鉛酸蓄電池的特性和DC-DC變換器設(shè)計方案目錄TOC\o"1-3"\h\u30790鉛酸蓄電池的特性和DC-DC變換器設(shè)計方案 1267171.1鉛酸蓄電池的特性 120821.1.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu) 1276201.1.2鉛酸蓄電池的充放電原理 2322261.1.3鉛酸蓄電池的重要參數(shù) 3155651.1.4鉛酸蓄電池的充電特性和方法 3233701.1.5影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素 6711．2DC/DC變換器設(shè)計方案 865021.2.1帶雙向DC/DC變換器的鉛酸電池充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8229061.2.2雙向DC/DC變換器的原理 9194201.2.3雙向DC/DC變換器的分類 1076901.3隔離型雙向DC/DC變換器 151.1鉛酸蓄電池的特性1.1.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸電池的正負極板為兩種不同金屬材料。其中正極多數(shù)采用無銻多元合金,目的是為了抗腐蝕,抗形變。為了提高析氫電位,正極板與負極板之間還會加有添加劑,添加劑的目的是為了增強導(dǎo)電性，同時還能夠增加電池極板的強度、防止軟化。隔板材料常常選用吸液玻璃纖維板,在玻璃纖維板上有一些微孔,這些微孔保證了電解質(zhì)能夠隨機擴散。隔板起到支撐和吸附的作用，能夠防止活性物質(zhì)脫落,在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時候正負離子可以通過隔板遷移。正極金屬板板會釋放出氧氣,氧氣可與負極板再次反應(yīng)。[4]一般情況下鉛酸電池的電解液為硫酸溶液。而在電池的充放電化學(xué)反應(yīng)中，硫酸作為電解液中的傳導(dǎo)電子。正極槽接點正極槽接點負極隔板電解液正極板負極板圖2-1鉛酸蓄電池基本結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2鉛酸蓄電池的充放電原理鉛酸蓄電池放電時,正極板上的氧化鉛通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硫酸鉛(PbSO4),鉛酸蓄電池的放電過程是一個電化學(xué)過程,放電的總化學(xué)方程式如式(2-1)所示： Pb+PbO2+2H2S充電過程中正負極反應(yīng)如式(2-2)和式(2-3)所示，充電總會反應(yīng)如式（2-4）所示。充電正極化學(xué)反應(yīng): PbSO4充電負極化學(xué)反應(yīng): PbSO4充電總化學(xué)反應(yīng):. 2PbSO4鉛酸蓄電池在充電過程中正極還可能發(fā)生電解水析出氧氣(O_2)的化學(xué)反應(yīng)，如式(2-5)所示。 H2O負極一方面與正極傳輸過來的氧氣02反應(yīng)而被氧化，另一方面接受外來電路傳輸來的電子進行還原反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)如式(2-6)式（2-7）式(2-8）所示，負極總反應(yīng)如式（2-9）所示。 12O PbO+H+ PbSO4 12O鉛酸電池在正極完成氧循環(huán)時,單位時間內(nèi)析出氧的速度與充電電流的大小有關(guān),當充電電流越大的時候,單位時間內(nèi)吸出氧也就越多。在充電的末期,鉛酸電池內(nèi)的硫酸鉛(PbSO4)幾乎完全轉(zhuǎn)換為二氧化鉛(PbO2)和鉛(Pb),如果再繼續(xù)增大電壓和電充電的電流,將會產(chǎn)生電解水反應(yīng)電池析出氧氣(O2)。1.1.3鉛酸蓄電池的重要參數(shù)在使用鉛酸蓄電池時,蓄電池容量、電壓、內(nèi)阻、充電時間等因素都會對鉛酸蓄電池的壽命和性能產(chǎn)生影響。（1）容量在一定放電條件下,鉛酸蓄電池所釋放出來的電能也就是鉛酸蓄電池的容積,鉛酸蓄電池的容積大小也是一個重要參數(shù),鉛酸蓄電池的容積大致可以劃分為三類:理論上的最高值一般是基于法拉第定律的,鉛酸蓄電池額定功率指的是蓄電池能夠發(fā)出的最大電量,當蓄電池充滿電并以恒定的電流將其放電到終端電壓時,實際電壓值應(yīng)與蓄電池放電和終端電壓之和相對應(yīng),即鉛酸蓄電池在某些特定條件下是否能夠釋放出最大電量。