车用动力铅酸电池组充电系统设计

摘 要 目前制约电动汽车发展的一大瓶颈就是电池的问题:价格高，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。电池价格受到其材料成本和技术成本的限制。 即使价格最便宜的铅酸电池，每个电池组也需要几万元。这样整车的价格就会大大超出已有汽油车的价格，很难推广。为解决电动汽车商业化问题，研究人员主要从两个方面应对电池技术的挑战:一方面，从产品角度，开发满足电动汽车要求的新型电池。寻求技术上的突破，降低电池成本。另一方面，从使用角度，采用电池管理系统优化电池使用，充分发挥现有电池性能，如果可以更安全、节约、合理、有效地使用电池能量，也就是延长了汽车一次性充电的续驶里程，延长了电池寿命。 随着全球能源短缺和环境日趋恶化，开发新能源和清洁能源的交通工具是当今汽车技术进展的趋势，我国正在大力开发和生产电动汽车和混合燃料汽车，因此该题目具有实际应用意义和技术及经济意义。 本论文通过开关电源智能模块KA1M0880B 为核心和辅助外围电路，设计了一个铅酸电池组充电器，输入电压为220V,AC,50HZ，输出电压为59.2V，DC，输出电流不超过2.0A。 关键词： 铅酸电池，充电器，开关电源智能模块KA1M0880B 课题背景 电动车核心部件中的电动机，控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池，充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动车发展的瓶颈。目前电动车使用的电池主要由铅酸蓄电池，镍—金属氢化物蓄电池，锂离子蓄电池，燃料电池等，其中铅酸蓄电池以其价格低廉，材料来源丰富，技术和制造工艺较成熟，电池容量大，跟随负荷输出特性好，无记忆效应等优势成为电动车目前主要采用的电池种类。近年来铅酸蓄电池自身的技术有了不小的进步，比如全密封免维修铅酸蓄电池的出现还有铅酸蓄电池广泛应用于国防，通信，铁路，交通工农业生产部门等，但作为其能量再次补充的充电器却发展缓慢，充电时间过长，充电电流调整不好，充电器输出电压不足等等原因导致蓄电池的使用寿命大大地缩短，严重的制约着电动车的发展[1] [2]。 铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命[3]。 研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用[4]。 1.2 铅酸蓄电池发展历史 铅酸蓄电池的应用历史最长，技术最为成熟，是成本、售价最低廉的蓄电池，已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）一度成为重要的车用动力电池，应用在众多欧美汽车公司开发的EV和HEV上，例如通用在20世纪80年代和90年代分别开发出的Saturn和EVI电动汽车等。但是，铅酸电池的比能量较低，续航时间短，自放电率高，循环寿命低。其主要原料铅的重量大，而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所以，目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置，以及电动自行车等小型设备[5]。 蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。 到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：①充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；②气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，希望实现电池的密封，获得干净的绿色能源。 1912年ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的H2与O2重新化合，返回电解液中。但该专利未能付诸实现[6]： ①铂催化剂很快失效。 ②气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生。 ③存在爆炸的危险。 60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。 1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。 1969-1970年，美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。 1.3 铅酸蓄电池充电系统现状 近年来铅酸蓄电池自身的技术有了不小的进步，比如全密封免维修铅酸蓄电池的出现还有铅酸蓄电池广泛应用于国防，通信，铁路，交通工农业生产部门等，但作为其能量再次补充的充电器却发展缓慢，充电时间过长，充电电流调整不好，充电器输出电压不足等等原因导致蓄电池的使用寿命大大地缩短，严重的制约着电动车的发展。一般人们都是在蓄电池的电量全部使用完之后再对其进行充电，但这样的结果却容易导致充电器的过充而损坏，致使蓄电池过早地报废而污染环境，要知道每年报废的蓄电池的数量是十分恐怖的。现在全世界都在宣传低碳生活，如果使用智能式充电器就能起到节约能量消耗，增加蓄电池的使用寿命，不仅是对于电动车也是对地球的一种保护。而且最近几年许多新闻报道中都有使用者因为使用不当，比如蓄电池的反接或者先将充电器与市电相连再与蓄电池相接，这些都会危及到使用者的生命安全和蓄电池的完好，所以我们需要一种更安全更环保的充电器，这定将是未来充电器的发展方向。于是本文根据时代的发展及要求设计了一款目前市场充电器流行使用的方法，也是技术较成熟的一种设计，采用KA1M0880B驱动场效应管的单管开关电源配合LM324设计的三段式智能充电器。该充电器虽然存在维修难度大，功率小等缺点，但它具有体积小，重量轻，效率高，适应市电输入范围宽，安全可靠等优点，所以开关电源式充电器相对于变压器式充电器和可控硅式充电器来说将会是今后电动车充电器的发展方向，相信随着科学技术的不断进步，电动车以及电动汽车的也会有更加美好的未来[7] [8]。 1.4 论文结构 本论文设计了一个铅酸蓄电池充电系统，基于KA1M0880B芯片，桥式整流电路，电压比较电路，电压基准等电路，根据电池的状态产生三中充电状态，电流控制阶段，恒压控制阶段和浮充阶段。输入电压为220V,AC,50HZ，输出电压为59.2V DC。 主要有桥式整流模块，KA1M0880B逆变模块，电压比较模块等。 本论文第一章介绍铅酸蓄电池充电系统的研究背景。第二章是蓄电池充电模式介绍。第三章介绍对充电系统的方案设计思路，第四章介绍硬件电路设计实现。