【文章內(nèi)容簡介】 鉛酸蓄電池進(jìn)行充電時，都是用曲線來表達(dá)電池的端電壓、錫電壓、電解液的密度以及電解液的溫度隨時間的變化，把這樣的一些曲線，稱為電池的特性曲線，來表示電池的各種特性。一般因電池和極板種類的不同而略有差異。在充電過程中，電池端電壓的變化，可表示如下: （）式中U—充電時電池的端電壓(v)?！龢O板的超電勢(v)?！?fù)極板的超電勢(v)。I—充電電流(A):R—電池的內(nèi)阻(Q)。 鉛酸電池充電時電壓變化，在充電開始時，由于硫酸鉛轉(zhuǎn)化成為二氧化鉛和鉛，相應(yīng)的有硫酸生成，因而活性物質(zhì)表面硫酸濃度迅速增大。因此，電池端電壓沿著OA而急劇上升。當(dāng)達(dá)到A點后，由于擴(kuò)散使活性物質(zhì)表面及微孔內(nèi)的硫酸濃度不再急劇上升時，端電壓也就上升的較緩慢(ABC部分)。這樣，活性物質(zhì)逐漸從硫酸鉛轉(zhuǎn)化成為二氧化鉛和鉛，活性物質(zhì)的孔隙也逐漸擴(kuò)大，孔隙率增加。隨著充電的進(jìn)行，逐漸接近于電化學(xué)反應(yīng)的終點，即充電曲線的C點。當(dāng)極板上所存硫酸鉛不多，通過硫酸鉛的溶解，提供電化學(xué)氧化和還原所需的離子極度缺乏時，電化學(xué)反應(yīng)的極化增加，這時正極的電極電勢變得很正，使得氧氣大量析出。負(fù)極的電極電勢變得很負(fù)，達(dá)到析出氫的電勢，結(jié)果充電的電池端電壓迅速升高，大量氣體析出，進(jìn)行水的電解過程，表現(xiàn)為充電曲線的CD段電壓急劇上升。需要指出，盡管在電解液中具有較高的氫離子濃度，以及H2/H+的平衡電勢比Pb/PbSO4還正，但由于氫在鉛上具有很高的超電勢，所以在充電過程中主要進(jìn)行Pb2+離子的還原，而不是H離子的還原，只有在充電后期方有氫的析出，如有比氫超電勢低的雜質(zhì)存在于極板的表面，其結(jié)果是充電終期端電壓低下，充電不完全。 ()三定律，找出了析氣的原因和規(guī)律，他以最低析氣率為前提，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也進(jìn)行了探討，并在實踐的基礎(chǔ)上提出了蓄電池快速充電的一些基本定律。在充電過程中，用某一速率的電流進(jìn)行充電，蓄電池只能充到某一極限值，當(dāng)達(dá)到這一極限后，繼續(xù)充電時，只能導(dǎo)致電解水反應(yīng)而產(chǎn)生氣體和溫升，不能提高蓄電池的充電速度。，只持續(xù)產(chǎn)生微量氣體的充電特性曲線，在充電中任一時刻t，蓄電池可接受的充電電流 ()式中Io—當(dāng)t=0時的最大起始電流。I—任意時刻t時蓄電池可接受的充電電流。a—衰減率常數(shù)，也稱充電接受比。 充電電流接受特性曲線，超過這一接受曲線的任何充電電流，不僅不能提高充電速率，而且會增加析氣。小于這一接受特性曲線的充電電流，就是蓄電池具有的儲存充電電流，該電流稱為蓄電池的充電接受電流。如果遵循接受特性曲線充電，在某一時刻t，已充電的電量C是從0到t時曲線下面的面積，到最后全部充電電量為C也就是先前放掉的容量。，提出了蓄電池快速充電的三定律。第一定律:蓄電池在采用任意放電電流后，其充電接受比和放電放掉的容量的平方根成反比。它定量地表明隨放電深度不同，充電接受能力的變化。第二定律:對于任何放電深度，一個電池的充電接受比a是和放電電流Id的對數(shù)成正。它定量地表明隨放電率的不同，充電接受比的變化。第三定律:一個電池，經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各放電率下接受電流之和。因此電池在充電前或在充電過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)亟o予放電。這就等于改變放電的深度，即不管被充電電池最初的放電深度如何，可以給它加上新的符合需要的放電深度，以使接受電流接近于充電電流，從而進(jìn)一步打破了指數(shù)曲線的自然接受特性。當(dāng)充電電流超過蓄電池接受電流值時，就會大量地產(chǎn)生氣體。這是由于極化現(xiàn)象嚴(yán)重引起的。極化是一切電化學(xué)反應(yīng)所具有的共同現(xiàn)象。極化電壓降由三部分組成，即歐姆極化(純電阻電壓降)、濃差極化和電化學(xué)極化。，包括極板、隔板、電解液和外部連接部分如極柱、連結(jié)條的電阻等所產(chǎn)生的電壓降，此壓降值遵循歐姆定律，當(dāng)充電電流停止后可立即消失。當(dāng)未接通電路時，電池中電解液的濃度在各處的分布是均勻的。