馈,其反馈系数为l。其输出电压与输入电压相等。 理想运放的开环差模增益为无穷大,因而电压跟随器具有比射极输出器好 得多的跟随特性【5】5。由于ADC7888芯片的供电电压为2.35V-5.25V【61,这里我 们设定其供电电压为4.1V,即Vdl=4.1V。为了使得每组32节VRLA电池的 模拟参考电压一致,即每片ADC7888的供电电压一致,本文采用了稳压管 LM4040的输出作为ADC7888的供电输入。这样,单节VRLA电池输入定要 经过分压,使得其电压小于ADC7888的供电电压4.1V才能保证测量系统正常 工作。所以如图3.7所示,单节电池电压通过分压电阻分压后,得到标称12V 的VRLA电池电压的六分之一,然后通过电压跟随器进入到ADC7888进行数 模转换。 设定运放LM358的供电电压为5V,同样通过三端稳压管7805后接到 LM358的Vce+端。这里需要注意的是,由于32节VRLA电池串联后,电压达 到数百伏,而且每节电池的参考电压电位都不一样,所以不能统一地将LM358 的Vec.端接到一起,而是应该将其接到相应的每节电池的负端。
3.2.2

A/D芯片选通信号的产生 在本文研究的检测系统中,每块采样板需要采集32节单节电池的端电压信

号,而我们所采用的控制单元——AT89C52单片机的IO端口有限,51系列的
单片机中一共只有4个并行I/O口,其中P0口、P2口还需要做数据和地址总 线,剩下的I/O口资源十分有限。

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图3-8译码扩展原理图 一33一

浙江大学硕士学位论文

系统需要对AT89C52进行I/O扩展。这里采用译码法,采用74LSl38译码 器,每片可以选择8个地址,所以4片译码器即可选择一块采样板上的32个 ADC7888了。采样原理图如图3.8所示。 单片机的P0.2、P0.3、P0.4用来产生第1~8节蓄电池的片选信号;P0.5、 P0.6、P0.7用来产生第9 ̄16节蓄电池的片选信号;P1.O、P1.1、P1.2用来产生 第17~24节蓄电池的片选信号;P1.3、P1.4、P1.5用来产生第25~32节蓄电池 的片选信号。 将AT89C52的P0.0设为所有4片译码器的使能端G2,G1端直接连接到 Vee,只有当G2为低时,译码器才工作。表3.1为74LSl38译码器的真值表, 从表中可以看出,若选中哪节电池,由译码器所给出的电*信号为低。
表3-I

74LSl

38译码器真值裂7l

输入 使能
G1 X L H H H H H H H H G2 H X L L L L L L L L C X X L L L L H H H H

选择
B X X L L H H L L H H A X X L H L H L H L H Y0 H H L H H H H H H H Yl H H H L H H H H H H Y2 H H H H L H H H H H Y3 H H H H H L H H H H Y4 H H H H H H L H H H Y5 H H H H H H H L H H Y6 H H H H H H H H L H Y7 H H H H H H H H H L

输出

本可以用此信号去作为ADC7888的选通信号,但是每节电池的负极并不 是接在一起,而且在电池与单片机之间需要进行隔离,所以采用TLP521—4来 进行光耦隔离。共32节电池,所以需要8片TLP521 4,每片中有4个光耦单 元。其原理图如图3-9所示。例如选通了第一节电池,则其对应的译码器端口 拉低,C1为低电*,Ul中的第一个光耦单元原边有电流流通,二极管导通, 副边三极管也导通,CSI信号瞬间被拉到B1 2,即CSl的电*与第一节电池 的负端相等,第一片ADC7888被选通,开始处于工作状态。 3.2.3采样时钟信号 每一片A/D转换芯片ADC7888都需要一个时钟信号,但是每块ADC7888
—34—

浙江大学硕士学位论文

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图3-9


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ADC7888片选信号的产生

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图3.10时钟信号的发生

都是不共地的,所以仍然需要32路时钟信号。这里,我们将单片机的PO.1端
一35—

浙江人学硕士学位论文

13专门设为clock信号的发生端口,在光耦原边统一发送时钟信号,至于采样 那一节电池的电压信号,则有选通信号来控制。在光耦的副边,发射极接对应 每节电池的负端。其原理如图3.10所示。 3.2.4电压数字信号采集 ADC7888是8位串口A/D转换芯片,通过其输出串口SD端传给单片机的 I/O端口。这里一共32路信号,为了节省单片机的I/O端口,我们将每四个电 池数字信号化为一组,使用一个单片机端口进行接受电池电压信号,这样一共

8组分别使用单片机端口P2.肚P2.7进行接受。虽然一组4节电池用同一个单片
机端口去接受,但是通过软件的设计,我们可以选择任意一块电池的端压数字 信号进行接受而不至于产生混乱。单片机接受电池数字信号的示意图如 图3.1l所示。

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图3.1l单片机接受电池数字信号原理图充放电电流检测

3.2.5软件设计 采样部分的软件流程图如图3.12所示,采样控制器控制32个A/D转换:占
一36一

浙江大学硕士学位论文

片逐一对32路信号进行采样,并且存放数据到相应的数据单元。一直循环采样 直到串行中断的来临,中断子程序是将所有的采样数据依照上位机的要求传送 给上位机的通讯程序,将在下一章的通讯部分详细写出。

(二塑)

图3.12采样流程图

3.3电池温度检测
温度的测量对于电动车蓄电池管理系统来说无疑是很重要的一个环节,通 过单节电池温度的变化,反映了VRLA电池的状态,若温度过高,则应该停止 电池的充放电工作,来保护电池不受损害。 在本系统中,由于电池数目多,需测量的温度点亦很多,故希望尽可能地 简单化温度测量系统的线路。系统采用了DS 1 820型温度传感器。
3.3.1

DSl820介绍lpl* DSl820是美国DALLAS公司推出的数字温度传感器,传感器及相关的数

字转换电路都被集成到了一起,外形如同一只三极管,具有微型化、低功耗、 高性能、抗干抗性强等优点;它采用独特的单线接口方式,与单片机连接时, 仅需一根数据线:由于每片DSl820均有唯一的产品号,所以允许在单总线上 挂接数十至*倨质酱衅鳎庋梢苑浅7奖愕毓钩啥嗦肺露炔饬肯低场
一37—

浙}[大学硕士学位论文

存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式洲)、用于存储用户设定的温度上
下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生 器等七部分。其内部框图如图3.13所示。

DSl820内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、

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图3.13 DSl820内部框图

DSl8820测温原理:低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号,通过由高温系 数振荡器产生的门开通周期而被计数,通过该值来测量温度。计数器被预置为 与.55℃对应的一个基数值,如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前 计数到零,表示测量的温度高于.55℃,被预置在.55℃的温度寄存器的值就增 加一个增量。同时为了补偿温度振荡器的抛物线特性,计数器被斜率累加器所 决定的值进行预置,时钟再次使计数器计数直至零;如果门开通时间仍未结束, 那么重复此过程,直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度寄存器 中的值就是被测的温度值。 33.2硬件设计 一般情况下,DSl820有两种连接方法,一种是采用寄生电源供电方式, 将Vdd接地,如图3.14(a)所示,另一种为外接电源供电方式,如图3.14(b)所 示。寄生电源供电利用DSl820内部的电容来提供能量,如果一线上挂接了多 块DSl820,则读取温度的子程序需要进行转换精度配置和高低限警报等操作,

会复杂一些,所以采用这种方法时,总线上接的DSl820不易过多,适合在采
用少量DSl820的简易装置中使用。而外接电源供电方式,带负载能力强,抗 干扰能力较强,所以较为适合在本系统中采用,总线上挂靠32片DSl820,逐 一采样。
一38—

浙江大学硕士学位论文

一线饲设备

(a)寄生电源供电方式

线割设备

(b)外接电源供电方式 图3.14
DSl

820两种连接方式【151

在系统中,我们采用单片机P2口的P2.3作为控制器与温度传感器DSl820 总线的接口,系统连接图如图3.15所示。

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DSl820硬件设计图

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图3.15

3.3.3软件实现 所有的串行通讯,读写每一个bit位数据都必须严格遵*骷氖毙蚵呒

来编程,同时还必须遵守总线命令序列,对单总线的DSl820芯片来说,访问每
个器件都要遵守下列命令序列:首先是初始化;其次执行ROM命令;最后就 是执行功能命令【161。
一39—

