汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文

PAGE.PAGE.....學(xué)號密級XX城市學(xué)院本科畢業(yè)論文汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)學(xué)院名稱：培黎工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)名稱：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：周磊指導(dǎo)教師：李俊文講師二○一一年十一月..BACHELOR'SDEGREETHESISOFLANZHOUCarchargerdesignCollege：PeiLiCollegeofengineeringandtechnologySubject：ElectronicinformationscienceandtechnologyName：ZhouLeiDirectedby：LiJunWenLecturerNovermber2011..鄭重聲明本人呈交的學(xué)位論文,是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果,所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體,均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名：日期：......摘要本文則是簡單設(shè)計(jì)符合動力符合動力電池充電需求的車載充電機(jī),能有效延長電動汽車的續(xù)駛里程,為電動汽車的實(shí)用化和普及化提供有效支持。介紹了鉛酸蓄電池的一種快捷充電方式：變電流脈沖充電,適用于汽車用的變電流脈沖充電,能有效消除大電流充電下電池的極化現(xiàn)象,使得充電速度加快,充電效率增加,同時電池析氣量少,溫升較低。關(guān)鍵詞：充電機(jī)；鉛酸蓄電池；快速充電AbstractThispaperisasimpledesignconformstothepowerthebatterypowerdemandwiththecarcharger,canprolongtheelectriccartriprangeofmileage,forelectriccarsandpracticalchannelsprovideeffectivesupport.Introducesakindofquickandleadacidbatterychargingways:changesthecurrentpulsecharging,applicabletovehiclewiththechangeofthechargingcurrentpulse,andcaneffectivelyeliminatelargecurrentchargingabatteryofpolarizationphenomenon,makechargingspeed,thechargingefficiencyincrease,andthebatterylowgaschromatography,lowtemperature.Keywords:charger;Lead-acidbattery;Fastcharging目錄第1章緒論11.1課題研究的目的和意義11.2國內(nèi)外研究概況11.3論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)3第2章鉛酸蓄電池的組成、特性及其工作原理42.1鉛酸蓄電池的組成42.2鉛酸蓄電池的特性42.3鉛酸蓄電池的工作原理6第3章鉛酸蓄電池的充電方法83.1蓄電池充電理論基礎(chǔ)83.2鉛酸蓄電池充電方法9常規(guī)充電法10快速充電技術(shù)12第4章充電機(jī)設(shè)計(jì)144.1充電機(jī)電路原理圖144.2電路原理154.3主要元件的選擇16第5章總結(jié)語18參考文獻(xiàn)19致謝20.PAGE.....第1章緒論1.1課題研究的目的和意義鉛酸蓄電池因其可循環(huán)再充電的特性,以及成本低廉、使用安全、無污染等優(yōu)點(diǎn),在目前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需求正日益增大。相應(yīng)的,蓄電池的充電技術(shù)也引起了普遍的關(guān)注。一方面,傳統(tǒng)的充電方法充電時間較長,遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。資料表明,使用傳統(tǒng)的恒壓或恒流充電方法一般大約需要20小時左右的時間才能充滿。另一方面,充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池的充電要求,會嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。國內(nèi)外多年來的實(shí)踐證明,蓄電池浮充電壓偏差5％,電池的浮充壽命將減少一半。