電動(dòng)車(chē)用MH_Ni電池快速充電系統(tǒng)

1、第38卷 第2期2008年 4月電 池BATTERY BIMONTHLYVol138,No12Apr1,2008電動(dòng)車(chē)用MH/Ni電池快速充電系統(tǒng)片春媛,劉俊峰(新鄉(xiāng)學(xué)院物理系,河南新鄉(xiāng) 453000)摘要:為了解決電動(dòng)車(chē)用MH/Ni電池的快速充電問(wèn)題,提出了充電終止的方法。在充電過(guò)程中對(duì)電池組的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)參數(shù)運(yùn)算和邏輯判斷,控制充電過(guò)程的結(jié)束;采用充電去極化放電脈沖提高充電效率?？焖俪潆娤到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度高于015%。自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)車(chē)載24V/90Ah電池組的應(yīng)用表明,60d后電池的SOC從7010%降至6914%。關(guān)鍵詞:快速充電系統(tǒng); MH/Ni電池; 充電終止; 自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)

2、(AGV)中圖分類(lèi)號(hào):TM91212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-1579(2008)02-0112-03ThequickchargesystemofNi/MHbatteryforelectricvehiclePIANChun2yuan,LIUJun2feng(DepartmentofPhysics,XinxiangUniversity,Xinxiang,Henan453000,China)Abstract:InordertosolvethequickchargeproblemofNi/MHbatteryforelectricvehicle,thechargeendingmethodw

3、asdeveloped1Itprovidedarealtimemonitoringofanumberofparametersofbatteriesintheprocessofcharging1Theendingofchargeprocesswascontrolledbyparametercalculatingandthelogicjudging1Thechargeefficiencywasimprovedbyadoptingdepolarizationdischargepulseincharge1Theaccuracyofdataacquisitionofthequickchargesyste

4、mwashigherthan015%1Theapplicationin24V/90AhbatteriesofautomaticguidedvehicleshowedthattheSOCofthebatterydecreasedfrom7010%to6914%after60d1Keywords:quickchargesystem; Ni/MHbattery; chargeending; automaticguidedvehicle(AGV)近年來(lái),自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)1、高爾夫球車(chē)和電動(dòng)短程列車(chē)等專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)輛快速發(fā)展。鉛酸電池、Cd/Ni電池、鎳鋅電池、MH/Ni電池和鋰離子電池等被選作動(dòng)力源。

5、電池需要考慮的因素除功率、容量、比功率和體積等外,還有充電時(shí)間和維護(hù)的方便程度。通常情況下,自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)等專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的要求是必須具備2C以上的短時(shí)間快速充電能力和一定放電深度下數(shù)千次以上的循環(huán)壽命。鉛酸電池技術(shù)成熟、成本低廉32大電流充電和維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于耐過(guò)充、過(guò)放的能力差(相對(duì)于開(kāi)口蓄電池),密封MH/Ni動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)時(shí),在電池充放電過(guò)程中需要進(jìn)行過(guò)充和過(guò)放保護(hù),這就對(duì)快速充電設(shè)備提出了新的要求。本文作者研制了適用于自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)的MH/Ni動(dòng)力電池快速充電系統(tǒng),并研制了PZDK27智能快速充電機(jī)。1 充電終止控制本系統(tǒng)的充電對(duì)象是MH/Ni動(dòng)力電池。在充電過(guò)程中,電池的內(nèi)

6、部溫度及壓力會(huì)因?yàn)檫^(guò)充電而迅速上升,如果不及時(shí)停止充電,充電效率會(huì)下降,浪費(fèi)能源,并可能導(dǎo)致負(fù)極貯氫合金氧化和正極膨脹、脫粉以及微應(yīng)力機(jī)械損失等問(wèn)題,使電池的使用壽命縮短;嚴(yán)重時(shí),還可能會(huì)產(chǎn)生爬堿、漏液等問(wèn)題,甚至發(fā)生電池爆炸等事故5。為了防止電池過(guò)充,需要對(duì)電池的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并將數(shù)據(jù)提供給充電站控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算和邏輯判斷,以便對(duì)電池的充電過(guò),但不能進(jìn)行快速充電,不適合在需要快速充電的場(chǎng)合使用;Cd/Ni電池可以短時(shí)間進(jìn)行2C快速充電,壽命長(zhǎng)、低溫性能好且耐過(guò)充放電能力強(qiáng)4,在需要快速充電的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用,但Cd/Ni電池的比功率小,增加了車(chē)輛的質(zhì)量和體積,電池需要較為復(fù)雜的維