浙汀大学硕士学位论文

如果出现序列混乱,则单总线器件彳i会响应主机。当然,搜索ROM命令 和报警搜索命令,在执行两者中任何一条命令之后,要返回初始化。基于单总 线上的所有传输过程都是以初始化开始的,初始化过程由主机发出的复位脉冲 和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准 备就绪。 在主机检测到应答脉冲后,就可以发出ROM命令。这些命令与各个从机 设备的唯一64


ROM代码相关。

需要注意的是,在系统安装及工作之前应将主机逐个与DSl820挂接,以 读出其序列号。其工作过程为:主机发出一个脉冲,待低电*大于480us后, 复位DSl820,在DSl820所发响应脉冲由主机接收后,主机再发读ROM命令 代码(33H),然后发一个脉冲(≥15us),并接着读取DSl820序列号的一位。用 同样方法读取序列号的56位【13l。图3.16所示为温度测量模块的软件流程。

开始 AT89C52初始化

对DS 1 820发送复位脉冲 发送跳过RoM命令
(CCH)

对所有DS 1 820发送温度转换命令
(44H)

延时ls,发送匹配RoM命令 发送找寻址的传感器 序列号到总线

I--位机显示

竺—<二丽Ds 820读取完隼j


图3.16温度测最的软件流程

一40—

浙汀大学硕士学位论文

3.4充放电电流测量
本系统中,采用采样南京托肯公司生产的TBC50LA采集电池的充放电电 流,该电流霍尔的额定测量电流为50A,测量范围为150A,线圈匝数比为l: 1000,测量电阻范围为30一70Q。测量值经过A/D转换送入控制器进行数字信 号处理。 3.5

SoC估算
我们知道,内燃机带动的车辆都会有一个油量表,显示目前油量多寡的信

息,使用蓄电池作为动力的车辆自然也需要一个剩余容量指示表。另外,在手 机、笔记本电脑等移动设备中,剩余容量的预测同样不可缺少。这个剩余容量 除了让使用者了解还有多少的电量可以使用,避免电池因过度放电而缩短电池 寿命之外,还可以提供信息给充电器,使其选择正确的充电方式,用最快而且 安全的方法将电池回复到充饱的状态,并且不会因过度充电而破坏电池。所以 对于剩余电池容量的估算就显得异常重要了f1刀。

充电完全

放电完全

图3.17不同电池容量的定义比较117l

电池的荷电状态SoC(State

of

Charge)用来反映电池的剩余容量,即电池

的供电能力,其数值上定义为电池可用容量,即剩余容量占电池充满电时的容 量的比值。通常把一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为SoC等

于100%,而将电池再不能放出能量的状态定义为SoC等于0%。SoC定义如

下,其中c—in为剩余容量,cfIIIl为满充时电池所含容斟1射。

一41—

浙江人学硕士学位论文

勋C=—i'er—tlaln
c删

(5.1)

对于C彻l,我们可以认为它等于标称容量CN(由生产商提供),或等于测

量容量CM(随应用时间增加而改变),又或者取实际容量CP(在特定运行条件
下所能获得的电池容量)。为了容易理解,我们将这些参数的关系描述如 图3.17所示。
3.5.1

SoC预测方法介绍117’删

SoC是不能直接得到的,只能通过对电池外特性——电池电压U、电池电
流I、电池内阻R、电池温度。等参数的检测来推断SoC的大小。目前国 内外常用的估计电池SoC的方法主要有以下几种: 1)放电实验法 放电实验法是最可靠的SoC估计方法,采用恒定电流进行连续放电,放 电电流与时间的乘积即为剩余电量。放电实验泫在实验室中经常使用,使用于

所有电池,但它有2个显著缺点:①需要较长时间:②电池进行的工作要被迫
中断。

2)安时(Ah)计量法【1她o】 Ah计量法是最常用的SoC估计方法。如果充放电起始状态为勋c0,那
么当前状态的SoC为:

SoC=SoCo一÷Iid,.,dr L舢b



,.

(5-2)

Ah计量法应用中的问题有:电流测量不准,将造成SoC计算误差,长期 积累,误差越来越大;要考虑电池充放电效率;在高温状态和电流波动剧烈的 情况下,误差较大。电流测量可通过使用高性能电流传感器解决,但成本增加; 解决电池充放电效率要通过事前大量实验,建立电池充放电效率经验公式。Ah 计量法可用于所有电动汽车,若电流测量准确,有足够的估计起始状态的数据,

它是一种简单、可靠的SoC估计方法。
3)开路电压法【1.17~18】

铅酸蓄电池而言,在其性能完全稳定的时候,其开路电压与剩余电量存在
很明显的线性关系,而且这种线性关系受环境温度以及蓄电池的老化因素影响

很小。开路电压与剩余容量关系可由下式表示:

一42—

浙江大学硕士学位论文

勋C=尘L二
a——b

(5.3)

其中VB0为电池开路电压,a为满充时的开路电压,b为充分放电时的开 路电压。这三个量中,只要确定了一个量,另外两个量的大小便可确定,不过 数量大小随着不同的蓄电池生产厂家而略有不同。 电池放电过程中存在浓差极化现象,使得电池的开路电压的动态特性变得 很差。在电池充放电之后,往往需要很长一段时间(5个小时以上),这个开路 电压值才会是准确的。对于我们要实时得知剩余容量来说,这个方法是不可行 的,而且也不适合作为充电时电池充满的依据。 4)内阻法 根据有关资料介绍,极板和电解液的欧姆电阻占铅酸蓄电池总欧姆内阻的 80%以上。在蓄电池的老化进程中,极板的硫酸盐化、活性物质的脱落、电解 液的干涸等随时间推移而加剧,这些变化会导致蓄电池容量的减少,同时使蓄 电池欧姆电阻呈逐渐增加的趋势。由此可见,蓄电池欧姆内阻可作为表示其容 量和完好性的有效指标。在蓄电池的老化过程中,其内阻的上升明显早于充电 时端电压的提高,直到内阻上升了60%以上时,端电压才有明显的增大,而 端电压的增大正是电解液干涸的表现,因此,内阻具有很好的预测性。 电池内阻有交流内IjH(impedance,常*涣髯杩梗┖椭绷髂谧瑁ǎ颍澹螅椋螅簦幔睿悖澹┲ 分,它们都与SoC有密切关系。电池交流阻抗为电池电压与电流之间的传递 函数,是一个复数变量,表示电池对交流电的反抗能力,要用交流阻抗仪来测 量。电池交流阻抗受温度影响大,是对电池处于静置后的开路状态,还是对电 池在充放电过程中进行交流阻抗测量,存在争议,所以很少用于实车上。 直流内阻的大小受计算时间段影响,若时间段短于lOms,只有欧姆内阻 能够检测到;若时间段较长,内阻将变得复杂。准确测量电池单体内阻比较困 难,这是直流内阻法的缺点。内阻法适用于放电后期电池SoC的估计,可与 All计量法组合使用。 51卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波理论的核心思想,是对动力系统的状态作出最小方差意义上的 最优估计,电池被看成动力系统,SoC是系统的一个内部状态。电池模型的一 般数学形式为:

状态方程:X¨=AkXk+BkUk+W:=f(Xk,Uk)+Wrk 观测方程:K+l=CkXk+Ⅵ=g(Xk,Uk)+vk

(5-4) (5-5)

系统的输入向量Uk中,通常包含电池电流、温度、剩余容量和内阻等变量,
?---43??—-

浙江入学硕士学位论文

系统的输出Ⅵ通常为电池的工作电压,电池SoC包含在系统的状态量X。中。 f(X。,U。)和g(Xk,Uk)都是由电池模型确定的非线性方程。在计算过程中要进 行线性化。估计SoC算法的核心,是一套包括SoC估计值和反映估计误差的、 协方差矩阵的递归方程,协方差矩阵用来给出估计误差范围。这一方程是在电 池模型状态方程中,将SoC描述为状态矢量的依据:

舳c¨:SOCr一业出坐 …‘ C

(5—6)