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,國內(nèi)蓄電池很難達(dá)到規(guī)定的浮充壽命<一般12～16年>,大量的蓄電池在使用幾年后即報(bào)廢,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此如何正確地監(jiān)控和測量蓄電池的充電狀態(tài)、減少充電損耗、提高充電速度,延長蓄電池的壽命,具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。1.2國內(nèi)外研究概況上個世紀(jì)初,隨著二次電池的研究成功,與之相配套的充電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。這種充電機(jī)采用常規(guī)充電法,即用小電流,長時間對蓄電池進(jìn)行充電。隨著汽車工業(yè)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,電源技術(shù)及與之相關(guān)的充電技術(shù)也隨之發(fā)展。為了滿足快速有效的充電要求,人們廣泛開展了充電機(jī)研究。充電機(jī)也從早期的普通型、可調(diào)型,發(fā)展到現(xiàn)在的快速充電型。快速充電機(jī)的產(chǎn)生大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：〔1摸索階段最早是在上個世紀(jì)50年代,美國由于軍事上的需要,開始研究快速充電技術(shù),制成了金屬整流器型快速充電機(jī),用于6-24V鉛酸蓄電池的快速充電,其重量為40Kg,有快、中、慢三種充電模式?！?理論研究階段1967年美國人馬斯<Mas>研究了充電過程中產(chǎn)生氣泡的問題,發(fā)現(xiàn)出氣的原因和規(guī)律,他以最低出氣率為前提,找出了蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線,對蓄電池快速充電的理論進(jìn)行了探討,并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上,提出了蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律?！?實(shí)際應(yīng)用階段1970年美國麥卡洛克<Mcculloch>電子公司制成了鉛酸蓄電池快速充電機(jī),對190AH的電池施以500A的電流充電,而以1200A的電流短時間放電去極化處理,結(jié)果在30分鐘就把電池充好。除美國外,其他如日本、英國、法國、德國、前蘇聯(lián)等國也在快速充電技術(shù)方面有不同程度的發(fā)展。英國聯(lián)營公司<EurotecFinishingSystems>發(fā)明的"TEC總能量智能式充電控制技術(shù)"及其控制系統(tǒng),有效地控制了粉粒充電時所需的能量,克服現(xiàn)有電暈式充電系統(tǒng)及磨擦式充電系統(tǒng)所引致的各種問題,解決了"法拉第屏蔽效應(yīng)"及"反向電離作用"等問題。國內(nèi)對快速充電機(jī)的研究時問不長,只有二十年左右的時間,但已取得很大的進(jìn)展。如國營第755廠、756廠和804廠、北京華能電子儀器廠、6913廠等單位分別對鎳鎘蓄電池與充電技術(shù)及裝置進(jìn)行了研究,研制出了脈沖充電裝置,使鎳鎘蓄電池的充電時間減少到l-3小時。中國人民解放軍第二炮兵智能充電研究所、中國人民解放軍80438部隊(duì)也研究出了智能充電機(jī),為軍用通信裝備配套電源的電池及鉛酸電池充電。近年來充電機(jī)的研究方面主要呈現(xiàn)如下幾個特點(diǎn)：a.集成化、高密度化。它包含了兩層含義,一是構(gòu)成功率器件的元件微型化、密集化；二是功率器件集成在單片IC中,從而使系統(tǒng)控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測和末級功率放大集成為一體。b.高頻化。提高主功率變換器件的開關(guān)速度,可明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容體積、重量等。這也使得殲關(guān)器件的研制從改進(jìn)電壓、電流的兩維體系發(fā)展到提高頻率的三維體系。高頻化的實(shí)現(xiàn)建立在高開關(guān)速度功率器件的基礎(chǔ)上,電力電子技術(shù)的發(fā)展為其創(chuàng)造了條件。c.智能化。主要體現(xiàn)在對被充電電池的自適應(yīng)性和對環(huán)境的自適應(yīng)性方面。智能化具體表現(xiàn)為能識別充電電池的類型,能檢測到當(dāng)前狀態(tài),并根據(jù)被充電電池的這些信息自動生成最佳充電曲線,保證在最短時間內(nèi),高效地將電池充滿。由于自動生成最佳充電曲線與制造廠提供的曲線一致,也保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài),從而延長了電池的使用壽命。1.3論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的充電機(jī)具有充電設(shè)備質(zhì)輕、高效、低噪音和高性能的優(yōu)點(diǎn),做到既節(jié)約用電又減少對電池的損害。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：〔1鉛酸蓄電池快速充電原理；〔2各種充電方法,實(shí)現(xiàn)了變電流充電等多種充電方式；〔3完成了蓄電池充電機(jī)的設(shè)計(jì)。