7、護(hù)。密封MH/Ni動(dòng)力電池具有比能量高、比功率大、可接受作者簡(jiǎn)介:片春媛(1969-),女,新鄉(xiāng)學(xué)院物理系講師,工程師,研究方向:電源技術(shù)及自動(dòng)控制,本文聯(lián)系人;劉俊峰(1968-),男,新鄉(xiāng)學(xué)院物理系高級(jí)工程師,研究方向:電源技術(shù)及自動(dòng)控制。第2期程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。片春媛,等:電動(dòng)車(chē)用MH/Ni電池快速充電系統(tǒng)113聯(lián)6;為使輸出二極管能夠自動(dòng)均流,減小分布電感的壓降,高頻變壓器采用3只小變壓器原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。充電主回路輸出端連接到安裝在地面充電板的正負(fù)極上,電池的正負(fù)極連接到位于自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)底部的充電靴正負(fù)極上。當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)需要充電時(shí),會(huì)自動(dòng)定位于充電板上方,使充電板和充電靴對(duì)接,實(shí)

8、現(xiàn)充電站與車(chē)載電池的連接。213 充電去極化放電脈沖電路MH/Ni電池充放電時(shí),內(nèi)部發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)7:負(fù)極反應(yīng):為了判斷電池的過(guò)充狀態(tài)和過(guò)充先兆,需要檢測(cè)以下參數(shù):電池組的電壓Ub及電壓變化率$Ub;單體電池的電壓Ubc及電壓變化率$Ubc;單體電池的溫度tbc及溫度變化率$tbc;電池組在上次充電結(jié)束后放出的容量等。本系統(tǒng)采用的充電終止控制條件如下:¹單體電池電壓的最大值大于Ubcm(設(shè)定范圍11401160V)及電壓變化率$Ubcm為負(fù),m代表最大值;º電池組的電壓大于nUbcm(Ubcm設(shè)定范圍11401160V,n為串聯(lián)的單體電池?cái)?shù)目)及電壓變化率$Ub為負(fù);此

9、條件適用于單體參數(shù)抽樣檢測(cè)的情況。»單體電池溫度的最大值大于tbc(設(shè)定范圍4446e)及溫度變化率最大值大于$tcb(設(shè)定范圍35e/min);¼充入容量大于上次充電結(jié)束后放出容量的K倍(設(shè)定范圍110<K<115);½充電總時(shí)間大于設(shè)定值(根據(jù)充入目標(biāo)容量設(shè)定);¾充電電流小于設(shè)定值(設(shè)定范圍0105C100130C10A)。同時(shí),通過(guò)單體電池電壓的一致性來(lái)調(diào)整恒壓充電階段的恒壓值,以得到滿(mǎn)意的充電效果。2 總體設(shè)計(jì)211 系統(tǒng)功能本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能快速充電系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)以下功能:¹可編程控制恒流恒壓充電;º去極化放電;&

10、#187;對(duì)電池的參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè),并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯判斷和分析;¼充電系統(tǒng)故障和電池異常的保護(hù)以及報(bào)警;½具有友好的人機(jī)界面,便于參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)觀察;¾具有輸出過(guò)壓、過(guò)流、元件過(guò)熱和熔斷器熔斷等多種檢測(cè)與保護(hù)措施;¿具有通信接口,便于與自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)或系統(tǒng)中央控制計(jì)算機(jī)交換信息和數(shù)據(jù)。212 充電主回路的設(shè)計(jì)充電主回路原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1 充電主回路原理簡(jiǎn)圖Fig11 Principlesketchofbatterycharginghostcircuit從圖1可知,三相交流電輸入經(jīng)二極管整流橋變?yōu)橹绷?為降低網(wǎng)側(cè)諧波電流并提高功率因數(shù),直流側(cè)采用LC濾波

11、器(L1和C1)濾波。高頻逆變部分采用以IGBT為功率開(kāi)關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),經(jīng)變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC濾波器(L2和C2),最后到負(fù)載。IGBT開(kāi)關(guān)頻率選擇為20kHz。該電源的輸出為大電流。為降低損耗,輸出整流電路采用全波整流結(jié)構(gòu),且整流二極管采用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管。由于二極管電流容量的限制,必須采用多只元件并充電時(shí),正極上的Ni(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)镹iOOH,H2O在負(fù)極上放電,分解出氫原子吸附在電極表面,這樣就會(huì)減小極板的有效面積,使極板的內(nèi)阻增大。由于極板的有效面積變小,充入全部電量所需的時(shí)間增加。放電時(shí),NiOOH得到電子轉(zhuǎn)變?yōu)镹i(OH)2,MH內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到表面形成

