第6章 新能源汽车的充放电系统

新能源汽车技术第6章新能源汽车的充放电系统May,2014新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014Page2第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理6.1.1蓄电池的充电方法和充电原理充电方式主要有恒流充电、恒压充电、阶段充电、脉冲快速充电、间歇充电等，而采用正确的充电方式对延长蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。下面以铅酸蓄电池为例讨论充电的方法和原理。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014Page3第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理1、恒压充电充电过程中电源电压保持恒定的充电方法。在恒压充电开始时，充电电流很大，根据Ic=(V–E）/R,随着蓄电池电动势E的增加，充电电流Ic逐渐减小，至充电终止时，Ic降到最小值，如果充电电压V调节适当，当充足电时，Ic降为零。一般充电4～5h后蓄电池即可达到额定容量的90%～95%；如果V选择得当，8h即可完成整个充电过程，并且在整个充电期间不需要照管和调整充电电流。Page4新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理图6.1恒压充电特性曲线Page52、恒流充电蓄电池充电时，充电电流保持恒定的充电方法。分为涓流充电、最小电流充电、标注充电、高速率（快速）充电四种充电方法。充电过程分为两个阶段：第一阶段采用较大的充电电流，使蓄电池的容量得到迅速恢复；当蓄电池电量基本充足、单个电池的端电压升到2.4V、电解液开始产生气泡时，转入第二阶段，将充电电流减半后保持恒定，直到电解液密度和蓄电池端电压达到最大值，且在2～3h内不再上升、蓄电池内部剧烈冒气泡为止。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page6优点：有较大的适应性，可以任意选择和调整充电电流，有利于保持蓄电池的技术性能和延长蓄电池的使用寿命。特别适用于小电流长时间的活化充电模式及有多个电池串联的电池组充电，并且有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。缺点：整个充电过程时间长、析出气体多、对极板的冲击大、能耗高、效率低（不超过65%），且整个充电过程必须有专人看管，需经常调节充电电流。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page73、脉冲快速充电在大电流充电过程中，自动进行短暂停充电并在停充电中自动加入放电脉冲的充电方式。脉冲快速充电初期大电流对蓄电池进行恒流充电，达到60%左右的额定容量；当单体蓄电池端电压达2.4V、电解液开始冒气泡时，控制电路使充电转入脉冲快速充电。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page8新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理图6.2脉冲快速充电的电流波形Page9优点：充电时间短、空气污染小、省电节能以及不需专人看管，同时由于脉冲快速充电时化学反应充分，使蓄电池的容量有所增加。故一般在电池集中、充电频率高或应急部门使用快速充电。缺点：析出的气体出气率高，对极板活性物质的冲刷力强，使活性物质易脱落；输出能量较低，能量转换效率也较低，对蓄电池的寿命影响很大。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page104、蓄电池间歇充电方法在充电过程中增加一段停歇时间，消除极化作用。间歇充电方法是建立在恒流充电和脉冲充电的基础上的一种快速充电方法。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page11分为变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。变电流间歇充电法：将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。变电压间歇充电方法，与变电流间歇充电方法的不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page125、智能充电方法集充电、在线监测于一体，对蓄电池组进行充电和容量检测、深度放电后对电池补充充电及对电池组日常维护的一项技术。工作原理：在整个充电过程中，动态跟踪蓄电池可接受的充电电流，应用dv/dt技术，即充电电源根据蓄电池的状态自动确定充电工艺参数，使充电电流自始至终保持在蓄电池可以接受的充电电流曲线附近，保持蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电，从而保护蓄电池。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page13优点：能较好地解决普通蓄电池或蓄电池组在正常充电模式下过充或充电不足的问题，也可以解决在快速充电模式下发热、能量回收等问题。缺点：该技术的应用需要考虑多重因素，如多充电电压、多充电电流、多充电时间的选择，温度检测、电压和电流检测功能的完善等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page146、电池的充电过程理想充电器的实际充电过程应分为预充电、快速充电、补足充电和涓流充电四个阶段。预充电：小电流充电，使其满足一定的充电条件。快速充电：大电流充电，充电速率一般在1C以上。