本文具體結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論。介紹了課題研究的背景、目的及意義,綜述了國內(nèi)外的發(fā)展情況。第二章鉛酸蓄電池的組成、特性及其工作原理。第三章鉛酸蓄電池的充電方法。論述了當(dāng)前常用蓄電池充電方法。第四章充電機(jī)的設(shè)計(jì)。主要是電路的設(shè)計(jì)。第五章課題總結(jié)。第2章鉛酸蓄電池的組成、特性及其工作原理2.1鉛酸蓄電池的組成[1-3]電動汽車用動力鉛酸電池有多種,常見的有個干呵電式蓄電池、濕荷電式蓄電池、閥控式蓄電池、免維護(hù)蓄電池、膠體蓄電池、水平板式蓄電池等。動力鉛酸蓄電池與一般啟動用的蓄電池不同,既要求有瞬時大電流放電特點(diǎn),又要求鉛酸蓄電池有持續(xù)大電流放電的能力。構(gòu)成鉛酸蓄電池的主要部件有正極活性物質(zhì),負(fù)極活性物質(zhì),電解液,此外還包括隔板、電池槽和一些必要部件。正負(fù)極活性物質(zhì)是分別固定在各自的板柵上,活性物質(zhì)加上板柵組成正極或負(fù)極。板柵在電池中雖不參加成流反應(yīng),但是對電池的主要性能如容量、壽命、比功率等都有很大的影響。一個單體鉛酸蓄電池的電壓為2.OV。為滿足一些用途的需要,也可以將幾個單體電池裝配在同一個電池槽中組成電池組使用?！?酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：原料易得,價格相對低廉；高倍率放電性能良好；溫度性能良好,可以在-40～+60℃的環(huán)境下工作；適合于浮充電使用,使用壽命長無記憶效應(yīng)；廢舊電池容易回收,有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境；單格電壓高,汽車用鉛酸蓄電池單格額定電壓可達(dá)2.0V,開路電壓2.1V,工作電壓1.8V～2.0V?！?鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：比能量低,一般為30～40wh／kg；使用壽命相對較短；制造過程容易污染環(huán)境,必須配備三廢處理設(shè)備。2.2鉛酸蓄電池的特性〔1鉛酸蓄電池的內(nèi)阻當(dāng)電流流過蓄電池時,蓄電池兩端所呈現(xiàn)出來的電阻稱為蓄電池的內(nèi)阻,這個內(nèi)阻與其它電源的內(nèi)阻有所不同,它包含兩個部分,即：其中為電極與電解液的內(nèi)阻之和,該電阻遵守歐姆定律,是不變的量；是由于電流流過蓄電池時兩電極的電位有所改變而表現(xiàn)出來的,因此又稱為極化電阻或假電阻,其值與流過電池的電流強(qiáng)度有關(guān),電流越大,越大?！?鉛酸蓄電池的極化[20]所謂極化,是指電流通過蓄電池時,正負(fù)極板表面電位的偏移。蓄電池在充電過程中,除了電化學(xué)反應(yīng)會使蓄電池的端電壓升高外,蓄電池中產(chǎn)生的極化電壓<共有三種：電阻極化、離子濃差極化、電化學(xué)極化>也會使蓄電池的端電壓升高。鉛酸蓄電池的極化現(xiàn)象對其充電的負(fù)面影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：a.極化產(chǎn)生的過電壓會阻礙充電電流增加,減緩電池的化學(xué)反應(yīng)速度。b.使化學(xué)反應(yīng)過程中的水解加劇,產(chǎn)生大量氣體。產(chǎn)生的氣體不僅會延緩電池的充電過程,而且對極板有嚴(yán)重的腐蝕作用。c.電池內(nèi)部水解將產(chǎn)生大量的熱量,使電解液的溫度升高。當(dāng)電池溫度升高到一定的程度時,會引起極板受熱變形,以致?lián)p壞。d.水解所消耗的熱量損失不能得到利用,從而也就浪費(fèi)了能量,降低了充電過程的電能效率?？梢姌O化所產(chǎn)生的過壓、氣泡、溫升、能耗等對蓄電池都是極為不利的。此外,充電電流愈大,則極化現(xiàn)象愈嚴(yán)重。如果不設(shè)法消除或緩和極化現(xiàn)象,就難以實(shí)現(xiàn)高效、快速無損充電。這也是長期以來人們用小電流進(jìn)行常規(guī)充電的原因?！?鉛酸蓄電池的老化電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開始使用的一段時間內(nèi),電池容量增加大約5％～10％,接下來的一段時間,電池的容量大約不變,然后開始慢慢減少,即開始了電池的老化過程。當(dāng)老化達(dá)到一定程度時,電池就報(bào)廢了。一般經(jīng)驗(yàn)來講,當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的80％時,就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了?！?鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命循環(huán)壽命是指在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之自口所經(jīng)歷的充放電循環(huán)的次數(shù),通常用來定義蓄電池的使用壽命。