12、吸附態(tài)的氫原子,再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。加入放電脈沖后,負(fù)極上的氫與負(fù)極板上的OH-復(fù)合,這個(gè)去極化過(guò)程減小了電池的內(nèi)部壓力、溫度和內(nèi)阻;同時(shí),充入電池的大部分電荷都轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,而不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w和熱量。采用充電去極化放電脈沖,可提高充電效率并允許大電流快速充電。為了保持較高的充電效率,設(shè)計(jì)了去極化負(fù)脈沖放電回路,如圖2所示。圖2 去極化放電脈沖電路Fig12 Thedepolarizationdischargepulsecircuit當(dāng)需要去極化時(shí),將圖2中的晶閘管VT導(dǎo)通,電池經(jīng)過(guò)VT向電容C充電,直至電容C充滿(mǎn)電,充電電流為零,VT截止;然后導(dǎo)通功率管V,電容通過(guò)VT對(duì)電阻RL放電,為下一次去

13、極化放電脈沖的形成做準(zhǔn)備。214 控制電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制電路,實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制系統(tǒng),作為智能快速充電機(jī)的監(jiān)控中心,完成電池充放電過(guò)程的控制操作。它包括中央處理單元及外圍電路,電壓、電流和溫度等參數(shù)的采集電路,人機(jī)對(duì)話(huà)界面,電流、電壓調(diào)控電路,開(kāi)關(guān)量輸出電路和通信接口電路等部分,可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置以及顯示、調(diào)控等功能8。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。電 池114BATTERY BIMONTHLY第38卷圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig13 Systemstructureblockdiagram本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S72200系列可編程控制器(PLC)作為控制單元,模擬量輸入采用EM231模塊,

14、模擬量輸出后利用S72200系列PLC的PWM端口輸出脈寬調(diào)制的脈沖信號(hào),經(jīng)有源濾波電路輸出模擬給定信號(hào);擴(kuò)展了智能鍵盤(pán)的液晶顯示器為人機(jī)對(duì)話(huà)界面、紅外通信接口和RS2485串行接口,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可選擇采用紅外接口和自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)通信,也可通過(guò)Mod2bus接口和系統(tǒng)中控計(jì)算機(jī)通信。3 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用S72200系列PLC的CPU226模塊作為主控圖4 主程序流程圖Fig14 Theflowchartofmainprogram制單元,采用STEP27組態(tài)軟件進(jìn)行編程,除了實(shí)行邏輯控制以外,還進(jìn)行模擬量采集,模擬量給定,充電電流的PID調(diào)節(jié)及串行口通信功能。充電系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。充電電

15、流的控制采用帶過(guò)程仿真的PID控制算法如式(4),M(t)為高頻整流充電電路的設(shè)定值,M(t)=Ke1+1#e(t)#dt/Ti+Td#de(t)/dt)(4)通過(guò)在PZDK27智能快速充電機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試,電流調(diào)節(jié)器的增益Ke取1,積分系數(shù)Ti、微分系數(shù)Td分別取0165和0135。4 應(yīng)用采用該充電系統(tǒng)為配置有QNFG90型24V/90AhMH/Ni電池(江蘇產(chǎn))的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)進(jìn)行快速充電,初期充電電流200A,最高充電電壓限制為3115V,充入容量為182017Ah,每次充電時(shí)間為68min。用該系統(tǒng)每充電一次,自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)工作5070min,每天的充放電次數(shù)為1319次。自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)運(yùn)

16、行60d后,對(duì)電池進(jìn)行容量核對(duì)放電,電池的SOC從7010%下降到6914%,與初始容量相比下降了016%;電池的充放電維護(hù)周期可以延長(zhǎng)至1a以上。5 結(jié)論實(shí)際應(yīng)用表明,設(shè)計(jì)的快速充電系統(tǒng)可以滿(mǎn)足動(dòng)力型MH/Ni電池快速充電的要求。放電負(fù)脈沖可有效地降低電池的極化,提高充電效率;采用的實(shí)時(shí)參數(shù)檢測(cè)及充電終止方法,避免了電池的過(guò)充,可延長(zhǎng)電池的壽命。參考文獻(xiàn):1 FANYue2jin(樊躍進(jìn)),PIANChun2yuan(片春媛)1AGV技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用J1DieselEngine(柴油機(jī)),2006,28(3):38-4112 RANWen2xue(冉文學(xué))1AGV及AGVS的安全裝置設(shè)

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