充電開始后，由于發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)在正極附近消耗了水，并有硫酸產(chǎn)生，負(fù)極附近也有硫酸產(chǎn)生。兩極極板附近硫酸濃度的升高，造成與其它地方的電解液濃度的差異。而電極的平衡電勢是根據(jù)H+離子和HSO4離子濃度確定的。電子傳導(dǎo)的速度接近于光速，它比離子失去或得到電子進(jìn)行氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)速度快得多，因此在陰極上將有過剩電子的積累(指與通電流前相比)，而在陽極上將有電子的減少。陰極上電子的過剩促使鉛離子以更快的速度獲得電子而還原。同理陽極上電子的減少促使鉛離子以更快的速度失去電子而氧化。最終達(dá)到動態(tài)平衡，即電子傳導(dǎo)的速度與電化學(xué)反應(yīng)速度相等，這時電極表面上電荷的數(shù)目不再繼續(xù)改變，但與未通電流之前相比，陰極上積累了電子，陽極上減少了電子，于是引起電極電勢和平衡電勢的偏離，正極(即陽極)的電勢更正，負(fù)極(即陰極)的電勢更負(fù)。這種由于電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性所引起的電極電勢偏離平衡電勢，稱為電化學(xué)極化，偏離的數(shù)值稱為過電勢(或超電勢)。在切斷電源后，由于電化學(xué)反應(yīng)的遲緩性而產(chǎn)生的平衡電極電勢的偏移就迅速地下降，在微秒級內(nèi)就顯著地降低。由于極化產(chǎn)生的過電勢，不僅阻礙充電電流，放慢了電化學(xué)反應(yīng)。而且還產(chǎn)生一系列副作用，諸如產(chǎn)生大量氣體，使電解液溫度升高，水分損失，從而增加維護(hù)量，能量無謂的損耗等等。這些都需要設(shè)法防止和消除。也就是實行智能充電要解決的問題。若有適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ龢O化，而不影響蓄電池本身的性能，就可以達(dá)到智能充電的目的。它是通過改造蓄電池固有的可接受電流的特性曲線(圖23中I線)，盡可能地延長其初始最大電流的時間來達(dá)到縮短總的充電時間的目的。(斜線部分)，按照馬斯理論，超出部分的電量將用于產(chǎn)生氣體釋出，使電解液的溫度升高，造成電池極板活性物質(zhì)脫落損壞等一系列副作用，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是伴隨著大電流的充入，電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重地阻礙電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最終導(dǎo)致蓄電池的不可逆反應(yīng)，為了使持續(xù)電流能順利地進(jìn)行充電，就必須適當(dāng)?shù)叵娏饕鸬臉O化現(xiàn)象。消除極化是智能充電的關(guān)鍵技術(shù)所在。 智能充電的特性曲線如前所述，智能充電是通過盡可能地延長蓄電池所固有的可接受初始電流的持續(xù)時間來實現(xiàn)的。在這段時間里，所要解決的問題是消除極化，而消除極化的主要手段是對蓄電池實施放電，放電量一般為窄而深的放電脈沖。目前國內(nèi)外各種快速充電裝置無一例外地采取這一手段來達(dá)到充電快速的目的。但采取的具體策略有:按引進(jìn)放電脈沖的時刻不同分為充電后期引進(jìn)放電脈沖法和充電全過程引進(jìn)放電脈沖法。按引進(jìn)放電脈沖的具體方案不同，又分為固定電阻為負(fù)載實施放電方式和逆變放電法。，是在充電前期以恒定的大電流進(jìn)行充電，當(dāng)反饋系統(tǒng)檢測出蓄電池的端電壓達(dá)到一種“極化點”時，實施放電。，是在充電全過程實施放電脈沖去極化。整個充電過程按照“充電一停充一放電一停充一充電”這一既定的程序周而復(fù)始。權(quán)衡這兩種方法，第二種方法更為合理科學(xué)。這是因為:第一，極化電壓是伴隨大電流的介入而產(chǎn)生。在大電流充電的初期，極化電壓就已嚴(yán)重存在，不及時予以處理，大電流充電在其初期就難于進(jìn)行。第二，采用第一種方法，反饋系統(tǒng)檢側(cè)出的蓄電池的端電壓包含有整流疊加電壓的成分，該值隨充電電流大小而異，以此作為指令來控制充電過程并不能真實地反映出蓄電池電動勢的增長狀況。