铅酸电池的不一致性与均衡充电的研究

第 �� 卷第 �期 � � � �年 �月 武 汉 科 技 大 学 学 报 � 自 然 科 学 版 � �� � �� � �� � � � �� � � � � �� � � � �� � �� � �� � � � � �� � � � � � �� �� � � � � �� � � , � � � � � � � � �� � � 铅酸电池的不一致性与均衡充电的研究 麻友良‘ , 陈全世 � �� � 武汉科技大学 ,湖北 武汉 , � � � � � � , � � 清华大学 ,北京 , � � � � ��� 摘要 � 由于应用 于 电动汽车的铅酸 电池的性能参数的不一致性 而导致使用过程中其性 能参数 差别扩大 , 是电 池使 用 寿命短并造成 电动 汽牟性 能 下降的重要因素 。本文了电池性能差别扩 大的原 因 以及各种不 同均 衡方法的可用性 , 捉 出 了切合实际 的均街充电定义 , 并 以试脸结果 予以脸证 。 关键词 �铅 酸电池 , 不 一致性 �使用寿命 , 均衡充电 中图分类号 � � � � �� � � 文献标识码 � � 文章编号 � �� � �一 � � � � �� � � ��� �一 � � � � 一 � � �谊着汽车数量不断增加 , 众多燃油汽车排放 所造成空气质量 日益恶化和石油资源渐趋厦乏是 �� 世纪人类必须面对的难题 。用 电池作为动力源 的电动汽车 �� �� � � � �� � � � �� �。 简称 � � �在使用中 可实现零污染 , 并可利用煤碳 、水力等其它非石油 资源 , 因此 , 它能有效解决汽车排污和能源间题 。 但铅酸电池在电动汽车上使用的性能指标达不到 其原有的水平 , 使用寿命缩短达数倍甚至十几倍 , 严重影响了电动汽车的开发和应用 。因此 , 分析电 池过早损坏的原因 , 以便采用正确的使用和管理 方法 , 延 一长电池的使用寿命 ,成了电动汽车研究与 开发的重要课题之一 。 � 电池性能参数的不一致性及影响 分析 � � � 电池的不一致性 电池的不一致性是指同一型号规格的电池的 电压 、内阻 、容量等参数存在差别 。产生这种差别 的原因有两个方面 � 一是在制造过程中 , 由于工艺 和材质均匀性问题 , 使得同批次 出厂 的同型号电 池的容量 、内阻等不完全一致 � 二是在电池装车使 用时 , 由于电池组中各个 电池电解液的密度 、温度 和通风条件等的差别 , 增加了电池的不一致性 。 � � � 使用中电池不一致性扩大的原因分析 � � � � � 电池过充 电的影响 过充电所产生的大量气泡会对极板微孔造成 压力 ,使极板活性物质容易脱落 � 电解液因析气而 水分减少 , 其密度增大 , 液面下降 , 使得电池 的电 解液密度过高 , 极板因液面过低而外露氧化 , 这均 使极板容易硫化 ,使用寿命缩短 。 � � � � � 充电接受能力与过充电 铅酸电池的充电接受能力是指其电解液只产 生微量析气的前提下所能够接受 的最大充 电电 流 。 � � � �年美国麦斯 �� � � � � � � �经过大量试验提 出了电池充电可接受电流定律川 � � � � � � 一 口‘ �� � 式中 �了—在充电过程中某一时刻电池的充 电可接 受电流 � �。一一 开始充 电 �� 一 �� 时电池的充电 可接受电流 川—充电可接受电流衰减常数 。从 图�中可知 , 产生大量析气现象不仅出现在 电池充电的后期 ,在充电的任一时间里 , 只要充电 电流大于当时的可接受电流 , 就会出现 “过充电” 现象 。 产生析气区毒��留 � ��留 � 、、恨 �不产生析气区 产生微址析气曲线 充电时间 图� 电池充电可接受电流 曲线 如果充电过程始终保持可接受的充电电流 , 则电池的容量可由下式求出 � � 一 �了‘� , 一 �二一� ‘一 ‘。� · 收稿日期 � � � � �一 。。一 � � 豁金项 目 � 汽车安全与节能国家重点实脸室开放菇金资助项 目��� � � �。。� �� 作者简介 � 麻友良�� � � 一 � , 男 , 武汉科技大学城市建设学院 , 副教授 � � � � �年第 �期 麻友良 , 等 �铅酸电池的不一致性与均衡充电的研究 由上式得 � � � �。