【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （25）聯(lián)立式(24)和(25)得: （26）式中:K一放電電流常數(shù)由放電電流大小決定。 :電池對(duì)任何給定的放電量C，充電時(shí)電流接受率。和放電電流Id對(duì)數(shù)成正比，有: （27）將式(25 )帶入式( 27 )得: （28）式中:k一計(jì)算常數(shù)。 :電池用不同的放電率放電，其能接受的總電流h是各個(gè)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(shuō)明:一個(gè)蓄電池，當(dāng)充入任一容量C時(shí)，它的充電接受率越高，充電速率越快。蓄電池大電流充電時(shí)，可適當(dāng)?shù)募尤敕聪蛩矔r(shí)大電流放電，消除極化，使電池的充電接受能力恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，減少充電時(shí)間。 動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車關(guān)鍵性技術(shù)之一，它直接影響著電動(dòng)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(diǎn)，選擇正確的充電方法對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)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(shí)，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(duì)充電裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)度就高。在電池允許的最大充電電流范圍內(nèi)，充電電流越大，充電速度越快。但一直大電流充電，電池內(nèi)部會(huì)因溫升過(guò)高，造成極板上的活性物質(zhì)大量脫落和彎曲，電池容量也會(huì)急速下降，造成電池提前報(bào)廢，該法使用較少。 如圖25 (b)，充電時(shí)，電壓一直不變，充電啟動(dòng)電流很大，隨著充電的進(jìn)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(yán)重影響電池使用壽命，不可取。 在充電的整個(gè)過(guò)程中，分兩個(gè)階段。如圖25(c)，在充電的第一階段，用恒定的電流充電。當(dāng)電池的端電壓達(dá)到一定的電壓后，保持此電壓不變，轉(zhuǎn)入第二階段的充電，當(dāng)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(shí)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(gè)特殊的電池，所以對(duì)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(duì)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(duì)電池涓充。若達(dá)不到說(shuō)明電池報(bào)廢(這個(gè)時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng))。若能達(dá)到，直接用較大的恒流速率(1C)快速充電，此時(shí)，電池容量約為50%80%，在充電全過(guò)程中，該階段充電速度最快，大概半小時(shí)。然后恒壓充電，隨著電壓不斷升高，充電電流不斷減小，當(dāng)電流達(dá)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(shí)，充電電流達(dá)到了最大接受電流，不能再持續(xù)大電流充電，否則電池會(huì)因溫升過(guò)高和析氣增多而損壞電池甚至導(dǎo)致爆炸。，改為脈沖充電，充電時(shí)間越來(lái)越短，停充時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，即脈沖周期越來(lái)越長(zhǎng)，占空比越來(lái)越長(zhǎng)。當(dāng)占空比低于5%至10%時(shí)，終止充電。 該充電方式是集常規(guī)充電和脈沖充電優(yōu)點(diǎn)于一身，可消減極化和析氣現(xiàn)象，提高充電速度，延長(zhǎng)電池周期，使用更安全、更貼切用戶使用標(biāo)準(zhǔn)。 電池在充電過(guò)程中，伴隨著極化現(xiàn)象，極化會(huì)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(xué)極化、濃差極化三種，各個(gè)極化響應(yīng)速度不同。如圖11，在充放電初期，主要是以電化學(xué)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(gè)過(guò)程，歐姆極化變化最小，濃差極化變化最快，電化學(xué)極化介于兩者間。圖28 在電池充電過(guò)程中，其內(nèi)部的正負(fù)離子分別向正負(fù)極板移動(dòng)，同時(shí)受到了極板和電解質(zhì)溶液電阻的妨礙，導(dǎo)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(yán)重影響著電池的容量和使用壽命。 在電池充電過(guò)程中，電池的正負(fù)極的活性物質(zhì)與電解質(zhì)溶液間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)不及電子運(yùn)動(dòng)速度，造成正負(fù)極板上積聚的電荷量差距越來(lái)越大，電化學(xué)極化也逐漸明顯，阻礙電池充電。 在電池充電過(guò)程中，因電化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)快于離子運(yùn)動(dòng)速度，使得電池極板上離子濃差明顯，造成了電解質(zhì)溶液的極化現(xiàn)象。充電電流越高，電化學(xué)反應(yīng)越激烈，濃差極化就越明顯，妨礙電池充電。 