蓄電池的放電深度影響循環(huán)壽命,放電深度不同,電池的循環(huán)壽命是不同的。在正常維護(hù)條件下,蓄電池浮充供電的時間,稱為浮充壽命。〔5鉛酸蓄電池的自放電當(dāng)電池處于閑置不用<非工作狀態(tài)>時,雖然沒有電流流過蓄電池,但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行,這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無益的損耗,使電池的容量下降,通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。2.3鉛酸蓄電池的工作原理[4]〔1鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生鉛酸蓄電池充電后,正極板二氧化鉛<>,在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)一氫氧化鉛<>,氫氧根離子在溶液中,鉛離子<>留在正極板上,故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后,負(fù)極板是鉛<>,與電解液中的硫酸<>發(fā)生反應(yīng),變成鉛離子<>,鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中,負(fù)極板上留下多余的兩個電子<>?？梢?在未接通外電路時<電池開路>,由于化學(xué)作用,正極板上缺少電子,負(fù)極板上多余電子,兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差,這就是電池的電動勢?！?鉛酸蓄電池放電過程的電化學(xué)反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時,在蓄電池的電位差作用下,負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流同時在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個鉛原子放出兩個電子后,生成的鉛離子<>與電解液中的硫酸根離子<>反應(yīng),在極板上生成難溶的硫酸鉛<>。正極板的鉛離子<>得到來自負(fù)極的兩個電子<>后,變成二價鉛離子<,與電解液中的硫酸根離子<>反應(yīng),在極板上生成難溶的硫酸鉛<>。正極板水解出的氧離子<>與電解液中的氫離子<>反應(yīng),生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負(fù)極,在電池內(nèi)部形成電流,整個回路形成,蓄電池向外持續(xù)放電?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：正極電解液負(fù)極正極電解液負(fù)極從上面的化學(xué)反應(yīng)式可以看出,放電時濃度不斷下降,正負(fù)極上的硫酸鉛增加,電池內(nèi)阻增大<硫酸鉛不導(dǎo)電>,電解液濃度下降,電池電動勢降低。〔3鉛酸蓄電池充電過程的電化學(xué)反應(yīng)充電時,應(yīng)在外接直流電源,使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì),并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。在正極板上,在外界電流的作用下,硫酸鉛被離解為二價鉛離子<>和硫酸根負(fù)離子<>,由于外電源不斷從正極吸取電子,則正極板附近游離的二價鉛離子<>不斷放出兩個電子來補(bǔ)充,變成四價鉛離子<>,并與水繼續(xù)反應(yīng),最終在正極極板上生成二氧化鉛<>。在負(fù)極扳上,在外界電流的作用下,硫酸鉛被離解為二價鉛離子<>和硫酸根負(fù)離子<>,由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子,則負(fù)極板附近游離的二價鉛離子<>被中和為鉛<>,并以絨狀附著在負(fù)極板上。電解液中,正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子<>和硫酸根離子<>,負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子<>,在電場的作用下,氫離子向負(fù)極移動,硫酸根離子向正極移動,形成電流?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：正極電解液負(fù)極正極電解液負(fù)極應(yīng)該指出,上述反應(yīng)只是鉛酸蓄電池充電時人們所期望的主反應(yīng)。在傳統(tǒng)的非理想的充電方式下,往往伴隨著一個很難避免的副反應(yīng),即水的電解。在傳統(tǒng)充電方式的后期,由于正、負(fù)極板上的硫酸鉛已大部分轉(zhuǎn)變成二氧化鉛和絨狀鉛,充電電流如果超過剩余活性物質(zhì)的需求,則充入的電能將主要消耗于水的電解。結(jié)果在電池的負(fù)極會有氫氣<>,在J下極則會有氧氣<>逸出,造成十分強(qiáng)烈的冒泡現(xiàn)象。電解水的反應(yīng)是：所以在充電末期必須注意盡可能減小充電電流,以免產(chǎn)生氣泡過于劇烈,沖刷極板,導(dǎo)致極板上的活性物質(zhì)脫落損壞,降低電池的容量和壽命,同時還會導(dǎo)致水的消耗大為增加,浪費(fèi)電力和蒸餾水,也增加了管理和維護(hù)的麻煩?！?鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化[6]從上面分析可以看出,鉛酸蓄電池放電時,電解液中的硫酸不斷減少,水逐漸增多,溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時,電解液中的硫酸不斷增多,水逐漸減少,溶液比重上升。實(shí)際工作中,可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。第3章鉛酸蓄電池的充電方法3.1蓄電池充電理論基礎(chǔ)[10-12]60年代中期,美國科學(xué)家馬斯提出了以最低出氣率為自口提的蓄電池可接受的充電電流曲線[19],即任一時刻蓄電池能接受的充電電流。-電池可接受的充電電流,時刻的最大充電電流,-電池充電電流的接受比,又稱固有接受比,<c為電池的最大容量>。圖3.1為蓄電池的可接受充電電流曲線。該電流曲線也被稱為馬斯曲線。馬斯充電曲線的規(guī)律如下：〔1如果充電電流工作在N區(qū),則電流過大,會導(dǎo)致溫升,在充電電壓過高時會有大量氣體析出．會對電池造成損壞。〔2如果充電電流工作在M區(qū),是可接受的,但充電時間不能達(dá)到最短。〔3如果充電電流按馬斯曲線變化,可以大大縮短充電時間,并且對電池的容量和壽命也沒有影響。馬斯的可接受充電電流曲線為蓄電池充電提供了理論指導(dǎo)。按照該理論,充電過程中,若充電電流按馬斯曲線規(guī)律變化,就可既縮短充電時間又保證低出氣率。然而事實(shí)上充電電流不可能完全按照馬斯曲線規(guī)律變化,因此當(dāng)前提出的快速充電方法都是讓充電曲線盡可能地模擬馬斯曲線。圖3.1馬斯充電曲線由圖3.1可以看出：初始充電電流很大,是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在蓄電池充電過程中,內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣,當(dāng)氧氣不能被及時吸收時,便堆積在正極板<正極板產(chǎn)生氧氣>,使電池內(nèi)部壓力加大,電池溫度上升,同時縮小了正極板的面積,表現(xiàn)為內(nèi)阻上升,出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。蓄電池充電過程和放電過程互為逆反應(yīng)?？赡孢^程就是熱力學(xué)的平衡過程,為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電,必須盡量使通過電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是,實(shí)踐表明,蓄電池充電時,外加電壓必須增大到一定數(shù)值才行,而這個數(shù)值又因?yàn)殡姌O材料,溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學(xué)反應(yīng)中,這種電動勢超過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象,就是極化現(xiàn)象。一般來說,產(chǎn)生極化現(xiàn)象有下面三個方面的原因。〔1歐姆極化：充電過程中,正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力,稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻,外加電壓就必須額外施加一定的電壓,以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境,出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大,歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫?！?濃度極化：電流流過蓄電池時,為維持正常的反應(yīng),最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時得到補(bǔ)充,生成物能及時離去。實(shí)際上,生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度,從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說,從電極表面到中部溶液,電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化?！?電化學(xué)極化：這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度,落后于電極上電子運(yùn)動的速度造成的。例如：電池的負(fù)極放電前,電極表面帶有負(fù)電荷,其附近溶液帶有正電荷,兩者處于平衡狀態(tài)。