第三，經(jīng)驗表明，所謂“極化點”并不是一個固定的量值，不同容量的蓄電池，以及蓄電池的殘余容量不同，其極化點也不盡相同。充電裝置中設(shè)置一固定電阻R，開關(guān)K閉合，蓄電池組E對負(fù)載R放電。 固定電阻放電法 逆變放電法所用電路。蓄電池組E通過開關(guān)K閉合向交流電網(wǎng)逆變放電。比較上述第c和第d兩種方法，后者更為合理、科學(xué)，這是因為第3種方法存在如下弊病:放電脈沖量的最佳點無法確定。放電脈沖既然作為快速放電的極其重要的手段，理所當(dāng)然地存在一個量的最佳值。放電脈沖的深度和寬度對消除極化的效果影響甚大，其值太小難以消除極化，而其值太大不但降低充電效率同時又會引起新的極化電壓。而電路中的電阻值R一經(jīng)確定，放電深度即隨之確定，很難尋求放電量的最佳值。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計充電電源采用開關(guān)電源，開關(guān)電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。主回路有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂苹芈肥菍崿F(xiàn)電源各種性能要求的核心，其控制機(jī)理有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)寬、諧振等。[10]。交流電網(wǎng)濾波電路輸入整流濾波電路高頻變換器輸出整流濾波電路控制電路保護(hù)電路市電輸出直流 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，高頻開關(guān)電源主要由交流電網(wǎng)濾波電路、輸入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路等幾部分組成。其基本原理是:交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一定的直流電壓，再通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。本充電系統(tǒng)采用的是全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。它是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，其特點是電路很簡單，便于操作，但存在一個缺點，即滯后臂開關(guān)管在輕載下難以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，這使得它不適合用于負(fù)載范圍變化較大的場合。電路不能實現(xiàn)零電壓開關(guān)時，將產(chǎn)生以下幾個后果。，需要增加散熱器的體積。，將會造成較大的EML，高頻變換器副邊漏感上的電流瞬變作用將在二極管上產(chǎn)生電壓過沖和震蕩，所以在實際應(yīng)用中需在副邊二極管上增設(shè)RC吸收網(wǎng)絡(luò)。針對上述問題，常見的解決方法是在變壓器原邊串接一個飽和電感，擴(kuò)大變壓器的零電壓開關(guān)范圍。但是，采用這一方法后，電路仍不能達(dá)到全工作范圍的零電壓開關(guān)。另外，飽和電感在實際應(yīng)用中不可能具有理想的飽和特性，這將會導(dǎo)致以下幾個后果:，從而增大變換器的導(dǎo)通損耗。，從而增大了原邊電流及副邊二極管的電壓應(yīng)力。、負(fù)飽和值之間切換，磁心的損耗會很大，發(fā)熱嚴(yán)重砰s1。改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路是針對上述缺點所提出的一種電路拓?fù)洹Ｋㄟ^在電路中增加輔助支路，可使開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)，它在小功率(3kw)電路中具有明顯的優(yōu)勢。與基本的全橋移相控制的零電壓PwM變換電路相比，它在滯后臂上增加一個由電感Lrx和電容C。兩個元件組成的支路。改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。 改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路該變換電路采用移相控制方式，其主電路的工作原理和基本的零電壓PWM變換電路完全一樣。 