卡尔曼滤波方法估计电池SoC的研究在*年才开始。该方法适用于各种 电池,与其他方法相比,尤其适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池SoC 的估计。它不仅给出了SoC的估计值,还给出了SoC的估计误差。该方法的 缺点是对控制器的计算能力要求比较高。 6)模糊推理和神经网络法 电池是高度非线性的系统,对其充放电过程很难建立准确的数学模型。模 糊推理和神经网络具有非线性的基本特性,具有并行结构和学*能力,对于外 部激励,能给出相应的输出,故能够模拟电池动态特性,以估计SoC。 估计电池SoC常采用三层典型神经网络模型:输入、输出层神经元个数 由实际问题的需要来确定,一般为线性函数;中间层神经元个数取决于问题的 复杂程度及分析精度。估计电池SoC,常用的输入变量有电压、电流、累积放 出电量、温度、内阻、环境温度等。神经刚络输入变量的选择是否合适,变量 数量是否恰当,直接影响模型的准确性和计算量。 在上文中,介绍了国内外几种常用的SoC预测方法,先将其对比列为表格, 如表3.2所示。
表3-2 SoC方法比较1291

方法 放电实验法

特点 需要大量时间,电池进行的工作要被迫中断,不适合行 驶中的电动汽车,可用于电动汽车电池的检修 (1)电流测量不准,将造成SoC计算误差,长期积累, 误差越来越大,虽然电流测量可通过使用高性能电流 传感器解决,但成本增加; (2)在高温状态和电流波动剧烈的情况下,误差较大: (3)要考虑电池的充放电效率,解决电池充放电效率要通 过事前大量实验,建立电池充放电效率经验公式; (4)估计的起始状态难以获得。

Ah计量法

一44—

浙江人学硕^上.学位论文

(1)需要电池长时间静置,以达到电压稳定,电池状态从工 作恢复到稳定,需要几个小时甚至十几个小时,这给 开路电压法 测量造成困难; (2)静置时间如何确定也是一个问题,所以该方法单独使 用只适于电动汽车驻车状态。 (1)剧烈波动的电池电压给负载电压法应用带来困难; 负载电压法 (2)解决该问题,要贮存大量电压数据,建立动态负载电压 和SoC的数学模型。

(1)交流阻抗受温度影响大,是对电池处于静置后的开路 状态,还是对电池在充放电过程中进行交流阻抗测 量,存在争议,所以很少用于实车上; 内阻法 (2)直流内阻的大小受计算时间段影响,若时间段短于 10ms,只有欧姆内阻能够检测到;若时间段较长,内 阻将变得复杂,准确测量电池单体内阻比较困难。 适用于低电流、SoC缓变的情况,变电流情况 的估计效果要进一步研究。

线性模型法

需要大量的参考数据进行训练,估计误差受训练数据和 神经网络法 卡尔曼滤波法 训练方法的影响很大。 对硬件配置的能力要求较高。

3.5.2本文采用的SoC估算方法11l 本课题组采用的是一种新型的SoC估算方法,在文献【l】中已有详细论述。 它是一种新的同时基于AH定律、Pelll(ert方程、温度修正、Soil以及开路 电压的容量预测方法。AH法非常简单,初始容量的确定是一个难点,在电池 充满电后,Soil即代表了电池的初始容量,若电动汽车停止行驶达数小时之后, 则可以用电池的开路电压准确地反应电池的初始容量,此外,Peul(en方程开路 电压可以对AH法随时间积累的误差得到修正。同样,电动汽车在启动和行驶 过程中,放电电流会有较大的变化,利用Peukert方程能够对放电电流进行修 正,温度修正能补偿环境温度的影响。 下面分析该方法的的测量原理。依AH定律【30l,有:

G=co—C△

(5—7)

其中,Co为电池的初始电量,C△为实际使用的电量折合为在标准温度下以 标准电流放电时的电量:
—一,45?——-

浙江人学硕上学位论文

C△=fq?4.f.df
表温度修正系数,可通过厂家数据或实验得到。

(5.8)

其中,q代表在标准温度下,以标准电流放电放出的电量与以不同放电倍 率放电放出的电量之比,可由Peukert方程求得,具体原理将在下面讨论。4代

电池以不同倍率恒流放电时,放电倍率越大,能放出的电量越少。著名的 Peukert方程即可用来对放电倍率进行修正。Peukert方程可用(5.9)或(5.10) 式表示【31】:
,.f:K (5.9)

C=K.广”

(5.10)

式中,i为放电电流,t为可放电时间,C为电池可放出的能量。n、K为与 电池有关的参数,其中,n与放电电流也有关。记CI为标准电流I放电时电池 可放出的电量,Ci为以电流i放电时电池可放出的电量。依Peukert方程,可推 出放电的效率:

q=导制一
以提高SoC的测量精度。 结合SoC的定义,可以得知:

㈣…

采用多套Peukert方程参数,对不同放电倍率下的n值1<断进行修正,可

CoS厶—-:旦=±,卫=——
C叫 C嘣l

(5.) (5.12)

3.6

SoH预测
Soil代表的是电池的寿命,通俗来讲就是蓄电池还能用多久。Soil描述的

是蓄电池中的不可逆反应,是个缓慢变化的量,并不需要实时测量。Soil定义 如下:

SoH:鱼
CN

(5.13)

式中CM为测量容量,CN为蓄电池标称容量。 Soil的测量方法主要有以下几种:(1)、完全放电法;(2)、部分放电法;(3)、 电导测量法:(4)、coup de fouet法;(5)、基于模糊群的测量法。 常用的几种方法介绍【32J如下:
一46—

浙}I:大学硕士学位论文

11完全放电法 根据Soil的定义,测量蓄电池在标准条件下从满充状态放电到截止电压所 放出的电量CM,然后除以它的标称容量CN,便可得到Soil。这种方法不适合于 不间断电源用蓄电池组等系统。由于Soil不需实时测量,只需定期测试即可, 对电动汽车而言,这种方法是适用的。本系统即采用这种方法。 2')部分放电法 这种方法是对完全放电法的一种补充。这种方法不需要将电池完全放电, 而是可要将90%一100%放电深度之间蓄电池进行大电流部分放电,通过测量 其端电压的变化来得到电池的Soil。这种方法在不间断电源用蓄电池组中运用 较为广泛。 3)电导测量法 这种测试方法与上一节中的内阻法相似。电池的荷电状态以及健康状态与 电池的电导有关。在这种方法中,应该注意测试频率的选择。因为在不同频率 下,蓄电池的阻抗大小是不一样的。此这种测试方法也有它的不足之处,不仅 测试值会随着工具类型、工作条件和环境的变化而变化,而且它很容易受到噪 声影响。虽然从可靠性、成本等因素上考虑这种方法不适合实际应用,但是毕 竟在原理上它可以进行在线连续测量。

3.7实验结果
状态的监测、采集不仅仅是用来进行人机通讯的,状态检测系统更重要的 职责是提供车内管理系统均衡单元启动的判断标准。本系统中启动均衡部件的 判断依据是电池的电压数据(将在第四章详细介绍),所以电池单体的电压测量 显得尤为重要。 本系统所采用是8位的ADC芯片,供电电压为4.1V,其转换精度为16mV, 但是VRLA单体电池需要经过电阻分压得到,所以实际的测量精度将会大于
16mV。

表3.3为一号采样板前16个通道中某7个通道的采样电压值。表3.4为 一号采样板后16个通道中某6个通道的采样电压值。其中实际电压值由型号为
Fluke

15B的万用表测量得到,从表3.3、表3.4可以得出在VRLA单体电池

电压正常范围内(9.6V一14.4V),由状态检测部件测量得到的电压值误差都在 40mV以内。 如果需要进一步提高测量精度,可以改用更高位数的A/D转换芯片,在本 系统的设计中已经考虑了这方面的因素,采用的A/D:芯片与同系列的10位、
一47—

浙汀大学硕士学位论文

12位A/D芯片管脚完全兼容,更换A/D j卷片将变得非常方便。
表3.3采集板1.16通道中7个通道的采样数据表

电池电压实际值(V) 状态检测系统测量值(V) 差值(mYl

9.67 9.65 20

10.79 10.78 10

11.32 11.29 30

12.10 12.06 40

12.76 12.75 10

13.73 13.70 30

14.35 14.37 20

表3.4采集板17.32通道中6个通道的采样数据表

电池电压实际值(V) 状态检测系统测量值(V) 差值(mY)