补足充电：为了电池充入100%的电量，速率为0.2C左右。涓流充电：当电池温度上升到55℃时，自动转入涓流充电。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理Page157、常用充电方法的比较总结新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理充电方法优点缺点常规充电方法恒流充电可以任意选择和调整充电电流，适应性较慢，特别适合蓄电池容量恢复的小电流长时间充电初始充电电流过小，充电后期电流有过大、充电时间长、析出气体多、能耗较高、效率较低恒压充电充电过程较接近于最佳充电曲线，电解水很少，避免了蓄电池过充，控制装置简单充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，并且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废阶段充电析出气量小，较以上两种常规充电方法快不容易控制，前后两端都包含恒流和恒压充电的缺点新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014Page16脉冲式充电方法充电过程不产生大量的析气，并且不发热，从而可以较大缩短充电时间快速充电的能量转换效率低，易造成极板活性物质脱落间歇式充电方法充电过程析气量少、能量效率高、速度快控制硬件复杂，难以精确控制智能充电方法使用各种状态、类型的蓄电池，充电安全、可靠、节能、省时实现比较困难第6章新能源汽车的充放电系统6.1蓄电池的充电原理表6.1各类充电方法的优缺点比较Page176.2.1制动能量回收方法新能源汽车的能量再生制动，简称再生制动，是指在车辆减速或制动时，使驱动电机工作于发电机工况，将车辆的一部分动能转化为电能并回馈至电源的过程。电机制动的方法可分为机械制动和电气制动两大类。电气制动又可分为反接制动、能耗制动和回馈发电制动三种形式。回馈制动系统工作时应根据汽车运行状况改变，如在车辆制动、下坡滑行、高速运行和减速运行时等不同场合应采用不同的对策。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统Page18根据储能方式，车辆制动能量再生方法可分为：空气储能、液压储能、飞轮储能和化学储能等。1、飞轮储能利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统图6.3飞轮式储能制动能量转换过程示意图Page19飞轮储能式制动能量再生系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、飞轮离合器和驱动桥组成。发动机用来提供驱动车辆的主要动力。高速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置，为发动机提供辅助的功率以满足峰值功率要求。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统Page20新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统图6.4飞轮储能式制动能量再生系统示意图Page212、液压储能工作原理新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统图6.5液压储能式制动能量再生系统原理图Page22液压储能式制动能量再生回收系统由发动机、液压泵/电机、液压储能器、联动变速箱、驱动桥、液控离合器和液压控制系统组成。启动、加速或爬坡时，液控离合器接合，液压储能器与联动变速箱连接，液压储能器中的液压能通过液压泵/电机转化为驱动车辆的动能，用来辅助发动机满足驱动车辆所需要的峰值功率。减速时，电控元器件发出信号，使系统处于储能状态，将动能转化为压力能储存在液压储能器中，致使车辆行驶阻力增大，车速降低直至停车。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统Page23新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统图6.6液压储能式制动能量再生回收系统示意图Page243、电化学储能工作原理新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014图6.7电化学储能式制动能量再生回收系统原理图第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统Page25电化学储能式制动能量再生系统当车辆以恒定速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当车辆制动时，行车制动系统开始工作，车辆减速制动，电磁离合器接合，从而接通驱动轴和变速器的输出轴。制动时的机械能由电机转换为电能，存入蓄电池。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统Page26新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第6章新能源汽车的充放电系统6.2新能源汽车制动能量回收系统图6.8电化学储能式制动能量再生系统示意图Page276.2.2电动汽车制动能量的回收根据制动车速与制动时间的不同，电动汽车制动模式可分为以下三种。（1）急制动：对应于制动加速度大于2的过程。（2）中轻度制动：对应于汽车在正常工况下的制动过程，其中又可分为减速过程与停止过程。电制动负责减速过程，停止过程由机械制动完成。（3）下长坡时的制动：汽车下长坡（缓坡）时，制动力一般不大，可完全由电制动提供。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles