【文章內容簡介】 （25）聯立式(24)和(25)得: （26）式中:K一放電電流常數由放電電流大小決定。 :電池對任何給定的放電量C，充電時電流接受率。和放電電流Id對數成正比，有: （27）將式(25 )帶入式( 27 )得: （28）式中:k一計算常數。 :電池用不同的放電率放電，其能接受的總電流h是各個電流總和，有: （29） 綜述，電池的總電流接受率為: （210）式中: I1,I2 , I3 ,I4......一各放電率允許充電電流。 Ct一各放電量總和。 馬斯三定律說明:一個蓄電池，當充入任一容量C時，它的充電接受率越高，充電速率越快。蓄電池大電流充電時，可適當的加入反向瞬時大電流放電，消除極化，使電池的充電接受能力恢復到原來狀態(tài)，減少充電時間。 動力電池是電動汽車關鍵性技術之一，它直接影響著電動汽車的整車性能。電池是它的核心，而充電方法則是核心中的重點，選擇正確的充電方法對于電動汽車來說是非常重要。下面介紹了凡種傳統(tǒng)充電方法波形如圖25如下。（a）恒流充電 （b）恒壓充電 （c）壓限流充電 圖25 如圖25（a），充電時，電池電壓不斷升高，電流不斷下降，為了保持電流不變，要不斷升高電源電壓，這對充電裝置的自動調節(jié)度就高。在電池允許的最大充電電流范圍內，充電電流越大，充電速度越快。但一直大電流充電，電池內部會因溫升過高，造成極板上的活性物質大量脫落和彎曲，電池容量也會急速下降，造成電池提前報廢，該法使用較少。 如圖25 (b)，充電時，電壓一直不變，充電啟動電流很大，隨著充電的進行，電池端電壓不斷升高直至充電電壓值，充電電流減小約為零，該法嚴重影響電池使用壽命，不可取。 在充電的整個過程中，分兩個階段。如圖25(c)，在充電的第一階段，用恒定的電流充電。當電池的端電壓達到一定的電壓后，保持此電壓不變，轉入第二階段的充電，當充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時即可停止充電，該法節(jié)能，充電徹底，是目前常用充電法。鋰電池是個特殊的電池，所以對其充電方式的要求很高。主要有常規(guī)和脈沖快速充電。 圖26 圖27 如圖26，以單體鋰電池為例，電池接通后，先對其恒、小電流充電，是為了檢查電池好壞與否。先用C/15速率對電池涓充。若達不到說明電池報廢(這個時間有點長)。若能達到，直接用較大的恒流速率(1C)快速充電，此時，電池容量約為50%80%，在充電全過程中，該階段充電速度最快，大概半小時。然后恒壓充電，隨著電壓不斷升高，充電電流不斷減小，當電流達到C/10或C/15速率，便可停充。該法不能消除電池極化，充電效果不理想。 如圖27，該充電法的前兩區(qū)和常規(guī)充電法一樣，此時，充電電流達到了最大接受電流，不能再持續(xù)大電流充電，否則電池會因溫升過高和析氣增多而損壞電池甚至導致爆炸。，改為脈沖充電，充電時間越來越短，停充時間越來越長，即脈沖周期越來越長，占空比越來越長。當占空比低于5%至10%時，終止充電。 該充電方式是集常規(guī)充電和脈沖充電優(yōu)點于一身，可消減極化和析氣現象，提高充電速度，延長電池周期，使用更安全、更貼切用戶使用標準。 電池在充電過程中，伴隨著極化現象，極化會阻礙電池充電、析氣率和溫度升高。電池的極化可分為歐姆極化、電化學極化、濃差極化三種，各個極化響應速度不同。如圖11，在充放電初期，主要是以電化學極化為主，其它兩種為輔。中期三者公共參與。末期則主要是濃差極化。整個過程，歐姆極化變化最小，濃差極化變化最快，電化學極化介于兩者間。圖28 在電池充電過程中，其內部的正負離子分別向正負極板移動，同時受到了極板和電解質溶液電阻的妨礙，導致電池端電壓和溫度升高。充電電流越大，溫升越高，析氣越多，嚴重影響著電池的容量和使用壽命。 在電池充電過程中，電池的正負極的活性物質與電解質溶液間發(fā)生化學反應。電化學反應速度遠不及電子運動速度，造成正負極板上積聚的電荷量差距越來越大，電化學極化也逐漸明顯，阻礙電池充電。 在電池充電過程中，因電化學反應速度遠快于離子運動速度，使得電池極板上離子濃差明顯，造成了電解質溶液的極化現象。充電電流越高，電化學反應越激烈，濃差極化就越明顯，妨礙電池充電。 