（2）內(nèi)阻電池隔膜和其他材料產(chǎn)生的內(nèi)阻隨著電解液濃度和溫度等多種因素的變化而變化。一般情況下只有在鉛酸充放電的末期，或者電池即將到達使用壽命的最后階段,極板的狀態(tài)變化引發(fā)產(chǎn)生的電流波動才會變化,并且數(shù)值較小。內(nèi)阻數(shù)值越低的話，電池充放電過程中產(chǎn)生的能量損耗就會小,性能也更優(yōu)秀。（3）電壓電壓能夠反映出鉛酸電池的工作狀態(tài)。電壓主要有三種:第一種是電動勢,另外二種是開路電壓和端電壓。電動勢的大小取決于電化學(xué)反應(yīng)的類型和電化學(xué)反應(yīng)的條件。當電池在釋放后處于平衡穩(wěn)定狀態(tài),使用壽命不同,對開路電壓有一定影響。1.1.4鉛酸蓄電池的充電特性和方法（1）可接受充電電流曲線析氣區(qū)接受區(qū)可接受充點電流析氣區(qū)接受區(qū)可接受充點電流圖2-2可接受充電電流曲線充電開始時較大結(jié)束時較小,并呈下降趨勢,如果超過可接受的電流曲線,則鉛酸蓄電池過載,導(dǎo)致電解水反應(yīng)和氧排放。并且還會出現(xiàn)電池溫度升高,內(nèi)部壓強增大等不良現(xiàn)象。I=I0（2）恒壓充電法保持蓄電池充電電壓恒定的方法稱為恒流充電法。充電過程中電壓和電流的變化如圖2-3所示。恒壓充電,第一次充電電流很大,隨著充電時間的推移,電池的端電壓逐漸升高,電流也隨之減小。恒壓充電的優(yōu)點非常簡單,但電池的溫度升高對鉛酸蓄電池的容量和耐久性的影響十分明顯。因此恒壓充電法適用于小容量低電壓的蓄電池充電上。充電電壓可接受充電電流充電電壓可接受充電電流充電電流圖2-3恒壓充電法（3）恒流充電法保持充電電流恒定的方法稱為恒流充電。電流電壓變化如圖2-4所示。在充電的初始階段充電效果較好,但由于后期電流增大,導(dǎo)致蓄電池過載,因此在隨后的充電步驟中會釋放更多的氧氣,影響鉛酸電池的容量與壽命?？山邮艹潆婋娏鞒潆婋娏鞒潆婋妷嚎山邮艹潆婋娏鞒潆婋娏鞒潆婋妷簣D2-4恒流充電法（4）兩階段充電法上述兩種方法都存在著一定的問題,而兩階段充電法利用上述方式的優(yōu)點，在初始階段以恒流模式工作,當蓄電池的電壓到到達設(shè)定的恒壓值后轉(zhuǎn)入恒壓充電模式。兩階段充電法的優(yōu)點在于可以在監(jiān)測線時的充電過程中,有效的避免了恒壓充電初始電流過大和恒流充充電,后期析出氣體較多的問題。恒流充電階段充電電流充電電壓恒壓充電階段恒流充電階段充電電流充電電壓恒壓充電階段圖2-5兩階段充電法（5）三階段充電法顧名思義三階段充電法，是由兩階段充電法發(fā)展而來。在如今的鉛酸蓄電池充電中，通常采用三階段充電法。充電電流充電電壓恒流充電階段恒壓充電階段浮充階段充電電流充電電壓恒流充電階段恒壓充電階段浮充階段圖2-6三階段充電法充電電流C(A)0.0010.0030.010.030.10.33.01.81.充電電流C(A)0.0010.0030.010.030.10.33.01.81.61.41.2（％）充電電壓(％)氧復(fù)合率100806040200圖2-7氧復(fù)合率和充電電壓、電流關(guān)系圖1.1.5影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素在現(xiàn)如今的研究中,鉛酸蓄電池的壽命和可以從兩個方面探討,一個是單體電池方面,另一個是從電池組方面。過充電過放點環(huán)境溫度以及長 期服充電會對單體電池造成影響。而串聯(lián)鉛酸電池組中，單體電池的不均衡會影響電池組的壽命。（1）過充電氧氣從鉛酸蓄電池正極釋放,增加了電池殼壓,極板深度產(chǎn)生的氧氣在吸收過程中形成氣泡,影響正極活性物質(zhì)氧化鉛,最終導(dǎo)致氧化鉛與網(wǎng)的結(jié)合力降低,,從而使得鉛酸蓄電池的容量大大降低,如果鉛酸蓄電池長期過載,水被電解產(chǎn)生H+,正極含酸量增加后,不僅正極板柵的結(jié)合力降低,而且板柵也會減小影使用壽命,同時,由于耗水量大,電池會面臨干涸的危險，這種情況十分危險。（2）過放電另一個影響壽命的重要因素是電池過放電。過放電過程會使電池極板上會產(chǎn)生硫酸鉛晶體,這些硫酸鉛晶體形成后難以回收。圖2-8展示了12V/20Ah鉛酸蓄電池放電深度與壽命的關(guān)系。