� � �� � 从式 ��� 可知 , 对于充电可接受电流衰减常数 � 基本相 同的同一型号电池 , 容量低 的电池的充 电可接受电流小 �某一个 电池的实际容量下降时 , 其充电可接受电流也将减小 �� 。 � � � � � 充 电接受能力的差异对电池 充电的影响 两个充 电接受能力有差异的电池串联后 以 �� 的恒定电流充 电�图� � , 充电可接受电流低的� 号电池在 � 】一 � �充电时间里将有大量的水被电 解 。 下面介绍并分析这些方法 。 � � � 电池电压平衡法 此方法是以各电池的电压参数为均衡对象 , 通过均衡充电使各电池的电压恢复一致�� 。 如图�所示 , 均衡充电时 , 电容通过其控制开 关交替地与相邻两个电池连接 , 接受 电压高的电 池的充电 , 并向电压低的电池放电 , 直到两电池的 电压趋于一致 。 电容 电容 开关 开关 �几���了�‘���了������ 曰召二 � 、 � 号电池 � 号电池 号电池 � 号电池�� � 厂��门�尸帆 州玛 图� 均衡 电压充 电原理 �� �对电压高的电池电容充电 , �� 对电压低的电池电容放电 这种均衡方法解决了电池组 电压不平衡 问 题 。但我们所做的大量试验表明 , 电池性能好坏不 能只凭 电压 的高低来衡量 。电池组中容量低 的电 池在充 电时或充电以后 , 其端电压可能 比其它电 池高 , 如果采用这种均衡方法 , 那么均衡的结果是 容量低 的电池给容量高 的电池补充能量 , 加大 了 电池组 中各电池容量的差距 。 � � � 电池 �� � 平衡法 此 方法 是 以 各 电池 的 荷 电状 态 � �� �� 。 � � � �、� � � 。 , 简称 �� � �参数为均衡对象 。即当电池�� 中各电池的 �� � 不一致时 , 通过均衡充电的方法 使其达 到平衡 。 图 � 为此种 均衡 充 电的原 理框 图�� 。在电池组正常充电结束后 , 启动均衡充电 。 均衡充电控制系统逐个选通需要均衡充电的电池 进行均衡充 电 , 直到电池组中的电池都达到相同 的 � � � 。 �卜�户�哎棍韧护斌 “ 一 、 一 �仁泛沈沈 � � ,�’ � 允 电时 ��� 图� 充电接受能力差异对电池充 电的影响 如果 电池组中各电池容量不一致 , 在电动汽 车电池组快速充电或汽车减速 、制动时的能量回 收充电时 , 就会 出现充电电流超过容量较低电池 的充电可接受 电流的情况 。这样就会使充电接受 能力低的电池充人的电量减少 , 析气量增加 , 使得 其极板更容易硫化 , 电池容量下降 , 并导致其充电 接受能力更低 。 � � � � � 电池过放电的影 响 电池过放电时 , 其端电压急剧下降 , 并易使极 板上生成粗晶粒的硫酸铅 �硫化 � 。可见 , 过放电同 样会使 电池容量降低 , 影响其使用寿命 。由于终止 电压监测的及时性和可靠性问题 , 从而使得电池 能量管理系统很难 实现及 时准确的终止放 电控 制�� , 因此 , 电池组中容量低的电池的过放电问题 难以避免 。电池组 中电池容量差距越大 , 容量低的 电池过放电就会越严重 。 � � � 电池组中各电池容工不一致的影响 如前所述 , 组成电池组的各电池的内阻 、容量 等参数的不一致性 , 会使电池组中容量低 的电池 更容易过充电和过放电 , 从而使电池组陷人 电池 极板硫化加剧 、容量差距进一步扩大的恶性循环 之中 。这不仅缩短了电池使用寿命 , 还会因为电池 极板硫化而使其内阻增大和有效活性物质减少 , 从 而使电池组充放电能量转换效率 、输 出功率及 电动汽车的动力性下降 。 采集信号 电电电电电 ’ 继继继 � ���� 他他他他 电电电电电电电电电电电电 组组组组组 器器器 均衡充电模块块块块盒盒盒盒盒盒盒盒盒 � 各种均衡充电方法可用性分析 在各种文献中有不同的均衡充电方法介绍 。 图� 均衡 � � � 充电系统原理 理论分析和我们大量的试验表 明 , 在电池组 正常充电终止后 , 需要用此种均衡充电方法来提 高 �� �� 的往往是 电池组 中容量较大 的电池 。 