全橋變換器中功率開關(guān)元件的選用典型的全控型開關(guān)器件有電力晶體管GTR、門極可關(guān)斷晶體管GTO、場效應(yīng)晶體管MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管IGBT等。GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而驅(qū)動電路簡單。而且它的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙極型晶體管BJT的導(dǎo)通電阻，這使得它能代替BJT成為高頻開關(guān)電源的主流開關(guān)器件。也正是由于導(dǎo)通電阻小的MoSFET的出現(xiàn)，高頻開關(guān)電源得以迅速發(fā)展[112]。IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister)是MOS結(jié)構(gòu)的雙極型器件，屬于具有功率M0SFET的高速性能與雙極型器件的低電阻特性的功率元件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓為600V以上、電流為10A以上、頻率為1kH么以上的區(qū)域，多應(yīng)用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器、照相機(jī)的頻閃觀測器以及感應(yīng)加熱電飯鍋等產(chǎn)品上。IGBT的工作原理和靜態(tài)特性IGBT是三端器件，具有柵極G，集電極C和發(fā)射極E。它是一種場控器件，驅(qū)動原理與MOSFET基本相同，其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。當(dāng)U。為正且大于開啟電壓UGE間時，IGBT導(dǎo)通。由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計IGBT是電壓驅(qū)動型器件，使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動電壓一般取1520V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓(一般取5—15V)有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。而且在柵極串入一只低值電阻(數(shù)十歐左右)可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。此類混合集成驅(qū)動器種類繁多，常用的有三菱公司的M579系列(如M57%2L和M57959L)和富士公司EXB系列(如EXB840/EXB841和 EXB850/EXB851)。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。本系統(tǒng)采用的EXB841屬于大容量高速型驅(qū)動器(最大40kHz運(yùn)行)。由于本充電系統(tǒng)采用的是恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法，在整個充電時期內(nèi)，始終適時地采取了通過負(fù)脈沖瞬間放電消除極化的措施，因此硬件設(shè)計中需要提供蓄電池放電的通路。一般充電系統(tǒng)采用的是當(dāng)蓄電池達(dá)到一定的極化程度后，通過附加的負(fù)載進(jìn)行放電，以消除極化。但是，這樣會產(chǎn)生不必要的能量消耗，同時也使充電器的體積變得很龐大。，蓄電池的放電通路由開關(guān)元件Q和濾波電感L組成，稱為能量回饋電路。在正脈沖充電末期，DC/DC變換電路中的開關(guān)元件全部斷開，存儲在濾波電感L，中的能量全部轉(zhuǎn)移到蓄電池組中。在負(fù)脈沖放電期間，能量回饋電路開始工作，它將電池的能量送回到濾波電容6中去，從而實現(xiàn)了蓄電池在充電過程中適時的放電，可消除電池的極化現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的放電回路相比，該能量回饋電路能避免不必要的能量消耗，同時也可使充電系統(tǒng)體積大大減小。 能量回饋電路圖主回路中建波電路的設(shè)計整流濾波電路對降低電源中的噪聲干擾起到了重要作用。當(dāng)采用高頻開關(guān)電源供電時，其整流與變換的工作電路更為復(fù)雜，且開關(guān)電源工作在較高頻率，外界與本機(jī)元器件不可避免的會產(chǎn)生電磁感應(yīng)相