全球對于電動汽車動力電池的研發(fā)、使用及管理都做了很多研究和工作，電池模型主要有電化學模型、熱模型、藕合模型和電池等效模型四種類型，電池等效模型描述的是電池在工況下的外特性，是電動汽車整車仿真的重要部分。 在充電時，電池其實是充電器上的一個負載，但它既不是阻性負載，也不是感性或容性負載，而是個時變、動態(tài)負載，充放電特性復雜，建立準確的電池等效模型成為整車仿真的主要難點之一。 等效電池模型相較于其他模型，它具有簡單、直觀、便于建模等特點，在電動汽車整車仿真中，得到了廣泛應用。下面介紹了幾款電池等效模型如下所示。 如圖29為電池開路電壓。電池極化和歐姆內阻等效成內阻R，直接通過充電時，端電壓和電流比值獲得，該模型既未考慮R其實是隨著電池SOC、電流和溫度等因素而變，也未涉及電池內部動態(tài)特性，即該模型只適用仿真電路，不適合電動汽車。 圖29 內阻模型 圖210Thevenin模型 Thevenin模型 如圖210，是在內阻模型的基礎上，把電池內阻分開分析。R1歐姆內阻。R2極化內阻。C極化電容，與R2組成回路，用以描述電池特性。 該模型完全考慮到電池內部因素變化，結構簡單，但只描述電池暫態(tài)特性，不能預測電池工作狀態(tài)，對運行中電動汽車來不適用。 如圖211，由兩個部分組成:一由R3(電解質溶液反應的內阻)、R2(歐姆內阻)和與之并聯的C2電容、Rl(能量損失的電阻)和與之并聯的Cl電容組成。二由充放電特性的RS和ES組成。 該模型雖能很好的展示電池動靜態(tài)特性，卻為一階系統(tǒng)，而電池是個復雜系統(tǒng)，所以要提高系統(tǒng)的階數，得到更準確的電池特性，隨之而來的便是設計的難度變大。首先階數高了，后期計算較繁瑣耗時。其次電池參數難確定，直接影響模型建立，為此，本模型實際應用較少。 圖211四階動態(tài)模型 圖212 PNGV模型 PNGV模型 如圖212， R1歐姆電阻。R2極化電阻。C2極化電容。C1為負載電流的時間積分變化關系。 電池充放電時，電流隨著時間增長，促使SOC變化，導致Cl上電壓發(fā)生變化，Cl容量既代表電池容量，也代表直流響應，填補了Thevenin模型不足，為以后電動汽車仿真模型的研究提供了依據。 GNL模型 如圖213，R0歐姆電阻。C0儲能電容。R1, C1分別為電化學極化電阻和電容。R2, C2分別為濃差極化電阻和電容。RS自放電/過充電電阻。該模型對電池的三種電阻分開來建模，并把電池的過放電/過充電的影響也考慮進去，物理意義更明確，更好的反映了電池電壓的變化過程，提高了電池模型的精度，能讓研究人員更好的研究電池容量、充放電時間、動態(tài)特性及暫態(tài)響應等性能，是個較理想的等效模型，廣泛應用于電動汽車動力電池的建模，特別適合鋰電池組的仿真模型研究。 圖213 GNL模型 本章首先從鋰電池工作原理及內部結構敘述，詳細介紹了充電方法、理論依據及影響快速充電的極化現象，然后通過幾款常用電池模型的分析，表明電池特性在整個系統(tǒng)中的重要性，最后得出GNL模型是最適合作為鋰電池組的模擬模型。第3章 三相電壓型PWM整流器的基本原理與建模分析 本文蓄電池充電裝置是采用可逆PWM整流器的智能充電裝置，PWM整流器既可工作于整流狀態(tài)又可工作于逆變狀態(tài)，從而實現能量再生和提高網側功率因數，降低對電網的諧波污染。并采用饋能放電，將蓄電池電能回饋到電網，節(jié)省電能。三相電壓型PWM整流器是本系統(tǒng)研究的基礎，擔負著為蓄電池充電時提供直流電源及放電時向電網饋電的功能。本章給出了三相電壓型PWM整流器的基本原理及建模仿真。 PWM整流器基本原理概論PWM整流器是一個可工作在四象限的、交流側和直流側全控型的電流變換裝置。首先通過PWM整流器的模型電路來闡述其基本原理。 圖31 圖31為PWM變流器模型電路。PWM變流器模型電路由主要由三部分構成: 交流網絡、橋式功率開關管電路以及直流網絡。其中交流網絡可以等效為交流電動勢E和網側電感L的串聯。直流網絡可以等效為負載電阻RL和負載電動勢eL串聯。橋式功率開關管電路可以是電壓型橋路也可以使電流型橋路。 忽略功率開關管橋路的損耗， （31）式中: V , I 一交流側電壓、電流。 