圖2-8放電深度與循環(huán)壽命關(guān)系圖（3）環(huán)境溫度由于鉛酸電池的結(jié)構(gòu)特殊,鉛酸蓄電池的廠家一般都會給使用溫度范圍,蓄電池在溫度使用范圍內(nèi)可以使其發(fā)揮到最佳的性能。使用由6個2V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成的12V鉛酸蓄電池時，溫度升高時其充電電壓需要降低。這種按照溫度變化對組電壓進行的補償,能夠延緩電池壽命衰減。否則會嚴重影響電池容量和壽命。圖2-9是設(shè)計所采用的鉛酸蓄電池充電電壓和溫度的關(guān)系,溫度每上升1℃其充電電壓需要降低4.3mV左右。圖2-9充電電壓和溫度關(guān)系圖1．2DC/DC變換器設(shè)計方案本課題為對鉛酸電池充放電轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計,先通過對直流變換器的發(fā)展歷程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，總結(jié)各種電路設(shè)計的優(yōu)點,再成本文充放電變換器的設(shè)計,并在MATLAB中對系統(tǒng)模擬測試和分析。1.2.1帶雙向DC/DC變換器的鉛酸電池充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨著電動汽車、航空航天、風(fēng)電、太陽能、燃料電池等新能源領(lǐng)域的發(fā)展,雙向直流變換器進入了一個新的發(fā)展階段,已經(jīng)成為電力電子的一個重要分支。在鉛酸蓄電池充放電系統(tǒng)中,變換器一段與高壓直流母線連接，另一端和鉛酸蓄電池組連接使用。鉛酸蓄電池充放電變換器的充放電系統(tǒng)框圖如圖2-10所示。圖2-10帶雙向DC/DC變換器的充放電系統(tǒng)框圖帶雙向DC/DC變換器的鉛酸蓄電池充放電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1)雙向直流變換器的直流母線和蓄電池端，而且變換器明顯小了。之所以系統(tǒng)的動態(tài)特性有明顯提升,是因為直流變換器的濾波電感在兩個方向上都能夠重復(fù)使用。(2)在過載的情況下,雙向直流變換器只能根據(jù)額定功率進行設(shè)計,因為多余的功率由雙向直流變換器提供。(3)通過直流變換器調(diào)節(jié)電池的充放電過程,從而有效地管理和運行,大大提高了能源的利用效率。雙向直流變換器可以為背載提供能量和穩(wěn)定的直流母線電壓,連接雙向直流變換器后,鉛酸充電和放電系統(tǒng)需要一個雙向直流變換器，它可以接受有限的雙向功率和恒定的電壓極性。是因為鉛酸蓄電池具有電流雙向限流動進行充、放電的特點。[10]。1.2.2雙向DC/DC變換器的原理目前,大多數(shù)直流變換器工作在一個方向,因為功率二極管存在于主傳輸通道中,所以能量只能在同一方向流入直流變換器,而將兩個單向變換器首位相接，并聯(lián)在在相反方向,如圖2-12所示。電能可以由母線端傳輸?shù)絍2,變換器2能量由V2經(jīng)變換器2傳輸?shù)絍1。通過兩種運行方式實現(xiàn)能量雙向流動的最簡單方法是將兩個DC/DC反向并聯(lián)的單向變換器連接起來,這種方法簡單易行,但存在系統(tǒng)體積大、重量大、系統(tǒng)資源浪費等缺點。圖2-12兩臺單向DC/DC變換器反并聯(lián)連接的雙向結(jié)構(gòu)實際上,一個雙向直流變換器可以代替兩個并聯(lián)的單向直流變換器的功能,如果變換器兩端的電壓極性保持不變,變換器就可以根據(jù)系統(tǒng)的實際需要完成雙向能量流,在電壓和電流的兩個坐標平面上,輸入和輸出電壓的極性不變,變換器的輸入輸出開口仍能完成雙向能量流功能,雙向直流變換器的結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。通過控制V1和V2之間的雙向直流變換器,可以實現(xiàn)能量的雙向流動。I1是V1側(cè)的輸入電流,I2是V2側(cè)的輸入電流。通過合理控制其可以實現(xiàn)能量從V1側(cè)向V2側(cè)流動,或使能量從V2側(cè)和V1側(cè)流動,但是雙向DC/DC變換器控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性低。