放電時,立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少,而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢,不能及時補(bǔ)充電極表面電子的減少,電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開電極,金屬離子轉(zhuǎn)入溶液,加速反應(yīng)進(jìn)行?？傆幸粋€時刻,達(dá)到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比,電極表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了,與此對應(yīng)的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高,從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理,電池正極放電時,電極表面所帶正電荷數(shù)目減少,電極電勢變負(fù)。這三種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。極化現(xiàn)象大大阻礙了電池充電,要實(shí)現(xiàn)快速充電必須減弱電池充電的極化。3.2鉛酸蓄電池充電方法[13-17]汽車用動力鉛酸電池有多種,常見的有個干呵電式蓄電池、濕荷電式蓄電池、閥控式蓄電池、免維護(hù)蓄電池、膠體蓄電池、水平板式蓄電池等。動力鉛酸蓄電池與一般啟動用的蓄電池不同,既要求有瞬時大電流放電特點(diǎn),又要求鉛酸蓄電池有持續(xù)大電流放電的能力。3.1.1常規(guī)充電法常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是"安培小時規(guī)則"：充電電流安培數(shù),不應(yīng)超過蓄電池待充電的安時數(shù)。實(shí)際上,常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。一般來說,常規(guī)充電方法有以下三種?！?恒電流充電法恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法,保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法,如圖3.2所示。該充電方法控制簡單,目前被廣泛使用。對于串聯(lián)蓄電池組<特別是串聯(lián)數(shù)量較多時>的充電,該充電方法能使電池組中個別落后電池進(jìn)行完全充電,恢復(fù)其容量,因而優(yōu)于恒壓充電。在蓄電池活化充電中,最好使用小電流長時間恒流充電模式。它的缺點(diǎn)是：充電電流在初始階段過小,中后期又過大,充電時間一般在15h以上,析氣嚴(yán)重,對蓄電池危害較大,能耗高<充電效率低于65％>。圖3.2恒電流充電曲線〔2恒電壓充電法整個充電過程中保持蓄電池充電電壓不變,隨著蓄電池端電壓的逐漸升高,電流逐漸減少。與恒流充電法相比,其充電過程更接近于最佳充電曲線。恒壓充電曲線如圖3.3所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低,充電電流很大,隨著充電的進(jìn)行,電流將逐漸減少,因此只需簡單控制系統(tǒng)。圖3.3恒電壓充電法曲線這種充電方法電解水很少,避免了蓄電池過充電。但在充電初期電流過大,對蓄電池壽命造成很大影響,且容易使蓄電池極板彎曲,造成電池報(bào)廢。鑒于這種缺點(diǎn),恒壓充電很少使用,只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如在汽車運(yùn)行過程中,蓄電池就是以恒壓充電法充電的?！?多階段充電法該充電方法把恒流恒壓充電方法結(jié)合起來,在蓄電池充電起始階段采用大電流恒流充電,在充電的中后期采樣恒壓充電,降低了蓄電池充電電流,減少了析氣,保護(hù)了電池。二階段恒流充電法采用二段恒流充電,第一段為大電流恒流充電,蓄電池充電初期可接受的充電電流較大,因此第一段采用大電流恒流充電以使電池獲得大部分的電量。隨著充電的進(jìn)行蓄電池可接受的充電電流不斷減小,當(dāng)蓄電池端電壓到達(dá)設(shè)定值時,蓄電池進(jìn)入第二段小電流恒流充電。二階段恒流充電法的充電效果比恒壓或恒流充電法要好。其充電示意圖如圖3.4所示。不過,它只是對馬斯曲線的粗略模擬,還是達(dá)不到蓄電池高性能快速充電的要求。圖3.4二階段恒流充電曲線b.二階段恒流恒壓充電法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的充電方法,如圖3.5所示。第一段為恒流充電,充電電流為,時刻蓄電池端電壓達(dá)到,此時進(jìn)入第二段恒壓充電。恒壓段充電電壓一般即為第一段與第二段的轉(zhuǎn)換電壓。圖3.5二階段充電法曲線c.三階段充電法在充電初始階段和最后階段時采用恒電流充,中間階段用恒電壓充電。當(dāng)蓄電池的端電壓到達(dá)設(shè)定值,蓄電池進(jìn)入第二階段恒電壓充電,隨著充電的進(jìn)行,蓄電池的端電壓不斷升高,充電電流不斷減小,當(dāng)電流減小到設(shè)定值,蓄電池進(jìn)入第三階段恒流充電,其充電曲線如圖3.6所示。圖3.6三階段充電法曲線3.1.2快速充電技術(shù)要實(shí)現(xiàn)快速充電需要解決兩個問題：一是增大充電電流,二是消除極化電壓。