全球?qū)τ陔妱?dòng)汽車動(dòng)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(xué)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(dòng)汽車整車仿真的重要部分。 在充電時(shí)，電池其實(shí)是充電器上的一個(gè)負(fù)載，但它既不是阻性負(fù)載，也不是感性或容性負(fù)載，而是個(gè)時(shí)變、動(dòng)態(tài)負(fù)載，充放電特性復(fù)雜，建立準(zhǔn)確的電池等效模型成為整車仿真的主要難點(diǎn)之一。 等效電池模型相較于其他模型，它具有簡(jiǎn)單、直觀、便于建模等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車整車仿真中，得到了廣泛應(yīng)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(kāi)路電壓。電池極化和歐姆內(nèi)阻等效成內(nèi)阻R，直接通過(guò)充電時(shí)，端電壓和電流比值獲得，該模型既未考慮R其實(shí)是隨著電池SOC、電流和溫度等因素而變，也未涉及電池內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性，即該模型只適用仿真電路，不適合電動(dòng)汽車。 圖29 內(nèi)阻模型 圖210Thevenin模型 Thevenin模型 如圖210，是在內(nèi)阻模型的基礎(chǔ)上，把電池內(nèi)阻分開(kāi)分析。R1歐姆內(nèi)阻。R2極化內(nèi)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(nèi)部因素變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只描述電池暫態(tài)特性，不能預(yù)測(cè)電池工作狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行中電動(dòng)汽車來(lái)不適用。 如圖211，由兩個(gè)部分組成:一由R3(電解質(zhì)溶液反應(yīng)的內(nèi)阻)、R2(歐姆內(nèi)阻)和與之并聯(lián)的C2電容、Rl(能量損失的電阻)和與之并聯(lián)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(dòng)靜態(tài)特性，卻為一階系統(tǒng)，而電池是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，所以要提高系統(tǒng)的階數(shù)，得到更準(zhǔn)確的電池特性，隨之而來(lái)的便是設(shè)計(jì)的難度變大。首先階數(shù)高了，后期計(jì)算較繁瑣耗時(shí)。其次電池參數(shù)難確定，直接影響模型建立，為此，本模型實(shí)際應(yīng)用較少。 圖211四階動(dòng)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(fù)載電流的時(shí)間積分變化關(guān)系。 電池充放電時(shí)，電流隨著時(shí)間增長(zhǎng)，促使SOC變化，導(dǎo)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(yīng)，填補(bǔ)了Thevenin模型不足，為以后電動(dòng)汽車仿真模型的研究提供了依據(jù)。 GNL模型 如圖213，R0歐姆電阻。C0儲(chǔ)能電容。R1, C1分別為電化學(xué)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(guò)充電電阻。該模型對(duì)電池的三種電阻分開(kāi)來(lái)建模，并把電池的過(guò)放電/過(guò)充電的影響也考慮進(jìn)去，物理意義更明確，更好的反映了電池電壓的變化過(guò)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(shí)間、動(dòng)態(tài)特性及暫態(tài)響應(yīng)等性能，是個(gè)較理想的等效模型，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)敘述，詳細(xì)介紹了充電方法、理論依據(jù)及影響快速充電的極化現(xiàn)象，然后通過(guò)幾款常用電池模型的分析，表明電池特性在整個(gè)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(shí)現(xiàn)能量再生和提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。并采用饋能放電，將蓄電池電能回饋到電網(wǎng)，節(jié)省電能。三相電壓型PWM整流器是本系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，擔(dān)負(fù)著為蓄電池充電時(shí)提供直流電源及放電時(shí)向電網(wǎng)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P(yáng)WM整流器是一個(gè)可工作在四象限的、交流側(cè)和直流側(cè)全控型的電流變換裝置。首先通過(guò)PWM整流器的模型電路來(lái)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(gòu)成: 交流網(wǎng)絡(luò)、橋式功率開(kāi)關(guān)管電路以及直流網(wǎng)絡(luò)。其中交流網(wǎng)絡(luò)可以等效為交流電動(dòng)勢(shì)E和網(wǎng)側(cè)電感L的串聯(lián)。直流網(wǎng)絡(luò)可以等效為負(fù)載電阻RL和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)eL串聯(lián)。橋式功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管橋路的損耗， （31）式中: V , I 一交流側(cè)電壓、電流。 Vdc, ldc一直流側(cè)電壓、電流。由式()可知:模型電路的的交，直流兩側(cè)相互制約。下面通過(guò)分析模型電路的交流側(cè)電壓電流來(lái)研究PWM變流器的運(yùn)行原理。為簡(jiǎn)化分析，忽略PWM的諧波分量，只考慮基波，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)。