10.00 lO.03 30

11.03 11.00 30

11.78 11.74 40

12.46 12.445 15

13.13 13.12 10

14.04 14.08 40

3.8本章小结
本章详细讨论了蓄电池状态的检测系统以及智能化管理的实现。状态检测 系统包括单体电池的电压检测、充放电电流检测、温度管理、以及电池荷电状 态(SoC)和电池健康状态(SoH)的测量与估算。 对于串联的蓄电池组,目前常用的几种测量单体电池的方法有共模测量法、 差模测量法。本文针对系统的应用场合,做了一定的改进,采用了直接测量的 方法,实际的采样精度也大大提高了。 电池的荷电状态SoC(State
of

Charge)用来反映电池的剩余容量,即电池

的供电能力。但是目前常用的几种估算方法却都不太完善,在电动汽车的应用 领域,常用的AH法无法精确确定电池的初始容量,本文采用了本课题组所提 出的综合方法,它是同时基于AH定律、Peukert方程、温度修正、Soil以及开 路电压的容量预测方法。 最后本章讨论了电池的健康状态(Soil)的预测方法,并且采用了完全放 电法,即定义法。在本系统的应用场合,这种方法是切实可行的。

一48—

浙江人学硕士学位论文

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Energy

浙江大学硕士学位论文

第4章车内管理系统一均衡充电管理
在电动汽车的动力系统中,蓄电池性能的重要性是显而易见的。如今市面 上生产的蓄电池单体电压都不高,所以在很多应用场合,往往是使用串联蓄电 池组的。而蓄电池组的性能往往是由串联单体电池中性能最差的一节决定的 It-5l。研究表明,蓄电池组的使用寿命远远不如单体电池,一般情况下,一旦电 池组的某些单体出现寿命问题后,通常的做法是将整个电池组全部更换,这无 疑会大大浪费资源。 由于电池个体间电化学状况的不同,即使是在正常情况下反复进行充放电 循环都会使这种差异不断的扩大,最终造成串联的各单体电池问充电水*和端 电压的严重4<一致。充电过程中,这种不一致性造成了某些电池会比其他电池

提前完成充电。继续充电只会造成这部分电池过充电,析气严型酬。类似的,
在放电过程中,电池组中提前耗尽能量的电池继续放电,这样会造成这部分单 体电池深度放电,严重损坏电池的寿命。 图4.1是某公司的VRLA蓄电池组在光伏系统中的应用实例。电池组由 55节单体组成,单体容量额定100AH。工作5年之后进行满充容量测试。可以 明显看到单体之间容量的巨大的差异。其中大部分电池已经到了额定容量的80 %以下,按照国际通用标准,此时大部分电池单体已经到达寿命的终点,蓄电 池组也应该换新的。由此可见,对蓄电池组进行有效的容量均衡管理,保证它 们拥有基本一致的循环寿命是很有必要的,不仅能有效保障系统的工作可靠性, 也能节省大量财力【¨。

130 120 llO 100

要90
捋80

*均值

诲70 印
50 40






10 13 16 19 22 25

28 3l 34 37 40 43 46 49 52 55

蔷电池单体 图4-1蓄电池组工作5年后的容量测试结果刚7l

一51—

浙r『=大学硕上学位论文

4.1现有的电池均衡方法
如果缺乏有效的均衡管理系统,单体电池之间的不一致性会随着循环次数 的增加而扩大,也意味着蓄电池组的寿命越来越短了。现有的均衡方法有: 1)涓流充电法【8叫 在充电一定程度后对串联电池组持续用小电流充电。由于充电电流很小, 这时的过充对满充电池所带来的影响并不严重。由于已经充饱的电池没办法将 更多的电能转换成化学能,多余的能量将会转化成热量。而对于没有充饱的电 池,却能继续接收电能,直至到达满充点。这样,经过较长的周期,所有的电 池都将会达到满充,从而实现了容量均衡。但这种方法需要很长的均衡充电时 间,且消耗相当大的能量来达到*衡。另外在放电均衡管理上,这种方法是无 能为力的。 2)并联电阻法【7,10-11J 给串联电池组中的每个单体都并一个大电阻。电压较高的电池将会在电阻 上消耗掉较多的能量,以此来实现电池的电压均衡。虽然这种方法原理简单, 实施也容易,但却是以消耗大量能量为代价。而且电阻值的大小确定也需要折 中,太大均衡效果不明显,太小功耗人大。 31)电容切换法【1}131 这种方法利用串联电容在电池组间来回切换来实现电压均衡充放电,如图

图4-2电容切换均衡法【7l 一52—

浙rI:大学硕上学位论文

4.2所示。通过单刀双掷开关的切换,最终使得相邻两节单体电池容量一致。 此方法不会造成能量的消耗,比并联电阻法的效率要高得多,但是这种方法采 用的单刀双掷开关的实现较为复杂,系统还需要进行单体电池的测量,所以如 果加入到系统中去,会使得测量电路更加的复杂化。 4)多绕组变压器法Iml8】 该方法由多绕组的变压器来实现电池均衡。其典型结构如图4.3所示。理 论上,当变压器副边绕组的匝数相等时,它们能提供相同的电压给各个电池单 体充电,由此达到电压均衡充电的目的。但实际上,任何两个相互耦合绕组之 间的耦合系数都不会为l,即在实际应用中我们必须考虑到变压器的漏感,还 有副边绕组之间的互感,在这种情况下,即使副边绕组的匝数完全相同,它们 也未必能提供相同的充电电压。所以,这种方法最大的挑战在于如何减小漏感 和互感的影响,否则,其效果值得怀疑。

图4-3多绕组变压器法均衡电路【181

5)并联DC/DC变流器法【19 ̄26】 该方法也是通过并联分流模块到单体电池上,完成整个电池组的均衡的。 不同的是并联的分流模块是~个DC/DC变流器。最常见的并联模块为 Buck.Boost变流器,其结构图如图4.4所示。这种模块化的结构有利于系统扩 展容量,该方法的缺陷在于每个单体电池都需要并联一个模块,成本较大且比 较复杂。

一53—

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图4.4并联Buck--Boost变流器的均衡系统

4.2本文采用的均衡方案
在本系统应用场合,均衡管理系统是和检测管理系统一同放在电动汽车内 部,作为电动汽车内部管理系统。所以不论是电动汽车在行驶时(电池组在放 电)或者是电动汽车进站“加油”(蓄电池组在充电)时,均衡管理系统均可以 通过检测状态对电池组进行均衡管理。 均衡管理系统由三部分组成:辅助均衡充电器、开关组件以及控制器。整 个系统的工作原理如下:控制器通过与检测系统通讯,获得单体电池电压信号, 并且经过对单体电池电压的运算来判断是否需要接通辅助均衡充电器,如果需 要,则通过开关组件接通电压最低的单体,给该节电池充电,使得该节电池的 电压上升速度比其他单体电池更块,依此来实现电池在充电过程中的均衡。

图4-5均衡管理系统11 8】 一54—

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本系统应用于的电动车上,共装载了96节VRLA电池,*均分为3组,3 组并联同时供电。每组32节单体电池串联而成。对如此多的电池进行均衡管理, 开关组件将会非常复杂,并且32节电池只使用一个辅助均衡充电器,均衡效果 肯定大打折扣。为了保证均衡效果,以及简化开关组件,本系统一共采用6个 独立工作的辅助充电器和开关组件。每一个独立的辅助充电器和开关组件负责 保证16节电池的均衡,这样,均衡效果会得到明显的提升。本文所采用的均衡 管理系统如图4.5所示,例如,若El电池单体电压最低,则须通过接通继电器 Sl、S2、scl、Sc4同时断开其他继电器,对EI进行补充充电。 4.2.1控制器 在本均衡充电系统中,控制器占据及其重要的地位,控制器主要起以三个作 用:(1)和单体电池电压检测系统通信,获取电池电压信号;(2)控制辅助均衡 充电器的工作与否;(3)控制开关组件。 控制系统采用单片机控制,具体型号为ATMEL公司生产的AT89C52。在本 系统中,电池数量众多,开关组件复杂,每一组16节电池所需要的开关组件就为 21个(如图4.5所示),另外还需要一个控制信号来控制辅助均衡充电器是否工作, 故每16节电池需要22个控制信号,这样96节电池,共需要22x6=132个控制信号。 而51系列的单片机一共只有4个并行I/OH,其中Po口、P2还需用做数据和地址总 线,剩下的I/O口资源十分有限。因此需对单片机的I/O口进行扩展。