第一個問題容易解決,而第二個問題即如何消除充電過程中電池內(nèi)部的極化電壓才是關(guān)鍵,因?yàn)槌潆婋娏鞔髸r,極化電壓也隨之增大。具體地說,快速充電法就是利用蓄電池在充電初、中期可接受較大充電電流的特性,在充電初期以大電流充電,并以一定頻率對蓄電池停止充電和釋放一定量的極化電壓提高蓄電池可以接受的充電電流,從而大大縮短充電時間,快速充電機(jī)就根據(jù)這個原理來設(shè)計(jì)的。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。〔1脈沖式充電法[18]這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率,而且能夠提高蓄電池充電接受率,從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制,這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電,然后讓電池停充一段時間,如此循環(huán)。充電脈沖使蓄電池充滿電量,而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除,從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓,使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行,使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間,減少了析氣量,提高了蓄電池的充電電流接受率?！?Reflex快速充電法這種技術(shù)是美國的一項(xiàng)專利技術(shù),它主要面對的充電對象是電池。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(tài)的檢測方法與電池有很大的不同,但它們之間可以相互借鑒,互作參考。Reflex快速充電法實(shí)際是對脈沖式充電法的改進(jìn)。它在脈沖式充電法的基礎(chǔ)上加入反向放電,大大減弱的蓄電池充電的極化現(xiàn)象,增大了蓄電池可接受充電電流。因此能夠減少了蓄電池的快速充電的時間。Reflex充電模式的一個周期為1s,一個工作周期由三個部分組成：正向充電脈沖<983ms>,反向瞬間放電脈沖<5ms>,維持及檢測用的脈沖<12ms>?！?變電流、電壓間歇充電法[7][8]變電流間歇充電方法是由XX大學(xué)的陳體銜教授提出的。其特點(diǎn)是把恒流充電改為限電壓變電流充電。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法,保證加大充電電流,獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電,獲得過充電量,將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充,使蓄電池可以吸收更多的電量。從本質(zhì)上講變電流間歇充電方法也是符合馬斯曲線定律的。從馬斯曲線上,我們很容易看出蓄電池可接受的充電電流隨著充電時間的增加而減小。變電流間歇充電方法正是根據(jù)這一結(jié)論,在充電初期用大電流充電,隨著充電的進(jìn)行不斷減少充電電流,并在變電流轉(zhuǎn)換階段停充一段時問使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除,從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓,使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行。上面介紹了各種常規(guī)充電和快速充電方法,這些充電方法都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。如二階段充電雖然充電效率低,但由于其控制簡單實(shí)現(xiàn)方便,因此該充電方法卻是當(dāng)前汽車上使用最廣泛的充電方法。脈沖充電、變電流充電及變電壓充電方法雖然充電效果好充電時間短,但由于它們控制復(fù)雜,因此這些充電方法使用較少。第4章充電機(jī)設(shè)計(jì)4.1充電機(jī)電路原理圖通常使用的充電機(jī)幾乎都是將交流電經(jīng)變壓器變壓后,整流成直流電,再加到蓄電池上充電的。這種電路的一個最大缺點(diǎn)是輸出功率小,體積大,特別是輸出電流小,不利于快速充電,產(chǎn)生這種問題的主要原因是電路中有變壓器．對于要求大電流、高電壓整流電路來說,就使得充電機(jī)的體積增大,輸出的電流、電壓范圍受到限制,而且充電的效果也不理想?；谝陨系膯栴},本文設(shè)計(jì)圖4.1電路制作出的充電機(jī)能夠克服上述缺點(diǎn),而且輸出的電流脈動率高,充電效果較好。其輸出電壓范圍為<0～85>V,輸出電流范圍為<0～30>A,可用于對各種蓄電池的充電。圖4.14.2電路原理可控硅是一個可控制的單向?qū)щ婇_關(guān),在交流電路中具有整流作用,而且整流出的電壓受控于控制極脈沖電壓的大小和寬度。根據(jù)這個原理,將可控硅串聯(lián)于220V交流電路中,并利用單結(jié)管電路作為可控硅控制極的控制電路,以實(shí)現(xiàn)整流交流電的目的。