蓄电池充放电过程及其放电控制方法

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,蓄电池充放电过程及其,充,放电控制方法,蓄电池的定义,化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池电池放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生把电能储存为化学能；需要放电时再次把化学能转换为电能。将这类电池称为蓄电池(Storage Battery)，也称二次电池。,所谓蓄电池(Storage Battery)即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。,现在一般用的蓄电池为铅酸蓄电池。,铅酸蓄电池的充放电过程,一、蓄电池电动势的产生,1.,铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅（Pb（OH）2），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb）留在正极板上，故正极板上缺少电子。,2.,铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO2）发生反应，变成铅离子（Pb+2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。,铅酸蓄电池的充电过程,1。,充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。,2,。,在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb ）和硫酸根负离子(SO42)由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb ）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb ），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO ）。,3。,在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb ）和硫酸根负离子（SO42），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb ）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附在负极板上。,4。,电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H ）和硫酸根离子（SO42），负极不断产生硫酸根离子（SO4 2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。,5.,充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。,6.,化学反应式为：,正极活性物质,电解液,负极物质,正极生成物,电解液生成物,负极生成物, , ,PbO2 + H2SO4 + PbSO PbSO4 + 2H2O + PbSO4,氧化铅,稀硫酸 铅,硫酸铅 水 硫酸铅,铅酸蓄电池放电过程,1,.、,铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I ，同时在电池内部进行化学反应。,2、,负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb+2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。,3、,正极板的铅离子（Pb+4）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb+2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板水解出的氧离子（O2）与电解液中的氢离子（H+）反应，生成稳定物质水.,4、,电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。,5、,放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO2）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。,6、,化学反应式为：,极活性物质,电解液负极活性物质,正极生成物,电解液生成物 负极生成物, ,PbO2 +,H2SO4 +,Pb PbSO4 + 2H2O +,PbSO4,氧化铅 稀硫酸,铅 硫酸铅 水 硫酸铅,铅酸蓄电池充放电后电解液的变化：,A） 从上面可以看出，铅蓄电池放电时,电解液中的硫酸不断减少,水逐渐增多,溶液比重下降.,B）从上面可以看出,铅酸蓄电池充电时,电解液中的硫酸不断增多,水逐渐减少,溶液比重上升.,C） 实际工作中,可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。,蓄电池的充电控制原理,蓄电池自动充放电控制器的构成,蓄电池自动充放电控制器的构成如图所示,由三相全控整流桥电路、触发板、计算机控制板、 电流电压传感器及滤波电路构成。三相全控整流桥电路由触发板控制，为蓄电池组提供数百安培充放电流。触发板由计算机控制板控制，为三相全控整流桥电路提供整流或逆变触发脉冲。用电流分流器和电压分压器测得充放电过程电流和电压信号，信号滤波后，被计算机控制板周期采样。以16位单片计算机80C196KB为核心构成的计算机控制板包括键盘、显示电路、微型打印机、12位调节输出电路，80C196KB通过内嵌A/D开启通道采样输入信号， 完成分段曲线控制。,三相全控整流桥的输出电流是带有纹波的直流，电流和电压传感器信号经型滤波器滤波， 其输出信号作为混合型模糊PID控制器的输入量，滤波前的信号由计算机采样用于快速保护。滤波器的时间常数取值为工频电压的周期。模糊PID控制器的控制周期取值小于工频电压的周期，过大会造成调节失控。过电流和过电压的抑制与保护措施是由计算机快速封锁触发脉冲完成的。,由于电网的波动及周边负荷的变化，在交流电的一个或多个周波内会使充电电流出现跃变。自动充放电控制器的调节功能是使充电电流或电压稳定。电池在深放电后充电，开始阶 段电池的内阻较大，随着充电电压的升高，内阻变得非常小，因此使电网中很小的电压波动也会引起充电电流较大的变化。这就要求充电控制器的调节速度要快，不然会引起跳闸，甚 至损坏整流电路。在实践中我们比较了多种控制算法，对铅酸蓄电池充放电过程的控制，采用混合型模糊PID控制器较为合适，如图所示。,当误差时，应用模糊控制器调节E、EC、U分别是偏差、偏差变化率和控制量的模糊语言变量。系统根据不同的状态使用合适的控制规则。根据现时的精确量e、ec进行模糊化，由模糊控制规则计算出模糊控制变量U，把计算出的模糊控制变量U精确化，加到控制对象上。偏差和偏差变化率为：,这里，r(n)为nT时刻控制系统的设定值 ，y(n)为nT时刻控制系统的输出，e(n)为nT时刻控制系统的偏差，ec(n)为nT时刻控制系统的偏差变化率，T为采样周期。E、EC、U的模糊子集规定为：,E=NB,NM,NS,PS,PM,PB ,EC= NB,NM,NS,PS,PM,PB。,模糊控制器的控制规则采用条件语句形式， 表达为：if Ei and ECj then Uk。,根据实际调试和经验总结出模糊控制规则，共计36条。采用Mamdani推理合成算法，用重心法进行模糊判决，从而计算出精确输出量u。根据上述规则，对于所有输入组合和状态值进行离线计算，得控制表存于E2PROM中。 在模糊控制过程中根据e、ec查相应的控制表，得输出控制量。当误差eEP时，应用增量式PID控制器调节：,式中Kp,Ki,Kd分别为比例，微分，积分系数，而t(n)时刻的输出量为：,