圖2-13雙向DC/DC變化器結(jié)構(gòu)如圖2-12所示,通過在單向直流變換器的開關(guān)和二極管的反并聯(lián)開關(guān)上安裝反并聯(lián)裝置,所有單向直流變換器都可以轉(zhuǎn)換為雙向變換器。雙向直流變換器允許同一個變換器實現(xiàn)能量的雙向流動,具有減少功率器件數(shù)量和減小系統(tǒng)體積的優(yōu)點,在低電壓大電流的情況下,采用雙向DC變換器的同步電路,可以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率,大大降低導(dǎo)通損耗。1.2.3雙向DC/DC變換器的分類根據(jù)變換器的電源輸入和輸出之間是否有工頻變壓器,可分為隔離拓撲和非隔離拓撲,從其發(fā)展來看,單向直流變換器是非隔離拓撲的來源,其中Boost和Buck兩種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),而后四種結(jié)構(gòu)Buck/Boost、Cuk、Sepic、Zeta是其派生而來。非隔離型雙向DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省材料、轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。但其輸入輸出的電壓較低,因此不能應(yīng)用于傳輸比例較大的電路中。非隔離雙向DC/DC變換器通過選擇全控開關(guān)器件和并聯(lián)方向二極管實現(xiàn)能量的雙向流動,功率器件相對較少,結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約部分材料操控方式容易效率高等優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng)用于無需電氣隔離的領(lǐng)域。圖2-14到2-17列出了四種基本的非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)。圖2-14雙向Buck-Boost結(jié)構(gòu)圖2-15雙向半橋結(jié)構(gòu)圖2-16雙向CUK結(jié)構(gòu)圖2-17雙向SEPIC結(jié)構(gòu)隔離雙向直流變換器的輸入輸出之間有一個工頻變壓器,因此它具有許多非隔離變換器所不具備的特性,例如在隔離雙向直流變換器的電路中,穩(wěn)定性和安全性更好,而且對地的泄漏也大大減少。最重要的是,無隔離變換器的輸入輸出電壓低沒有缺點,隔離變換器可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸入輸出電壓。因為在隔離型變換器中還有工頻變壓器,所以在電路短路時,可以迅速的切斷電路中的開關(guān)管。但是隔離型變換器較非隔離變換器,拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多。因此制作成本增大,并且應(yīng)用范圍沒有非隔離型變換器應(yīng)用范圍廣。只有在少部分大功率電力電子電路場合中才會應(yīng)用隔離型變換器。隔離型變溫器的特殊,結(jié)構(gòu)繁多,常見的方式有正激、反激、推挽、半橋和全橋等。其中基本的四種拓撲結(jié)構(gòu),具體詳見圖2-18到2-21。隔離型變換器的各種拓撲結(jié)構(gòu),其功率也有所不同。應(yīng)用于多種小功率需求的場所的結(jié)構(gòu)是雙反激拓撲結(jié)構(gòu)。與雙反激式拓撲相比,推挽式拓撲的受力稍高,但它的一個嚴重缺點是易受變壓器漏感的影響,導(dǎo)致電壓峰值過大。其中用于高輸入電壓比和中高性能的應(yīng)用最多,開關(guān)器件越多,輸出功率越高。雙向全橋拓撲是由兩個對稱的充滿橋式拓撲的充電電壓源組成,拓撲中只有一個開關(guān)的變換器輸出功率最小,而雙向全橋拓撲有八個開關(guān),在隔離式雙向直流變換器中,通常采用IGBT作為開關(guān)器件,該變換器效率高,可用于不同電池、燃料電池和負載之間的能量轉(zhuǎn)換。圖2-18反激型雙向DC/DC變換器圖2-19正激型雙向DC/DC變換器圖2-20推挽型雙向DC/DC變換器圖2-21橋式雙向DC/DC變換器在高壓大功率應(yīng)用中，為了提高雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的動態(tài)性能，降低濾波器的體積和重量。