圖4.2如圖4.1所示電路,其中、、組成整流電路,可控硅為核心整流元件,在控制極脈沖[如圖4.2〔b所示波形]的作用下將交流電變?yōu)橹绷麟姟：痛?lián)后并接于可控硅的兩端,其作用是保護(hù)可控硅不被擊穿,稱為阻容保護(hù),其實(shí)質(zhì)就是將造成"過電壓"的能量變成電場能量儲存到電容器中,然后釋放到電阻中去消耗掉。具體來說,當(dāng)可控硅換向時,由于殘留載流子的存在,在反向電壓的作用下,將以反向電流的形式流過回路,當(dāng)反向阻斷能力恢復(fù)時,電流迅速減少,若回路中有電感存在,將會產(chǎn)生一個比工作電壓高數(shù)倍的尖峰脈沖,有可能使可控硅擊穿。在可控硅兩端并聯(lián)電容后,利用電容器上電壓不能突變的規(guī)律,可以減緩電壓的上升。從電容器充放電電流公式得?？梢钥闯?將取得足夠大,而尖峰脈沖的時間都很短,故上電壓的終值可限制在可控硅的允許范圍內(nèi)。電阻的作用主要有兩個,一是可以阻尼電容和電路中的形成振蕩；另一是限制電容放電時的電流上升率,因?yàn)楫?dāng)可控硅未導(dǎo)通時,電容器是儲積著電能的,一旦可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通,電容上的電荷立即經(jīng)可控硅形成短路放電回路,若沒有電阻限流,這個放電電流的瞬時值可能很大,電流上升率若超過其極限值,可能使可控硅損壞。由、、、、、、、、、及組成控制電路,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制可控硅的導(dǎo)通角,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓大小的控制．其中、部分產(chǎn)生降壓整流作用,向觸發(fā)電路提供直流偏置電壓。、起穩(wěn)壓作用,使單結(jié)管輸出的脈沖幅度和每半周產(chǎn)生第一個脈沖<第一個脈沖使可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后,后面的脈沖都是無用的>的時間不受交流電電源電壓的波動的影響,觸發(fā)電路能穩(wěn)定工作。和稱充電電阻,為放電電阻,為溫度補(bǔ)償電阻。電源接通后,電流經(jīng)整流后,由電阻、對電容充電,當(dāng)點(diǎn)電位達(dá)到單結(jié)管的導(dǎo)通電壓后,單結(jié)管導(dǎo)通,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,以控制可控硅的導(dǎo)通角。決定放電的快慢,影響著輸出觸發(fā)脈沖的寬度T見圖4.2〔b波形。如果改變電位器的電阻值,例如,增大阻值,電容器的充電變慢,因而每半波出現(xiàn)第一個脈沖的時問后移,從而使可控硅的導(dǎo)通角變小,輸出電壓的平均值也變小。因此改變是起移相的作用,達(dá)到調(diào)壓的目的。4.3主要元件的選擇可控硅的選取應(yīng)考慮兩個方面因素。一是正向阻斷電壓和反向峰值電壓。正向阻斷電壓：,正向電壓；反向峰值電壓：,反向電壓。二是額定正向平均電流的有效值應(yīng)大于負(fù)載電流有效值的原則。根據(jù)以上原則選取可控硅是。觸發(fā)電路參數(shù)的選擇。根據(jù)"節(jié)點(diǎn)電壓"公式,得,又,,則。由此式可以看出,單結(jié)管觸發(fā)電路的輸入信號取決于、。及穩(wěn)壓值。其是電容器充電時間常數(shù),電路中可控硅和單結(jié)管確定后,必然要求電容充放電的時間常數(shù)確定。充電電阻的最大值和最小值是根據(jù)可控硅移相的要求與充電電容器的大小決定的。若充電電阻太小,會使流入單結(jié)管極的電流大于谷點(diǎn)電流,這時單結(jié)管導(dǎo)通后不能再關(guān)斷,甚至?xí)箞D4.2〔b中的鋸齒波從原來很多變?yōu)闆]有．這個現(xiàn)象叫"直通"．為了避免這種情況發(fā)生,必須減小電容量,否則,只能限制充電電阻,使之不能太小,這樣又將影響移相范圍,使可控硅最大導(dǎo)通角受到限制．從單結(jié)管不能"直通"的情況出發(fā),充電電阻的最小值為,其中為單結(jié)管的谷點(diǎn)電壓,為谷點(diǎn)電流,為單結(jié)管、。極間電壓。查單結(jié)管參數(shù)并代人上式得。充電電阻通常取。同樣,若放電電阻太小,放電太快,尖峰脈沖就會太窄。由于可控硅導(dǎo)通需要一定時間,這就需要觸發(fā)脈沖有一定的寬度,所以脈沖太窄就不易使可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。若放電電阻選得太大,由于單結(jié)管的未導(dǎo)通時電源加在之間有約幾毫安的電流,這樣就會在上產(chǎn)生較大的電壓,這個電壓加在可控硅控制極上就有可能導(dǎo)致可控硅誤觸發(fā)。不觸發(fā)時,可控硅觸發(fā)電路的電壓應(yīng)小于,所以,上的電壓降也不應(yīng)大于,一般選。該電路圖中。若電容器的容量太小,儲存的電能不夠,因而放電脈沖太窄,不易使可控硅觸發(fā)。若電容器的容量太大,又與充電電阻的選擇相矛盾。這是由于電容器的充電時間常數(shù)是定值,電容器的容量太大還會引起單結(jié)管"直通",發(fā)不出脈沖。所以電容器的選擇范圍為<當(dāng)然對于大容量的可控硅,電容可取大一些的>,本電路中,。溫度補(bǔ)償電阻的選擇是以單結(jié)管的峰值電壓不隨