麻友良,羅明勝,陳全世

(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,湖北武漢,430070;2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084)

電動(dòng)汽車用電池的快速充電是電動(dòng)汽車研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要課題。盡管許多實(shí)用化的充電設(shè)備或商用充電器具有快速充電及均衡充電的功能,但其通常是按事先設(shè)定的充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電。這種方法不能根據(jù)電池充電過(guò)程中的具體情況對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)整,為了避免出現(xiàn)過(guò)充電,設(shè)定的充電電流通常偏小,因此充電時(shí)間仍然較長(zhǎng),而且由于不具備自適應(yīng)能力,充電過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)充電現(xiàn)象,對(duì)蓄電池的壽命不利。為了在實(shí)現(xiàn)快速充電的同時(shí)又不影響電池壽命,關(guān)鍵是要使快速充電過(guò)程具有自適應(yīng)性,即根據(jù)電池的實(shí)際狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流的大小,使其始終保持在充電可接受電流的臨界值附近。為此,本文在電池快速充電理論基礎(chǔ)上,對(duì)分段恒流充電方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究,以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的智能化快速充電和均衡充電。

1 電池快速充電的分段恒流控制

1.1 快速充電方法的選擇

增大充電電流,電池極板上單位時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的活性物質(zhì)增多,充電時(shí)間就可縮短,但過(guò)大的充電電流會(huì)損害電池。電池可接受的充電電流是有限的,且會(huì)隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降[1]。在電池充電過(guò)程中,充電電流曲線在該指數(shù)函數(shù)曲線以上時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)(過(guò)充電),反之則不能有效縮短充電時(shí)間。理想化的電池快速充電過(guò)程是充電電流始終保持在電池充電可接受電流的極限值,即充電電流曲線與該電池的充電可接受電流曲線相重合。本文選擇容易實(shí)現(xiàn)的分段恒流充電方法[2-4],其關(guān)鍵是要確定適當(dāng)?shù)碾A段恒流充電終止判斷標(biāo)準(zhǔn)、恒流充電分段數(shù)和各階段恒流充電電流值。

1.2 分段恒流充電控制方案

要實(shí)現(xiàn)分段恒流充電的自動(dòng)控制,階段恒流充電終止判斷參數(shù)可選擇充電時(shí)間、電池溫度和電池電壓等。大量的調(diào)查分析和電池充電試驗(yàn)結(jié)果表明,單參數(shù)控制方法難以實(shí)現(xiàn)理想的分段恒流充電控制[5]。

充電時(shí)間參數(shù)控制方法簡(jiǎn)單,但電池型號(hào)不同、充電起始狀態(tài)不同,所需的充電時(shí)間也不一樣,如果單以充電時(shí)間來(lái)控制階段恒流充電的結(jié)束,容易導(dǎo)致電池過(guò)充電或延長(zhǎng)充電時(shí)間。溫度參數(shù)控制方法的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)電池溫度過(guò)高保護(hù),但是由于環(huán)境和傳感器響應(yīng)時(shí)間延遲的影響[6-7],如果僅以電池溫度參數(shù)作為階段恒流充電終止判斷標(biāo)準(zhǔn),也容易造成電池的過(guò)充電。電壓參數(shù)控制被認(rèn)為是較好的階段恒流充電終止控制方法,但其不足也是顯而易見(jiàn)的,比如:不能識(shí)別因電池極板硫化而產(chǎn)生的充電電壓異常升高以及電池充電過(guò)程中出現(xiàn)的異常溫升等,從而導(dǎo)致電池充電時(shí)間延長(zhǎng)或電池的損壞[8]。

為了保證在各種情況下均能檢測(cè)電池的實(shí)際充電狀態(tài),并實(shí)現(xiàn)較為理想的階梯形充電電流曲線,本文綜合了充電時(shí)間、電池溫度和終止電壓3個(gè)參數(shù)作為各階段恒流充電終止判斷依據(jù),其控制流程如圖1所示。

