充放电控制策略对蓄电池效率和寿命的影响研究

摘要

随着经济的发展，人们对蓄电池的依赖程度越来越高。一方面电力系统要求的不间断供电，使蓄电池作为备用电源给设备供电，起到“削峰填谷”的作用;另一方面“十三五”规划中提出，实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平。电动汽车的发展离不开蓄电池，蓄电池的充放电效率和寿命是制约电池储能技术和电动汽车发展的关键因素之一，但国内外研究主要集中于蓄电池的建模、电压电流的测试以及修复，对电池的充放电效率和寿命的研究较少。本文以铅酸蓄电池的充放电效率和寿命为研究对象，设计了一套充放电效率测试系统。在此平台上，测试铅酸蓄电池在不同充放电策略下的充放电效率和寿命，通过分析测试数据，得出提高充放电效率和寿命的控制策略。本文主要工作可以总结为以下四个方面:
　　(1)铅酸蓄电池电化学原理和基本参数的分析
　　根据铅酸蓄电池的内部结构，着重分析了其在充电和放电过程中的电化学原理，研究了不同充放电的控制方式及其对蓄电池充放电效率和寿命等参数的影响，最后详细介绍了蓄电池充放电效率和寿命的测试方法。
　　(2)充放电效率测试系统的设计
　　该系统以型号为TMS320F28335的DSP芯片为控制核心，主要由硬件电路设计和软件程序编写两部分组成。其中，硬件设计主要分为充放电单元、检测单元、驱动单元以及辅助电源的设计;软件部分包括主程序设计、充放电控制程序设计以及通讯程序设计。它能够对充放电电压电流的设置，显示蓄电池端电压、电流、容量以及电量，并通过RS485通讯将数据上传至上位机，方便数据的管理和分析，实现了蓄电池充放电效率的测试。最后通过对牵引用（电动车专用）12V36Ah铅酸蓄电池进行测试实验，验证了该系统的可行性。
　　(3)充放电控制策略对蓄电池效率影响的分析
　　以牵引用（电动车专用）12V120Ah铅酸蓄电池为测试对象，通过充放电电流为5.2A、12A、20A和40A的测试实验，得到不同充放电电流下的充放电效率，通过分析测试数据发现，20A充放电时电池的充放电效率达到最大为86％。在MATLAB中对20A充放电策略下的电压及电流数据进行拟合，得到拟合函数。通过控制充放电电压和电流按照该拟合函数变化，就可以实现充放电效率最大化。
　　(4)充放电控制策略对蓄电池寿命的影响分析
　　对电池进行循环寿命测试实验，根据实验数据分析不同充放电电压和放电深度对电池寿命的影响。着重分析了20A放电电流下蓄电池寿命，对蓄电池进行300次的寿命测试实验，每10次进行一次容量测试，得到蓄电池容量保持率的变化曲线。发现电池在20次循环时开始进入稳定期，250次循环后容量开始急剧衰减，得到蓄电池寿命的衰退速率是先增大后减小再增大的结论。并根据上述分析结果设计了电动教练车的蓄电池寿命测试方案。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 铅酸蓄电池的研究现状

1．2．2 充放电方式的研宄现状

1．2．3 效率测试方法的研究现状

1．3 主要内容及章节安排

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 章节安排

2 蓄电池特性

2．1 铅酸蓄电池的电化学反应原理

2．1．1 铅酸蓄电池的构造

2．1．2 铅酸蓄电池的电化学反应

2．1．4 铅酸蓄电池充电的电化学原理

2．1．3 铅酸蓄电池放电的电化学原理

2．2 蓄电池的充放电特性

2．2．1 马斯三定律

2．2．2 充放电方式

2．3 蓄电池寿命

2．3．1 蓄电池寿命及测定方法

2．3．2 影响铅酸蓄电池寿命的因素

2．4 蓄电池充放电效率定义

2．5 本章小结

3 铅酸蓄电池充放电效率测试系统设计

3．1 系统概述

3．1．1 系统实现功能

3．1．2 系统指标

3．1．3 系统基本结构

3．2 硬件设计

3．2．1 系统充放电单元

3．2．2 器件参数计算及选择

3．2．3 检测单元

3．2．5 驱动单元的设计

3．3 软件设计

3．3．1 TMS320F28335芯片简介

3．3．2 主程序设计

3．3．3 充放电控制程序设计

3．4 系统测试

3．5 本章小结

4 充放电效率分析

4．1 测试对象

4．1．1 主要性能和基本参数

4．1．2 使用方法与维护

4．2 充放电控制策略对充放电效率的影响分析

4．2．1 恒压充电方式下的充放电效率分析

4．2．2 恒流充电方式下的充放电效率分析

4．2．3 快速充电方式下的充放电效率分析

4．3 基于蓄电池效率的充放电策略优化

4．4 本章小结

5 蓄电池寿命分析

5．1 充放电方式对蓄电池寿命的影响分析

5．1．1 充电电压和放电深度对蓄电池寿命的影响分析

5．1．2 蓄电池电压及可放出容量与循环次数之间的关系

5．1．3 放电电流对蓄电池寿命的影响因素

5．2 电动教练车电池寿命的模拟测试方案

5．2．1 实际应用时电池容衰减的因素

5．2．2 实际情况下电池寿命测试的等效条件分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间科研成果

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