图4.6控制系统原理图 一55—

浙汀大学硕士学位论文

本系统使用可编程并行接口芯片8255A来进{TI/O扩展,8255A127】是一个具有 两个8位(A口和B口)和两个4位(C口高“氐4位)并行I/O端口的接口芯片,它 与intel系列CPU与外部设备之间提供1]陀电*兼容的接口。在本系统中,只需要 利用8255A实现对开关的控制,所以将三个口均用做数据口,且都定义为输出。 ULN2003为控制信号提供反相功能,并驱动后级的机械继电器。由于系统 结构复杂,这里只示出部分连接示意图,如图4-6所示。系统采用74LSl38对 高位地址进行译码用来选择相应的8255A。 需要注意的是由于P0口既要作为数据总线使用,又必须作为地址总线的 低8位,即控制器的P0口是要作为数据/地址复用的,所以扩展时需要加入地 址锁存器,首先由锁存器暂存并为系统提供低8位地址,然后PO口线就作为 数据线使用。根据指令时序,PO口输出有效的低8位地址时,ALE信号正好处 于正脉冲项部到下降沿时刻【28】。为此应该选择高电*或下降沿选通的锁存器作 为地址锁存器,这里使用的是74LS573。 4.2.2开关组件 开关组件采用机械继电器,具体型号为JDl912。其具体参数为:允许通过

的电流为30A,导通电阻小于50艘,机械寿命大于107次。该继电器控制简单,
价格低廉,很适合于对开关速度要求不高的场合。机械继电器驱动信号可以共 地,极大地节省了驱动线路的复杂程度。

图舢7开关组件部分原理图 一56—

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需要指明的是,由于本文采用的是机械式的有触点继电器,在辅助充电时 流经继电器的是直流电流,故在关断时会引起电弧。为了解决这一问题,系统 中引入一个控制信号,可以控制辅助充电器的工作与否。进行均衡充电时,先 接通继电器,再使能辅助充电器;单次均衡充电结束时,先关断辅助充电器, 使充电电流下降到0,之后再关断机械继电器,这样就可以避免再关断时引起 电弧。图4.7所示为部分开关组件原理图。JCl、JC2、JC3、JC4为图4.5中 的母,.£。四个开关管。

4.3软件设计
4.3.1控制器编程 均衡管理系统的控制流程图如图4.8所示。这里,均衡充电程序首先通过
/————————、.

i均衡充电(入口))
、.

\~——一/




通信,获取单体电池电压 并储存


计算*均电压Va



!找出最低电压的电池编号 Ⅸ吧压Vp 及电压Vb

对最低这节电池
进行充电


计算*均电压与 晟低电压差Vc



{关闭同组其他控制
j信号待到电流为O

<莲宴芦一
+No


接受卜组数据

图4-8控制器软件流程图 一57—

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串行通信获取单体电池电压信号,通过比较最低单体电池电压和*均电池电压 差, 当该电压差大于0.2V且最低单体电池电压不超过上限值Vm弘时,对最低

电压单体电池辅助充电。辅助均衡充电在除了浮充阶段外,时刻进行。 这里需要注意的是,为了节约8255A的I/O空间,在硬件上,每组16节电 池的信号线并没有完全与其他组的信号线隔离。即每组信号线都是相邻在一起 的,并未使用独立的8255A,所以在关闭相关开关时,必须注意不要将相邻组 的信号也关闭了。对于相邻组首尾相接的电池特别要注意,应该先查询8255A 相关口的状态,然后通过逻辑运算隔离掉相邻组的控制信号,再关闭本组其他 的信号。

4.3.2通信设计12争调
RS.485是一种串行数据接口标准,由美国电子工业协会(EIA)于1983 年制订并发布的。RS.485串行总线接口标准以差分*衡方式传输信号,具有很 强的抗共模干扰的能力,允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。 本系统采用MAXIM公司生产的MAX487芯片来实现基于RS一485总线的 串行通信。MAX487是一个半双工的收发器,由控制端RE/DE来控制此时是发送 还是接受数据。它采用差分*衡方式传输信号,若A上的电*比B上的电*大 200mV以上则输出/接受为高电*,否则为低电*,这种差分传输方式可以使得 传输信号距离达到1000m,刚干扰能力强,正适合本系统使用。图4-9为MAX487 与控制器的连接图。

U125

M.AX487广一+5v


RO

Vcc


8 6 — 5

~一~一~一~

RE DE DI


Grid

Cv38 100nF



图4-9

MAX487的连接图

在本文系统中,共有三块检测采样板,每块采样板上都有一块控制器来控 制采样的进行,在总线上,这三个控制器也就是从机,它们需要与主机通讯, 将采样得到的信号传输给主机处理。主机和从机都通过MAX487挂在RS485 总线上,任何时刻,总线上只允许一个控制器占用,这样才能保证信号不会紊 乱。所以通信时必须严格按照通讯协议的要求进行。
一58一

浙礼:大学硕士学位论文

MAX487

MAX487

从gt2

从机3

图4-10通讯构成图

初始化,主机设为数据、地址帧都能接

受,从机设置为只能接受地址帧

图4.1I通讯流程图

在这种多机通讯时,需要将主机的串行控制寄存器SCON的SM2控制位
一59—

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设置为0,而从机的串行控制寄存器SCON的SM2控制位设置为l,相当于主 机能在任何时候接受任何信号,而从机只能接受地址帧,只有在地址帧匹配成 功后才能通过软件设置的方式,与主机互相通讯。 需要注意的是,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗突变,信号在这个地 方就会引起反射。消除这种反射的方法是必须在电缆的末端跨接一个与电缆特 性阻抗同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是 双向的,因此,在通信电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。这便是 总线两端挂接两个120f2电阻的原因。图4.10、图4.11分别为主机与从机的 通讯结构图和软件流程图。

4.4实验结果
4.4.1均衡充电器 辅助均衡充电器直接采用电池组供电,供电电压为326.4V--460.8V,输出 给单体电池充电,电流为10A。由于输出电压较高,而常见MOS管的耐压最 高一般为600V,因此须采用开关管电压应力较低的*耍酆峡悸蔷獬涞 器的功率等级,最后决定采用双管正激结构*耍渫*私峁谷缤迹矗保菜尽



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图4-12均衡充电器

电路工作的实验条件为输入Vin:300V,输出电压VoIIt:14.7V。样机参数 如表4.1所示。 图4.13(a)所示为开关管S2的GS两端驱动波形和D4反向电压波形,二极 管D4反向恢复期间是必须考虑的。因为在导通瞬间,电流经D3除流入电感Lo 之外,还在反向恢复期间流入D4的阴极。该电流是变压器副边电压V。的短路 电流,折算到原边电流也较大。因此,在MOS管导通瞬间,出现电流尖峰, 尖峰的持续时间也是D4反向恢复阻断的时间,为了减少尖峰值,D4选用了肖 特基二极管。图中D4反向电压尖峰达到50V。
一60一

浙rI:大学硕士学位论文

农牛l样机参数
Sl&S2

DI&D2
STTH8R06

D3&D4

变压器
EC28;85:9

IRF840

STPS20S I OOC

Lo

Co

Dm缸

功率等级 120W

EC28;36.6uH;20匝

(400V;82uV)}2

45%

图4.130,)所示为开关管S2的GS两端驱动波形和D3的反向电压波形,可 以从图中看出,二极管D3并没有出现反向恢复的现象,也没有产生电压尖峰, 这与电路原理分析是一致的。
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(a)S2驱动以及D4端压(b)S2驱动以及193端压