因 此 , 这种均衡充电只能解决电池组 中容量较大的 电池因长期充电不足而性能下降问题 , 并不能减 小或消除各电池实际容量的差距 。 武汉科技大学学报 �自然科学版 � � � � �年第 �期 � � � 电池容盆平衡法 此方法以各电池的实际容量趋于一致为均衡 目的 。有些资料中把这种充电方法规定为 � 当正常 充电完成后 , 再继续用经常充电电流的� �� 对电池 充电数小时 , 直到正负极上发生剧烈气泡为止 �� 。 这种方法也被称之为过充电法 。这是一种具有实 际意义的均衡充电方法 。但是 , 采用此种方法 , 如 何才能使各电池 的容量趋于一致 , 即怎样采取均 衡充电控制策略 ,诸如均衡充电的启动 、均衡电流 的大小 、均衡充电的终止等控制问题 , 都需进行深 人的研究 。 � 基于消除电池极板硫化的均衡 充电研究与试验 � � � 基于消除电池极板硫化的均衡充电定义 理论分析和大量的试验研究表明 , 电池组各 电池在使用过程 中容量差距扩大的主要原因是其 极板硫化 , 容量低的电池的极板硫化程度高于其 它电池 。 因此 , 具有实际意义的均衡充 电定义应 为 � 在电池的使用过程中 , 采用适当的均衡充电来 防止 、减小或消除电池极板的硫化 , 使电池组中各 个电池的实际容量差距不扩大 , 电池组 的能量利 用率和充放电效率保持在正常水平 , 并延长电池 的使用寿命 。 显然 , 以 “电压平衡为 目的 ”和 以 “ �� � 为平 衡 目的”的均衡充电都不能达到上述定义的 。 按 “过充电”的均衡充电方法对电池组进行均衡充 电 , 实际上是对容量低 的电池进行适 当的“过充 电” , 以便减少或消除其极板的硫化 , 达到恢复其 容量 , 缩小或消除各电池的实际容量差距之目的 , 符合上面提出的均衡充电定义 。 � � � 减小或消除极板硫化的均衡充电试验 我们用两个 �� � � 的阀控电池成组进行 “过 充 电”的均衡充电试验 。试验前已经确认 �号 电池 的实际容量已低于 �号电池 。试验方法和试验结果 如图 �和表 �所示 。 表 � 电池均衡充电试验数据 均衡充电前 均衡充 电后 �� � � �� � � �、出甚澳翻恤 � � � � � � � � � �� � �� � � � � � � � � 充电时间 � � � � 初始电压 � � 放 电容 量 � � � � 初始电压 � � 放电容倾全� � � � �号 �包池 �� � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � �号电池 �� � � � �� � � � !∀ � � � � � � � � � 容量差 � � � � � � � � � � � � �� 侮一阶段的充电电流的大小和充 电时间以 � 号 电池不产生大的析气量为原则确定 。电池正常 充电结束后进行第�阶段 �均衡 �充电 。这一阶段充 电实际上是对 �号电池“过充电” , 通过较长时间的 图� 分段恒流 充电两 电池电压上升情况 �一 �号电蓄电池 沼一�号蓄电池 小电流 �� !充电 , 以减少其极板上的硫化程度 。 1 号电池则为“补充充电” , 因为在第3阶段结束时 , 1 号电池并未充足电 。 均衡充 电的结果 , 2 号 电池 的容量得到 了提 高 , 两电池的容量差距缩小 (见表1) 。证 明了此种 均衡充电具有实际意义 。 试验没有使两个电池的容量差缩小为。 , 这有 两方面的可能性:一是 2号电池容量降低 , 此外 , 还 有极板活性物质脱落 、电解液密度不 当等其它不 可能用“过充电”方法来恢复其容量的原因 ,二是2 号 电池的极板硫化已较为严重 , 用简单的“过充 电”方法 已不能将那些过于坚硬难溶 的硫酸铅还 原成活性物质 。 3 . 3 平衡容最均衡充电控制问题 试验表明 , 平衡容量均衡充电实际上是要对 容量低的电池进行 “去硫化充电” , 使其恢复容量 , 而对于容量高的电池 , 则是“补充充电” , 使其达到 完全充电状态 。因此 , 均衡充电的启动 、均衡充电 电流的大小及均衡充电的终止判断等 , 都要适应 这样的实际要求 。 ( l) 均衡充电的启动 。从电池容量不一致所表 现的充放电特征[s] 分析 , 可以通过两个条件来判 断是否需要启动均衡充电 :一是电池组的电压与 电流 , 即充电接近终了时电池组的电压达到了某 一限定值而电流是否小于某一规定的范 围 ;二是 充 电接近终 了时电池组中各 电池的 电压差值情 况 , 即各电池的电压差值是否超过了某一限定的 范围 。 ( 2) 均衡充电电流的大小 。在均衡充电时 , 容 量低的电池处于或接近于完全充电状态 , 其电解 液中硫酸铅的溶解 电离速率已非常低 , 可接受的 充电电流已很小 , 过大的充 电电流会使其产生大 量的析气反应而影响其恢复容量 。实际均衡充 电 控制中 , 均衡电流大小可根据电池的额定容量初 定 , 根据均衡充 电时的电压和电压的上升速率等 年第1期 麻友良 , 等:铅酸电池的不一致性与均衡充电的研究 情况来实时控制 。 ( 3 ) 均衡充电的终止 。均衡充电时间过短 , 其 均衡效果不明显 , 过长 , 则 白白消耗了能量 , 且对 电池组各电池有害无益 。可以根据电池组中电压 高的电池的电压达到极限值所持续的时间与充电 量和各电池的电压差值是否减小到设定的值综合 判定均衡充电的终止 。 有实际意义 。 参 考 文 献 4 结论 电池的不一致性导致了在使用中其容量差距 的扩大 , 这是造成电池性能状态迅速恶化而过早 报废的主要原因 。用 “过充电”的均衡充电方法来 减小或消除性能差 电池的极板硫化 , 以恢复其容 量 , 并使其它电池能充电至 “充足电”的状态 , 能够 实现各电池性能参数差距不扩大并趋于一致的目 的 , 对提高电动汽车用 电池的使用寿命和性能具 R es e a r e h o n th e In e q u a lity o f L e a d M A Yo u 一l i a n g l , [ 1 〕 陈全世 , 林拥军 ,等. 电动汽车用铅酸电池放电特性 的研究[J]. 汽车技术 , 1 9 9 6 , ( 8 ) : 7 一 l一 [ 2 ] 李槟 , 陈全世. 混合动力电动汽车中电池特性的研 究[J〕. 汽车技术 , 一9 9 9 , ( 1 0 ) : 1 2 一 14. 〔3〕 万沛霖. 电动汽车的关键技术[M 〕. 北京 :北京理 工大学 出版社 , ] 9 9 8. 【4」 孙逢春 , 张承宁 , 等. 电动汽车〔M 〕. 北京 :北京理 工大学出版社 , 1 9 97 . 〔5〕 彭金春 , 陈全世 , 等. 电动汽车铅酸电池充放电过程 建模 [J] . 汽车技术 , 一9 9 7 , ( 6 ) : 5 一 8. [ 6 〕De tlef H einem ann , D i e t r i e h N a u n i n . A B a t t e r y M a n a g e m e n t S y s t e m f o r O P t i m i z e d C o n t r o l a n d D i - a g n o s i s o f T r a e t i o n l飞a tte r ie s in E v s a n d H E V s [ Z〕. E V S 16. A c id B a tte r ie s a n d E q u a liz in g C h a r g e C H E N Q uan一 s h i “ ( 1 . W u h a n U n iv e r s it y o f S e ie n e e a n d T e e h n o lo g y , W u h a n 4 3 0 0 7 0 , C h i n a 2 . T s i n g h u a U n i v e r s i t y , Be i j i n g 1 0 0 0 8 4 , C h i n a ) A b s t r a e t : I n E V s t h e b a t t e r i e s ’ e a P a b i l it y p a r a m e t e r s d e m o n s t r a t e a n i n e q u a l i t y . W h a t 1 5 m o r e , t h e i n e q u a l i t y b e e o m e s m o r e a n d m o r e s e r i o u s w i t h t h e u s e o f b a t t e r i e s . T h i s 1 5 a n i m p o r t a n t f a e t o r w h i e l i l e a d s t o b a t t e r i e s ’ s h o r t e n e d l i f e 一 s p a n a n d t h e r e d u e e d e n e r g y u s i n g r a t e a n d p o o r e r p e r f o r m a n e e o f E V s . T h i s p a p e r h a s a n a l y z e d t h e f e a t u r e s a n d p r a e t i e a b i l i t y o f d i f f e r e n t e q u a l i z i n g e h a r g i n g m e t h o d s . W i t h t h e a n a l y s i s , a p r a e t i e a l e q u a l i z i n g e h a r g e 1 5 p r o p o s e d , w h i e h h a s b e e n p r o v e d t o b e e f f e e t i v e b y e x P e r l m e n t s · K e y w o r d s : l e a d a e i d b a t t e r y , i n e q u a l i t y ; s e r v i e e l i f e ; e q u a l i z i n g e h a r g e ·科技快讯 · 能降低汽车排放污染的等离子管 美国麻省理工学院物理学家丹尼尔 ·科恩的发明看起来并没有什么了不起 ,该装置仅仅是与酒瓶差不多大小的等离 子管 , 但它可大幅度削减汽车和其它车辆产生的烟雾排放物 , 并且可与现有的发动机技术兼容 , 预计其价格将十分低廉 。 这种等离子管的作 用相当于汽化器 。它是一种燃油预备装置 , 可将各种燃料转换成高质量富含氢的气体 , 不是把百 分之百的燃油泵送到发动机 , 而是将其中约1/ 4的燃油输送到等离子管 , 让燃油与空气混合 。燃料喷人等离子管后 , 电弧 把空气与燃油的混合物转变为等离子体— 一分子 、原子 、电子 的灼热集合体 。例如 , 汽油就可分解为氢和一氧化碳 。整个过程不到一秒钟 。在这之后该富氢气体与将要进人发动机的其余汽油混合在一起 。氢气与汽油混合物比普通汽油更易燃 烧 。这样 , 发动机用较少的姗料就可运转 。 由于燃料效率提高 ,所以发动机排放的污染物也相应 地减少 。最近 , 这种等离子 管被首次安装到了一 台商用轿车发动机上 , 它可靠地工作了两周 , 与通常的汽油发动机相 比 ,其氮氧化物排放量减少 了 两个数量级 。 等离子管传统上一直用于工业领域 , 生产富含氢的气体 。这种等离子管通常很大 ,大约有轿车发动机大小 , 而 且需要 大量电力 。科恩博士说:“就我们所知 , 我们是世界上第一个开发出了体积这么小 , 运行功率这 么低 (不到 1000w )的等离 子体增强燃油重整装置的 。 ”最近试验的 目的主要是看安装到发动机上 的新型等离子管是否能长时 间运行 。试验每天运 行4~ 6h , 运行两周 ,没有任何性能下降的迹象。 主要污染物的排放量显著减少 。例如 ,氮化物从不用等离子管时的平均 2700 x 10 一降至20 x 10 一 ‘。另外 .等离子管不需要预热 , 发动机一启动 , 它就工作 。安装等离 子管虽需要占用一些 额外空 间 , 但无需对车辆进行重大的重新.下一步工作是将等离子管安装到实际车辆_L ,并将该系统集成到车辆计算机上 . (摘自《世界发明 》2 0。。年第7期 , 陈吉飞 /文 )