1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 直流充电电源概述 摘要： 文章对直流充电系统的构成做了较为全面的介绍，阐述了电动车用电池的现状和发展趋势，并介绍了常见的直流充电电源。 关键词 ： 直流充电；充电电源；蓄电池充电；充电方法 1.引言 电动汽车能源供给系统对于电动车产业而言是不可缺少的子系统 ,当电动车动力电池电能消耗到一定程度 ,就必须使用充电系统对其动力电池进行电能补充 ,为电动汽车运行提供能量补给 ,从而满足电动汽车的循环使用。同时 , 要在较大范围内推广普及电动汽车 ,就必须配套建设能源供给系统 ,以增强公众对使用电动 汽车的兴趣和信心。因此 ,电动汽车充电系统是电动汽车的重要基础支
2、撑系统 ,是实现电动汽车产业化和推广普及的关键条件 ,对电动汽车的产业发展具有重大影响。 2. 直流充电系统构成 直流充电系统由 PWM 整流装置、直流输入控制装置、直流输出控制装置和直流充电管理装置组成。其系统框图如图 1所示。 DC6 5 0 V A C3 8 0 V 输入整流装置 输入 控 制装置 输出 控制装置 充电管理装置 接至车辆 图 1 直流充电系统系统框图 各装置功能说明如下 : (1) PWM 整流装置 : 对输入的三相交流电进行整流 , 经滤波后 , 形成稳定的直流母线电压( 650V ), 以 提供给后级输出控制装置 , 为输出控制装置提供动力电源。 (2) 直流输入控制
3、装置 ( DCM ): 主要用于直流电能计量 , 直流供电控制、安全防护等。 (3) 直流输出控制装置 ( PUM ): 主要用于与车载 BMS (能量管理系统 ) 通信 , 进行 DC /DC 功率变换 , 输出动力电池所需电压、电流。 (4) 直流充电管理装置 : 用于人机交互和界面显示 , 实现身份识别、费用收取、票据打印、数据管理、控制输入控制装置供电等。 2 3.电动车用电池的现状和发展趋势 电池作为电动车动力来源，目前应用于电动车的可充式 二次电池主要有 :铅酸 (Lead Acid)电池、镍福 (Nickel Cadmium)电池、镍氢 (Nickel Metal Hydride
4、)电池和锂 (Lithium)电池。 （ 1）镍一氢电池 (Ni-MH ) 此类蓄电池的比能量高，寿命长，有较高的比功率，污染轻等优点，被认为是较好的电动车用蓄电池。但是由于 Ni-MH 蓄电池的技术未臻成熟，价格贵，单体电池电压低，使用时串联电池个数多，而且均匀一致性较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高，造成电容量下降的缺点。因此认为 Ni-MH 蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的，将来的市场份额是有限的。 （ 2）锂离子蓄电池和聚合物铿离子蓄电池 锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，污染轻等优点，被认为是有希望
5、的电动车用电池。但因内含锂活性物质，易产生化学作用，遇火、氮、酸或氧化剂时，可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。它们将成为用于高端电动车的电池，将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。但受价格限制，暂时所占比例不会很大。 （ 3）锌空 电池 锌空电池是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。它有比能量高，原材料丰富，价格不高，污染轻等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。但目前还没能真正投入使用。 （ 4）其他电池 (如 Ni-Zn 蓄电池、锌镍蓄电池和燃料电池 ) 虽然它们各有特点，但都几乎没有在商业化的轻型电
6、动车上使用。这主要是由于价格贵、综合性能不理想、或技术不成熟、或受资源、服务配套系统制约因素影响。氢氧燃料电池虽然在大力发展中，可望成为最理想的电动车电池之一，但在电动车上的应用可能还要等待很长时间 (至少 15 年 )。 （ 5）铅酸蓄电 池 铅酸蓄电池在 100 多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的提高，生产技术最为成熟。特别是密封免维护铅酸蓄电池因其有着成本低、价格便宜、材料来源丰富、适用性宽、可逆性好、单体电池电压高、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动车主要采用的电池，目前所占市场份额在 95
7、%以上。 3 4.常见的直流充电电源 目前，直流充电电源主要有两种：线性稳压电源和开关电源。线性电源和开关电源的根本区别在于稳压控制方式和输出电路的不同。线 性电源的稳压特性是由稳压电路中的调整管来实现的，调整管也是输出管，电路工作在调整管的线性区，因此称为线性直流稳压电源。开关电源的稳压电路由电子开关组成，用开关的工作状态来实现稳定输出电压，因此称为开关电源。其核心是 DC-DC 电路。 DC-DC 电路可以分为转换型和隔离型，隔离型比较好，输出和输入之间没有直接的电连接关系。和线性电源相比较，开关型稳压电源有以下的特点： （ 1） 效率高。开关型稳压电源采用非线性的 DC-AC-DC 电压
8、调整电路，不使用调整管，调压电路的功率开关管上的电压降很小，相应损耗小，所以效率和线 性电源相比较可以得到很大的提高，一般可达 65-90%。 （ 2） 重量轻。开关型稳压电源可以采用对电网输入的交流电压直接整流的方法，替代笨重的工频变压器，使电源的重量下降到 1/50。 （ 3）稳压范围宽。在输入交流电压有效值变化时，可以利用反馈电路来保持输出电压的稳定。 （ 4）所需要的滤波电容小，由于稳压电路的功率开关管工作在几十千 Hz 以上，远远大于工频，因此滤波电容的容量可以大大减小。 （ 5）控制电路相对线性电源比较复杂，并且瞬态响应不如线性稳压电源。储能单元和脉冲形成回路，具有储存能量和将能量
9、转换成陡脉冲的 功能。储能方式大致有两类：电容储能和电感储能。电感储能技术在现代科学技术领域中，诸如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领域，都有着极为重要的应用。电感储能的储能密度高和传输功率大，从而使得储能装置体积小、成本低。而电容储能简单、所需充电功率小，技术成熟，容易操作，工作时不影响环境，经济合理。 5 5.充电方法的研究 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说 ,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降 ,不可能自 动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多 ,诸如电解液的浓度