Vdc, ldc一直流側電壓、電流。由式()可知:模型電路的的交，直流兩側相互制約。下面通過分析模型電路的交流側電壓電流來研究PWM變流器的運行原理。為簡化分析，忽略PWM的諧波分量，只考慮基波，穩(wěn)態(tài)運行時。以E為參考矢量，控制V，可實現四象限運行。如不變，則也不變，V的運行軌跡便成了以為半徑的圓。在V分別抵達A, B, C, D四個特殊點時，PWM整流器分別呈現純電感特性、正電阻特性、純電容特性和負電阻特性。A) 純電感特性運行 B)正電阻特性運行 C)純電容特性運行 D)負電阻特性運行E一交流電網電動勢矢量 V一交流側電壓矢量VL交流側電感電壓矢量 I一交流側電流矢量對PWM整流器在四個特殊點間的運行規(guī)律詳細分析如下: ，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，電網的有功和感性無功注入到PWM整流器，電能從電網經過PWM整流器輸送到直流負載。注意，當PWM運行在B點時，是單位功率因數的整流控制。在A點運行時，電網中只有感性無功注入PWM整流器，此時有功功率不會注入PWM整流器。 ，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流器需從電網吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流器由電網傳輸至直流負載。當PWM整流器運行至C點時，PWM整流器將不從電網吸收有功功率，而只從電網吸收容性無功功率。 ，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流器需向電網傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網。當PWM整流器運行至D點時，便可實現單位功率因數有源逆變控制。 ，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流器向電網傳輸有功及感性無功功率，電能將從PWM整流器直流側傳輸至電網。根據上述分析，實現PWM整流器四象限工作的條件是對網側電流進行控制。一種方式是控制PWM整流器的交流側的電壓來對它的網側電流進行間接控制。另一種方式是通過網側電流的閉環(huán)控制來對PWM整流器的網側電流進行直接控制。 PWM整流器的分類隨著PWM整流器的技術發(fā)展，己經設計出多種PWM整流器，其分類如下[32]:PWM整流器的分類方式很多，最基本的分類方法就是將PWM整流器分成電壓型、電流型，這是由于電壓型和電流型PWM整流器均有其獨特的特性，所有其他的PWM整流器都可以歸類成這兩類整流器。 PWM整流器的選擇 電壓型PWM變流器的直流脈動比電流型變流器的小，且電壓型PWM變流器的輸入電流連續(xù)可控。通過可逆充放電裝置，蓄電池中儲存的電量在用電高峰期可以釋放出來逆變上網，而傳統(tǒng)的二極管整流器的能量只能單向流動。在PWM變流器構成的可逆充放電裝置中，如果選擇的合適的控制策略，直流側電容的電容量會大大減小，從而保障了裝置的可靠運行。本課題選用的是三相全橋PWM整流器。 。，ea ,eb ,ec表示網側的三相電源電壓。三相PWM整流器的功率開關管損耗、交流濾波電感寄生電阻用R表示。交流電源內部電感用L表示，網側電感L保證了三相PWM整流器的正常運行。隨著網側電感值L的增大，電流的高次諧波含量將減少，但網側電感值L過大又會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。所以，選擇合適的電感值對系統(tǒng)的穩(wěn)定尤為重要。在直流側加電容C是為了濾除直流電壓的脈動分量，確保整流器能夠正常運行。隨著電容C取值的增大，直流側電壓的諧波含量將減小，抗干擾能力也將增強，但是系統(tǒng)的響應速度會隨之減慢。因此直流側電容的取值也至關重要。網側電感L和直流側電容C的選取將在第五章中重點介紹。直流側電壓eL和電阻是蓄電池的等效模型。 整流橋由3個橋臂組成，每個橋臂是由兩個全控型功率器件IGBT反并聯兩個二極管構成。其中二極管是在功率開關管IGBT截止時起續(xù)流作用的，從而實現了電流的雙向流動。