將三級技術(shù)引入到二級buck/bost雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器中。如圖2-22所示，獲得了非分離的三級buck/bost雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。其優(yōu)點是元件中的無源元件可以大大降低。圖2-22三電平非隔離型Buck/Boost雙向DC/DC變換器濾波電感器可以與基本的非分離直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合，得到以此為基礎(chǔ)的不同的拓撲結(jié)構(gòu)。從而引申出多種非分離雙向直流轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)。以降低開關(guān)管的電壓和電流為目的的濾波器設(shè)計，使用了多相拓撲結(jié)構(gòu)，并且實現(xiàn)了能夠在雙向大功率傳輸?shù)墓δ?。圖2-23展示出了這種轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)。[11]圖2-23三相交錯并聯(lián)Buck/Boost雙向DC/DC變換器如圖2-24所示,這是一種典型的buck-boot雙向直流轉(zhuǎn)換器。這樣的拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是輸入和輸出電壓相同，這使得電流可以順利的在兩個象限之間流動。這種結(jié)構(gòu)與一般的buck/bost轉(zhuǎn)換器相比而言，使用的開關(guān)裝置和二極管各增加了一倍，從而降低了單倍電容和電感所需要承受的電壓和電流應(yīng)力。缺點是開關(guān)處于硬開關(guān)狀態(tài)，開啟損耗大，轉(zhuǎn)換器效率低。圖2-24Buck-Boost級聯(lián)型雙向DC/DC變換器雖然基本的非隔離雙向DC/DC變換器可以完成雙向能量流功能,但在實際應(yīng)用過程中功率變換功能仍存在局限性。1.3隔離型雙向DC/DC變換器上述的非隔離型雙向變換器在實際生產(chǎn)生活中常常會遇到各種條件和背景的限制，因此為了解決這些問題，我們提出了雙向分離型直流轉(zhuǎn)換器，他的拓撲結(jié)構(gòu)與雙向非分離型DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)不同。上述電路拓撲或其變型體的各種組合可以獲得各種形式的分離形式，其中直流雙向推挽轉(zhuǎn)換器在小功率情況下應(yīng)用的過程中表現(xiàn)良好，并且他有著電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。而另一種推挽變換器外觀較大，適用于大功率場景率，但對傳輸信號有很高的要求，應(yīng)該有良好的對稱性。不然的話常常會有偏磁的出現(xiàn)，并且為了減少電感損失，變壓器線圈必須緊密耦合以降低源開關(guān)的峰值電源切斷電但這增加了評估變壓器線圈和電源設(shè)備的參數(shù)選擇的難度。[12]隔離式雙向直流變換器通過調(diào)節(jié)變壓器的匝數(shù)進行電壓變換，具有電氣絕緣、安全可靠等優(yōu)點，雙向直流變換器通過調(diào)節(jié)高頻變壓器的匝數(shù)比來進行電壓變換，從而將能量轉(zhuǎn)移到負載上，具有更廣闊的應(yīng)用前景。由于涉及到高頻變壓器的使用，這種隔離式雙向直流-直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)不然要比非隔離式繁瑣，設(shè)計為了防止鐵心飽和，研究實現(xiàn)了鐵心在一個周期內(nèi)等伏秒積的功能。將隔離的雙向直流充放電變換器按電源類型區(qū)分，可以分為雙向電壓變換器和雙向電流變換器如圖2-25所示。（1）電壓型拓撲結(jié)構(gòu)（2）電流-電壓型拓撲結(jié)構(gòu)（3）電流型拓撲結(jié)構(gòu)圖2-25隔離型雙向直流充放電變換器分類基于Buck降壓型拓撲的電壓-電壓型拓撲變換器兩側(cè)都為電壓源型結(jié)構(gòu),此類拓撲研究最為成熟。[13]隔離橋雙向DCDC變換器是一種典型的電壓-電壓拓撲結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于中大功率場合。電路如圖2-26所示。圖2-26全橋雙向直