2}h埘一∞18:03 (c)S 2驱动以及其DS端压 图4-.13实验波形 一6l一

浙江大学硕上学位论文

图4.13(c)所示为开关管S2的GS两端驱动波形以及其DS两端波形,可以 从图中看出,开关管S2并未因为变压器漏感而产生关断尖峰,这是由于二极管 DI、D2将开关管的DS端压箝位在输入电压Vin了。可以看到开关管S2漏源 两端端压在管子关闭的瞬间上升速度比较慢,这是由于负载较轻,而变压器变 比大,副边电流换算到原边很小;其次,励磁电感较大,励磁电流较小,所以 在开关管关断瞬间,给开关管结电容充电的电流较小,导致DS端压上升缓慢。 本系统采取的另一种方案中,辅助均衡充电器采用一种新型的ZVS有源箝 位正激变流器,该变流器的结构*巳缤迹矗保此尽8帽淞髌魇屎嫌诟哐故 出、高频的场合。 相比传统的有源箝位正激,本文提出的方案附加了一个箝位电容和电感, 能够使得主开关管的结电容放电速度加快,能使主开关管实现ZVS的条件放 宽,从而更加容易地实现全负载范围的软开关。详细的设计过程以及工作状态 都在文献【18】中分析和讨论过了,这里不再赘述。 因为DC/DC变流器的输入电压为32节VI也A单体电池串联的端压,可以 达到400V,所以本系统所采用的均衡充电器*宋苷ぃ礁隹毓芡 开通关断,这样可以将开关管的电压应力减半,从而降低成本。









图4.14新型ZVS有源箝位正激变流器*

4.4.2均衡效果仿真 为了验证车内管理系统所采用的均衡策略效果,我们用saber2006进行了 仿真。因为受到硬盘空间以及计算能力的限制,仿真时我们做了一些简化。第 一,电池模型并未使用实际中的大容量VRLA蓄电池,因为这样会延长计算时 间,而且效果在短暂的仿真时限里不会太明显,这里采用的是3000uF的电容; 第二,只是为了简明的表现均衡效果,减少仿真软件的冗余运算,串联电池组 只使用了3节,并不是实际中的16节;第三,开关组件为理想器件,忽略了实 际中的开关延时等因素。所以仿真效果是要优于实际效果的。图4.15为仿真 的结构图,图4.16为三节串联电池的均衡效果图,从图中可以看出,在仿真
一62—

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时限内,三节串联的电池很好的完成了均衡。

图4.15放电时均衡策略的仿真结构图

图4.16放电时均衡效果图

车内管理系统的均衡部件不仅在电动汽车行驶的时候会运行,它在电池组 充电的时候也会运行,这里我们用了一个电流源作为蓄电池充电的能量来源, 仿真结构图如图4.17所示。此时的均衡效果图如图4.18所示。可以从图中看 出在充电过程中,三节电池也很快就完成了均衡。

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图4-17允电时均衡策略的仿真结构图

鲐一
二12.o

羧:嬷:, 图禾18充电时均衡效果图

4.5本章小结
对串联电池组的均衡充放电管理是十分必要的,也一直是一个技术难点。 本章首先回顾了目前几种常见的均衡管理系统的构成及其实现方式。 较为适合电动大巴蓄电池组的均衡管理系统有两种,一种为并联DC/DC 变流器的均衡系统,另一种为利用开关组件和均衡辅助充电器的方法。并联 DC/DC变流器的缺点是每个电池上都需要一个模块与之并联,所以成本比较 高,但是其优点是模块化,扩展性能较好。本系统采用了第二种方式进行均衡 管理,系统共包括控制器、开关模块以及辅助均衡充电器三个部分。 本章详细介绍了均衡管理系统各个部分硬件设计与实现,并且讨论了软件 的设计,给出了控制器的控制流程图。最后,详细讨论了基于RS.485总线的 串行通讯的实现。
一64—

浙汀大学硕士学位论文

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一67—

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第5章车外管理系统一主充电系统
如第二章所述,采用正负脉冲的方式给铅酸电池充电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。对大 电流充放电和深度循环的电动车用VRLA电池尤为适用。本系统也基于脉冲充 电方式设计了主充电系统。

5.1硬件设计指标
本系统将用于电动汽车的蓄电池充放电管理中,作为20kw大功率的充放 电系统,各项设计指标必须安全可靠。具体指标如下: 1)管理对象 VRLA电池一组32节串联,一共三组,三组并联,共96节电池。单节电 池标称电压12V(10.2V~14.4V);电池组端电压:326.4V ̄460.8V 2)输入输出要求 三相整流输入,输入电压:720V--750V:输入输出磁隔离 3)充电管理指标 最大恒流电流: 正脉冲电流: 正脉冲宽度:
50A; 0 ̄50A: 1ms~200ms

负脉冲电流:0—50A; 正脉冲宽度:lmplorns 浮充电压: 均充电压: 均充转浮充电流阀值: 开*德剩 4】智能化要求 状态监测 自动设定充电方式 过压保护 过流保护 欠压保护
13.5V一13.8V 14.2V~14.4V 5A 16kHz。

一68—

浙江大学硕士学位论文

5.2充放电*搜≡
根据前面的设计指标,主充电电路必须采用一种能产生正负脉冲电流的隔 离型*恕T诳氐缭赐*酥屑词且≡袼颍模茫模玫缏贩侥苁迪终郝龀 充放电功能。 5.2.1隔离型* 双向DC/DC*私峁褂泻芏唷P矶嗟ハ虻闹绷鞅淞髌魍*硕伎梢越渲 的无源开关替换为有源开关而构成双向DC/DC变流器。而单向DC/DC变流 器的所有基本*耍负醵伎梢杂纱俗蛑绷鞅淞髌骰就*恕荆保薄8衾 型双向DC/DC变流器有多种结构。包括Buck/boost、Buck.Boost、Cuk、Zeta 型双向DC/DC变流器12卅,其结构及特点如表5.1所示。

表5.1隔离型双向DC/DC变流器13I 原型 基本变换单元图示
L .T.

功率 rrlrn
4-

结构

其他特点

F BUClc,Boost vl


广






存在升压 启动和电 压尖峰问 题,且难 以抑制



菱阜

 ̄邑



简 小
Buck-Boost

输入输出 电流均断 续



et Cuk

?+t蛾l

r转
一69—

复 小 杂

能量多次 变换,效 率不高

能量多次 小
Zeta

复 杂

变换,效 率不高

表5.1仅列出了由基本变流器*吮浠吹乃颍模茫模帽淞髌鞔亍J

浙扪:大学硕士学位论文

实上,BDC的具体*私峁够褂泻芏啵右恍┯性辞煌纾冢郑樱冢茫痈 助网络等。一个好的双向DC.DC结构应该具有结构简单,控制方便,动态性 能好,响应快,效率高等特点。实际的*俗苁谴嬖诟髯缘挠湃钡悖谑导视 用中,必须根据具体电路特点来选择合适的*私峁埂 以上提出的由单向DC/DC演变过来的隔离型双向DC/DC变换器都有一个

一致的特点——仅适合使用于中小功率场合。



图5.1有源箝位双向DC/DC变流器

在大功率场合,正负脉冲充电系统往往原副边都采用全桥结构,图5—1【5 ̄6】 是一种典型的双向全桥型*恕U龀宄涞缡保芰堪鬃笙蛴伊鞫缏饭ぷ 于副边有源箝位的ZVZCS移相全桥模式f2l,原边超前臂可以实现ZVS,滞后 臂可以实现ZCS;负脉冲放电时,能量自右向左流动,电路工作于有源箝位的 隔离型Boost模式。该电路较为复杂,需要增加一个辅助开关管Sc和箝位电容 Cc,而且在实际中,滞后臂较难实现ZVS,而且通过谐振实现ZVS/ZCS会引 起相关的一些问题。 5.2.2实际采用的双向DC/DC*



图5-2主充电电路* 一70一

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综合上文的分析,最终本系统选择了双向全桥DC/DC变流器作为主充电 器*恕U龀宄涞缡保芰孔宰笙蛴掖荩嗟庇诟衾胄腿牛桓郝龀宸诺 时,由于电池电压比整流后的网压低,所以需要升压,此时系统工作在PWM Boost全桥变换器模式下。结合20kw的功率等级,本系统采用了硬开关的控制 方式,其*巳缤迹担菜尽

5.3主充电器的工作原理
5.3.1脉冲充电策略12l 充电过程中电压电流的示意图如图5.3所示。充电过程可以分为三个阶段: 第一阶段,正负脉冲电流的I隔值恒定,其对应的脉宽也恒定;第二阶段,正负 脉冲的脉宽恒定,负脉冲的幅值恒定,正脉冲的幅值逐渐减小;第三阶段,当 电池充满电后,进入间歇性的浮充阶段,当电池电压达到浮充上限后,停止充 电,当电压达到浮充下限后,开始充电。

电湖A
电压,、,

10
VCV— Vuth一 、,Ith

lc Ijcc

脉冲充电

恒压充电 图5.3主充电器充电策略

充电

在本系统中,第一阶段恒流充电时,正脉冲的充电时间保持为lOOms,之 后,充电电流降到零并维持10ms,负脉冲的放电时间为10ms,一个充放电周 期为130ms。第二阶段恒压充电时,正负脉冲的周期不变,只是由于正脉冲充 电时DSP控制的电流环并不工作(此时电压环工作),所以正脉冲电流会逐渐减

小如上图所示。第三阶段的间歇性浮充并不采用脉冲放电。

一7l一

浙江人学硕上学位论文

5.3.2主充电器的工作状态 当电路工作于全桥DC/DC变流器状态时(正向充电),其主要工作波形如 图5.4(a)。当电路工作于PWM Boost全桥变流器状态时(负向放电),其主要 工作波形如图5-4(b)所示。 由于关于全桥DC/DC硬开关电路的工作原理的分析已经很详尽了,这里 不再赘述,负脉冲放电时电路工作于PWM Boost全桥变流器时的工作原理,在

文献[2忡已有详细的分析,这里也不再赘述。
需要注意的是,在负脉冲放电过程中,当开关管S6、S7关断时,由于电感 电流不能突变,必将通过变压器转移到原边,能量自由往左转移。但是变压器 漏感Lk的存在使得电流的上升受阻,这就导致在电流建立起来之前,电感电流 会主要流经S6、S7的结电容,所以在开关管S6、S7关断的~瞬间,其管子CE 两端的端电压急剧上升,形成一个较高的电压尖峰,如图5-4(b)所示。为了控 制这个电压尖峰对电路造成的损害,很有必要加上一个吸收电路,吸收电路的 设*谙陆谥邢晗柑致邸

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(a)正脉冲充电时电路的主要工作波形(b)负脉冲放电时电路的主要工作波形 图5-4主充电器充放电的工作波形 一72—

浙汀人学硕士学位论文

5.4电路的设计
主充电路的设计参数如表5。2中所示,表中的参数是最终实验的真实参数, 由于主充电路的设计过程在本课题组的另一篇硕士学位论3C[2lq]已有详细的 论述,本文就不再赘述。
表5-2主电路各参数 元器件 变压器 参数选择

(1)磁芯:非晶环型,有效截面积:14.5cm2,窗口面 积:56cm2,2个并联
(2)NIZ:Np:Ns=12:9

(3)线径:直径0.1mm的铜线1000股(两股丝包线并绕) 原副边开关管 滤波电感
IGBT:SKMl45GBl74DN

(1)磁芯:非品磁心,有效截面积:11.4cm2,窗口面积:36.5
cm2

(2)电感值:4259H (3)匝数:N=30 滤波电容 母线电容 705u(两个串联为‘组,)芒三组并联;电容瞽体: 470u,450V) 9.4m(两个串联为一组,共pq组并联;电容单体:
4700u,450V)

5.5吸收电路的设计【7~8】
隔离型的Boost变流器存在两个问题:(1)存在启动问题,输出电压难以建 立,这可能导致电感饱和;(2)存在电压尖峰问题。在本毕业设计的应用场合, 输出电压已经建立,故不存在第一个问题。第二个问题则会对电路的工作状况 带来不好的影响。电压尖峰是这样产生的:在to时刻,开关管S6、S7关断。 电感电流不能突变,可以将L0看成一个恒流源。S6、S7关断后,电感电流只 有两条通路,一是给S6、S7的结电容充电,一是通过变压器转移到另一端。 由于变压器漏感Lk的存在,电流is的上升率受到了一定的限制,这就导致在 is建立起来之前,电感电流主要给S6、S7的结电容充电,开关管S6、S7的 CE端的电压急剧上升,这就是电压尖峰的成因。 从上文的分析可知,这种主充电器电路方案结构和控制策略都很简单,存 在的问题是正向工作时,开关管Sl--¥4工作在硬开关环境,这限制了开关管 (IGBT)的工作频率。另外一个更为严重的问题是电路反向工作时,存在电压
一73—

浙门:大学硕士学位论文

尖峰问题,这对电路的安全工作带来一定的隐患,在设计时应合理的控制开关 管关断后电压的过充,保证开关管的安全。 如5.3.2节中的分析,在主充电变流器工作在负脉冲放电的时候,开关管关 断的~瞬间,管子两端的端电压会急剧上升,而这个电压的尖峰会损坏管子, 并且带来比较大的损耗。 在副边流过IGBT导通的状态下,流过每个管子的电流为t )a52(/o数查,

据手册可知,SKMl45GBl74DN型号的IGBT电流下降时间为80ns,假设最坏 情况下的下降时间是手册所示数据的两倍,即f,为160ns。 在关断瞬间,电感电流有一部分给关断的IGBT结电容充电,令其电压瞬

间上升到圪/n(550V,n为变压器的变比),电流在160ns内由25A下降到零,
则160ns内的*均重叠损耗为550x 25/2=68758,',开关工作频率为16kHz,则 每个管子每周期内*均损耗为6875X0.16/62.5=17.614"。 需要注意的是上边的计算实在假设的理想状态下得出的,估计的损耗是依 赖于电流关断时间的假设而做出的。实际上,电流在下降之前会在很短的一段 时间内保持为峰值,因此实际损耗大约比计算出的17.6W还要多出50%。
5.5.1

RCD吸收 加入RCD之后的关断吸收电路如图5.5所示。吸收电路由Dc、Rc以及筘

位电容Ce组成。




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图5.5加入RCD吸收模块的主充电*

吸收电路的工作模态图如图5-6所示。模态1:当开关管S6、S7关断后, 由于变压器漏感的存在,电流f,的上升速率受到一定限制,于是电流在转移到 变压器原边的同时还会给箝位电容C。充电。模态2:当变压器副边电压下降到
比筘位电压更低时,箝位二极管截止,筘位电容通过电阻放电。当副边开关管

全部导通时,箝位二极管截止,箝位电容继续通过放电电阻足放电,与模态2
一样。

实际电路中,D。取为DSEl2×61.12B,其耐压为1200V,允许通过的电流
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浙江大学硕上学位论文

为52×2A。箝位电容C。取为CDE高频无感吸收电容,耐压为1200V,容值为 39F,采用三个电容并联。电阻Rc取为10kfl。

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(b)模态2 图5-6吸收电路的工作模态【2i

(a)模态1

事实上,通过增加RCD吸收电路,是将关断的IGBT上损耗的能量转移到 放电电阻上了。只不过这样可以减小IGBT温度升高的压力。如果开关管温度 偏高,可以通过适当增大箝位电容值来减小开关管上的损耗,但同时也会增加 放电电阻上的损耗。但至少比增加开关管的损耗要好得多。 5.5.2无损吸收 传统的RCD缓冲器的损耗通常为10W,如果开关电源频率越高,则RCD 缓冲器上的损耗就越大。这个附加损耗会引起一些问题,其中最主要的问题是 缓冲器中的电阻的大小和所占的空间。通常,应用中电阻功率衰减系数为2, 选择功率电阻都要乘以系数2。这样,10W的损耗需要一个20W的功率电阻, 一个20W的功率电阻需要较大的空间放置,另外10W的损耗使得它的温升会 影响周边元件,这就更难为它选择一个合适的位置了。

图5.7无损缓冲电路

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浙江火学硕士学位论文

如图5.7所示的为无损缓冲器,通过在电感中储存的电流能量将电容中储 存的电能转化为电磁能量。在电容再次放电之前,电感通过直流母线将储存的 能量释放。虽然他的结构比较复杂,但是为以上问题提供了一个很好的解决方 案。与传统的RCD缓冲器一样,它是通过使用电容减缓开关管结电容上的电 压上升来达到缓冲目的的。但是它不会通过电阻将电容的电能释放掉。

5.6实验结果【2】
当电路工作于硬开关DC/DC全桥交流器状态时。电路主要参数为:输入 电压为620V,输出电压为360V,充电电流为50A。 当电路工作于PWM Boost全桥变流器时。电路主要参数为:输入电压为 460V,输出电压为720V,放电电流为40A。

(a)正脉冲充电时,s1驱动和充电电流波形

(b)负脉冲放电时,S5驱动和放电电流波形

图5.8正脉冲充电和负脉冲放电时的主要波形
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t/25ms/格 (a)S l驱动和充电电流波形(b)S5驱动和充电电流波形 图5-9正负脉冲充电时的主要工作波形 一76—

浙江人学硕士学位论文

当只进行正脉冲充电时,开关管Sl的驱动波形和充电电流波形如图5-80) 所示;当只进行负脉冲放电时,开关管s5的驱动波形和放电电流波形如图5.8(b) 所示。当电路工作于正负脉冲充放电状态时,其主要工作波形如图5-9所示。 由图可知,正脉冲的充电时间保持为lOOms,之后,充电电流降到零并维持 10ms,负脉冲的放电时间为10ms,一个充放电周期为130ms。 图5.10为正向工作波形图,图5.10(a)为原边一个桥臂中两个开关管的驱 动波形;图5.10(b)为原边开关管Sl的驱动波形及CE端压波形,由图可知原边 开关管电压应力为800V;图5.10(c)为原边开关管Sl的驱动给定信号以及副边 整流二极管的电压波形,由图可知副边开关管的电压应力为750V。
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(a)驱动波形(b)Sl驱动和CE端电压波形(e)Sl驱动开关管S5的波形 图5.10正脉冲工作时电路主要工作波形

(a)S5驱动和CE端压波形

(b)Sl的驱动和CE端压波形

图5.11负脉冲工作时电路的主要工作波形

图5.11为负脉冲放电时的主要波形图,图5-ll(a)所示为副边开关管的驱动
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浙江大学硕士学位论文

及CE端电压波形,由图可知副边开关管的电压应力为900V;图5.1l(b)所示为 原边开关管的驱动波形及CE端电压波形,此时原边开关管栅极施加的为负向 偏置电压,IGBT不导通,类似于一个二极管,由图可知原边开关管的电压应 力为780V。

5.7本章小结
本章主要讨论主充电系统。由于主充电系统采用正负脉冲的充电方式,双 向DC/DC变流器成为主充电器的必然选择。本系统即采用一种原副边均为全 桥结构的双向DC/DC变流器作为主充电器的*私峁埂2⒏隽松杓撇问 由于主充电系统在本课题组的另一篇硕士论文中已有详细介绍,所以本章并未 给出详细的设计过程。 接下来,本章给出了主充电器的工作原理波形图,并详细讨论了吸收电路 的设计过程。最后给出了实验波形。

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浙江大学硕士学位论文

参考文献
【1】Espinosa只Sable
D,Lee F C.A

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【2】欧阳茜.电大巴蓄电池智能管理系统:【学位论文】.杭州:浙江大学电力电子 系,2007 【3】丁昂.阀控式免维护铅酸蓄电池脉冲充电技术及其智能管理:【学位论文】. 杭州:浙江大学电力电子系,2006 【4】张方华.双向DC-DC变换器的研究:[学位论文】.南京:南京航空航天大学,
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【5】Wang Kunrong,Lee
Full?-Bridge DC/DC

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【7】Abraham I.Pressman.Switching 电子工业出版社,2005

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【8】张占松,蔡宣三编开关电源的原理与设计修订版.北京:电子工业出版社,
2006

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浙钉:大学硕士学位论文

第6章总结与展望
6.1总结
本文针对电动汽车领域使用的阀控铬酸(VRLA)电池管理系统进行了全面 的讨论与研究。主要的内容包括以下几个方面: (1)本文对车用铅酸电池特性进行了详尽的分析,包括它在充放电时的电化 学反应,导致电池失效的机制以及改进方法。对铅酸电池的充电方式及其重要, 它在很大程度上决定了电池的使用寿命,本文详细讨论了不同的充电方式对铅酸 电池的物理影响。 (2)针对电动汽车的应用场合,本文提出了一套完整的蓄电池管理方案,并

进行了实验验证。整个管理系统分为两大部分——车内管理系统(检测管理系统、
均衡管理系统)和车外管理系统(充放电管理系统)。 状态检测系统系统主要包括电池状态采集系统以及剩余容量SoC、健康状态 Soil测量系统。本文针对电动汽车这个特殊应用场合,提出了一种新的同时基 于AH定律、Peukert方程、温度修正、Soil以及开路电压的的容量预测方法。 均衡充电系统的目的是保持串联电池组单体电池容量的均衡。均衡管理系统 主要包括控制器、开关组件以及辅助均衡充电器三个部分。均衡管理系统和状态 检测系统之间通过RS485总线进行串行通讯。 主充电系统采用的是正负脉冲的充电方式,本系统通过一个全桥双向 DC/DC变流器来实现。主充电器的功率等级为20kW,在本课题组中,这个功率 等级较之以往有较大的突破。

6.2展望
本文在车用VRLA电池管理系统方面做了一定的工作,但是仍然存在以下 问题尚需研究和讨论: (1)均衡系统方案中,对电池容量最低的电池进行辅助均衡充电,使其电压 增长速度快于其他电池,从而达到均衡目的,这在汽车运行时(放电)是完全可 行的,但是在充电时,需要对电压过高的电池进行保护,仍需通过硬件或者软件 的方式改进。 (2)状态检测系统中,对于SoC的测量方法有多种,但是在电动汽车的应用 场合,究竟哪种方法更加适合还需讨论。 (3)充放电管理系统中,脉冲充电能够抑制电池的极化,然后充电的参数需 要针对具体的电池设置,怎样有个统一的标准能快速、有效的设置参数还是需要 我们分析讨论的。
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浙江大学硕士学位论文

论文发表情况
硕士期间发表的论文: [1】杨诗佳,钱照明,欧阳茜,彭方正.改进型有源筘位正激电路的研究.电 力电子技术(录用) 【2】Yang Shijia,Qian
Zhaoming,Ouyang Qian,Peng Fang Z.An Improved

Active.Clamp ZVS Forward Converter

Circuit.APEC’08(EI收录)

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浙rl:大学硕士学位论文

致谢
研究生学*时光匆匆而过,在这一段时期内,我遇到了许多良师益友,在此 仅向培养、关心、支持和帮助我的人致以我最诚挚的谢意! 感谢我的导师彭方正教授和钱照明教授,对本论文的选题、结构做了悉心的 指导。导师渊博的学识、严谨的治学态度和工作作风给我留下了深刻的印象,并 且受益终生。谨在此表示最衷心的感谢! 感谢大功率实验室的张帆老师,张帆博士可算我的另一个导师,也是我们实 验室的“领导”。大功率实验室良好的实验氛围以及优厚的实验条件是与张帆博 士分不开的。不管我们的问题是简是烦,张帆博士都耐心细致的解答。在我攻读 研究生阶段,他给予了热心的指点,对我的研究起到了很大的帮助。总之,“有 问题,找领导"就对了A宰,在此对张帆博士给予的无私帮助表示深深的谢意。 在powerland的短暂时光里,感谢谢小高老师给予我的学术指导,在我遇到 困难时,谢小高老师总能提出良好的解决办法,令我受益匪浅。 特别要感谢欧阳茜学长对我科研上的指导和帮助,欧阳茜学长严谨的科研态 度以及积极的工作热情一直感染着我,感谢欧阳茜学长在本课题做出的大量工 作,感谢欧阳茜学长将我第一次带进电力电子的殿堂,我将永记于心。 再次,我要感谢杨水涛师兄,在和他讨论问题的过程中,使我受到了不少启 发,受益匪浅。 感谢实验室与我朝夕相处的丁新*、童立青、曹冬、邝乃兴、赵慧杰、崔斌、 孙磊师兄,薛凌霄、蔡磊、奚轶芳、陈东同学,以及熊飞、郑晟、杜韦静等师弟 师妹。在大功率所这个大家庭中,我们结下了深厚的友谊。 感谢博兰实验室的董伯藩老师、张军明老师、周莉英老师。 感谢赵一、翟建勇、薛凌霄室友,深厚的友谊,是我一生的财富。 感谢我的女友,感谢你两年来一直的陪伴,千言万语尽在不言中。 最后,感谢我的家人,感谢把我抚育大的父母、外婆对我生活上的关爱和无 私奉献,养育之恩,无以为报。 衷心祝福所有关心、帮助我的老师、亲人和朋友们!谢谢!

杨诗佳 2008年5月 于求是园

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