以E為參考矢量，控制V，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。如不變，則也不變，V的運(yùn)行軌跡便成了以為半徑的圓。在V分別抵達(dá)A, B, C, D四個(gè)特殊點(diǎn)時(shí)，PWM整流器分別呈現(xiàn)純電感特性、正電阻特性、純電容特性和負(fù)電阻特性。A) 純電感特性運(yùn)行 B)正電阻特性運(yùn)行 C)純電容特性運(yùn)行 D)負(fù)電阻特性運(yùn)行E一交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量 V一交流側(cè)電壓矢量VL交流側(cè)電感電壓矢量 I一交流側(cè)電流矢量對(duì)PWM整流器在四個(gè)特殊點(diǎn)間的運(yùn)行規(guī)律詳細(xì)分析如下: ，PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時(shí)，電網(wǎng)的有功和感性無(wú)功注入到PWM整流器，電能從電網(wǎng)經(jīng)過(guò)PWM整流器輸送到直流負(fù)載。注意，當(dāng)PWM運(yùn)行在B點(diǎn)時(shí)，是單位功率因數(shù)的整流控制。在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)中只有感性無(wú)功注入PWM整流器，此時(shí)有功功率不會(huì)注入PWM整流器。 ，PWM整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時(shí)，PWM整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無(wú)功功率，電能將通過(guò)PWM整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行至C點(diǎn)時(shí)，PWM整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無(wú)功功率。 ，PWM整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。此時(shí)，PWM整流器需向電網(wǎng)傳輸有功及容性無(wú)功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng)PWM整流器運(yùn)行至D點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。 ，PWM整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。此時(shí)，PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無(wú)功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。根據(jù)上述分析，實(shí)現(xiàn)PWM整流器四象限工作的條件是對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制。一種方式是控制PWM整流器的交流側(cè)的電壓來(lái)對(duì)它的網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行間接控制。另一種方式是通過(guò)網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制來(lái)對(duì)PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行直接控制。 PWM整流器的分類隨著PWM整流器的技術(shù)發(fā)展，己經(jīng)設(shè)計(jì)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(dú)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(dòng)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(guò)可逆充放電裝置，蓄電池中儲(chǔ)存的電量在用電高峰期可以釋放出來(lái)逆變上網(wǎng)，而傳統(tǒng)的二極管整流器的能量只能單向流動(dòng)。在PWM變流器構(gòu)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(cè)電容的電容量會(huì)大大減小，從而保障了裝置的可靠運(yùn)行。本課題選用的是三相全橋PWM整流器。 。，ea ,eb ,ec表示網(wǎng)側(cè)的三相電源電壓。三相PWM整流器的功率開(kāi)關(guān)管損耗、交流濾波電感寄生電阻用R表示。交流電源內(nèi)部電感用L表示，網(wǎng)側(cè)電感L保證了三相PWM整流器的正常運(yùn)行。隨著網(wǎng)側(cè)電感值L的增大，電流的高次諧波含量將減少，但網(wǎng)側(cè)電感值L過(guò)大又會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。所以，選擇合適的電感值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定尤為重要。在直流側(cè)加電容C是為了濾除直流電壓的脈動(dòng)分量，確保整流器能夠正常運(yùn)行。隨著電容C取值的增大，直流側(cè)電壓的諧波含量將減小，抗干擾能力也將增強(qiáng)，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)隨之減慢。因此直流側(cè)電容的取值也至關(guān)重要。網(wǎng)側(cè)電感L和直流側(cè)電容C的選取將在第五章中重點(diǎn)介紹。直流側(cè)電壓eL和電阻是蓄電池的等效模型。 整流橋由3個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂是由兩個(gè)全控型功率器件IGBT反并聯(lián)兩個(gè)二極管構(gòu)成。其中二極管是在功率開(kāi)關(guān)管IGBT截止時(shí)起續(xù)流作用的，從而實(shí)現(xiàn)了電流的雙向流動(dòng)。