10、、极板活性物的浓度、环境温度等的不同 ,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同 ,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。 上世纪 60 年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图 3-1 所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充 电方法的研究方向。 图 3-1 最佳充电 曲线 由图 1 可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密
11、封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： PbO2 Pb 2H2SO42PbSO 4 2H2O (3-1)1 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应 4。可逆过程就是热 力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行 ,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各
12、种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。 5 1 常规充电法 常规充电制度是依据 1940 年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是 “ 安培小时规则 ” ：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。实际上， 常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有以下 3 种。 5 1 1 恒流充电法 恒流充电法 5是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图 3-1 所示。控制方法简单，
13、但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 图 3-2 恒流充电曲线 5.1.2 阶段充电法 此方法包括二阶段充电 法和三阶段充电法。 二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图 3-3 所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两 阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 图 3-3 二阶段法曲线 三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速
14、充电方法使用，受到一定的限制。 5.1.3 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高， 电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图 3-4 所示。由于充电初期蓄电池电动势较低充电电流 很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易的控制系统。 图 3-4 恒压充电法曲线 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒
15、压充电法充电的。 5 2 快速充电方法 1972 年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比 ”a” 与电池放出的容量的平方根成反比，即 a=k1/ C (3-2) 式中： K1 为放电电流常数，视放电电流的大小而定； C 为蓄电池放出的容量。 马斯三定律说明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，以消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力，如图1 所示。也就是说通过反向大电流放电， 可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即 值增大，
16、从而大大提高充电速度，缩短充电时间。 基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，快速充电装置所用的充电方 法 将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电 4 个阶段 （ 1）预充电 对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电 流 充电的阈值时再进行大电流快速充电。 （ 2）脉冲快 速充电 在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，如图 4-4 所示。开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电
17、压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。采用这种方法可以消电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。 图 3-4 （ 3）补足充电 快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入 100的电量，对 电池还要进行补足充电。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。 （ 4）浮充电 此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷
18、，这样可使电池总处于充足电状态。此时也标志着充电过程已结束。 6.结语 目前，快速充电技术和快速充电装置设计参数尚缺乏一个统一的标准，不同厂家生产的充电 电源 对蓄电 池充电率的要求、线路、型号、规格不同，充电效果也缺乏统一的度量，影响了快速充电技术的应用和普及。快速充电技术是对传统的充电技术的变革，它必然要对蓄电池的制造工艺提出变革，蓄电池的制造工艺和结构必须与快速充电技术相适应。只有这样，才能使这一新兴的技术得到广泛的普及和应用。 参考文献 1 麻友良 .汽车电器与电子控制系统 M.第 2 版 .北京 :机械工业出版社， 2008,4： 1824. 2 胡超，张华等 .电动汽车直流充电系统
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