圖1 分段恒流充電控制流程圖Fig.1 Control flow chart of sectional fixed current charging

分段恒流充電結(jié)束后再進(jìn)行一段時(shí)間的定壓充電,是為了確保電池能完全充足。3個(gè)控制參數(shù)的具體控制策略如下。

時(shí)間參數(shù)控制:根據(jù)電池容量和充電電流,預(yù)先設(shè)定某段恒流充電的時(shí)間,當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí),通過(guò)定時(shí)器發(fā)出信號(hào),結(jié)束該階段的恒流充電并自動(dòng)將充電電流減小,進(jìn)入下一段恒流充電。

溫度參數(shù)控制:設(shè)定某段恒流充電至可接受電流極限時(shí)的電池溫度最高值,根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的電池溫度來(lái)控制充電裝置[9]。當(dāng)外界環(huán)境溫度較低、設(shè)置的電池最高溫度較高時(shí),采取控制溫升法,當(dāng)電池的溫升達(dá)到設(shè)定值時(shí),溫控器使充電裝置停止充電,直到溫度下降至適當(dāng)值時(shí),自動(dòng)進(jìn)入下一階段恒流充電。

電壓參數(shù)控制:電池的絕對(duì)電壓可以反映電池的充電情況,設(shè)定某段恒流充電達(dá)到或接近充電可接受電流極限值的電壓,當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),充電裝置便自動(dòng)結(jié)束本階段恒流充電,進(jìn)入下一階段。

1.3 分段恒流充電試驗(yàn)研究

根據(jù)電池的容量初步設(shè)定t(n)、I(n)和U(n),進(jìn)行充電試驗(yàn),充電過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)t(n)、I(n)和U(n)進(jìn)行調(diào)整,然后再進(jìn)行下一次充電試驗(yàn)。每次充電的電池初始狀態(tài)均為3 h率完全放電[10],對(duì)各次試驗(yàn)的充電時(shí)間、充電效率和電池溫升等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,從中選定充電時(shí)間最短、電池溫升比較小的充電過(guò)程,其各階段的控制參數(shù)和充入的電量如表1和表2所示,分段恒流充電電流曲線如圖2所示。

表1 定流充電各階段的控制參數(shù)和充入的電量Table 1 Control parameters and electrical quantities of constant current charging stages

表2 定壓充電階段的控制參數(shù)和充入的電量Table 2 Control parameters and electrical quantities of constant voltage charging stage

圖2 分段恒流充電電流曲線Fig.2 Current curve of sectional fixed current charging

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可得出如下結(jié)論:

(1)各段恒流值I(n)的梯度宜適當(dāng)減小。對(duì)比電池溫升情況及各段恒流充電終止?fàn)顩r相近的幾次分段恒流充電過(guò)程發(fā)現(xiàn),對(duì)于充足電所用時(shí)間而言,5段恒流充電的時(shí)間最短,而4段恒流充電的時(shí)間短于3段恒流充電的時(shí)間。因此,適當(dāng)減小各段恒流值下降梯度(分段數(shù)增加),可使實(shí)際充電電流曲線更接近充電可接受電流曲線。

(2)設(shè)定各恒流段充電時(shí)間t(n)的作用不大。用定時(shí)器控制各恒流段充電時(shí)間t(n)比較容易實(shí)現(xiàn),然而由于電池在恒流充電開(kāi)始時(shí)的荷電狀態(tài)不同或因電池容量衰減導(dǎo)致充電可接受電流減小時(shí),最佳的恒流充電時(shí)間也隨之改變。電池狀態(tài)的不確定使最佳充電時(shí)間很難確定。在試驗(yàn)中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象:某段恒流充電到了設(shè)定的充電時(shí)間,但充電電壓離終止電壓相差還很遠(yuǎn),這時(shí),本試驗(yàn)選擇了在該恒流值下繼續(xù)充電,直至充電電壓達(dá)到終止電壓;某段恒流充電設(shè)定的充電時(shí)間還未到,但電池已大量析氣(電解液“沸騰”),且充電電壓已高于設(shè)定的終止電壓或電池溫度升至限定值,這種情況下,充電器會(huì)立即停止該段恒流充電,自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一階段。由此可見(jiàn),在自動(dòng)控制充電過(guò)程中,設(shè)定充電時(shí)間的作用不大。

(3)電池溫度不宜單獨(dú)作為分段恒流充電控制參數(shù)。理論上,在開(kāi)始充電時(shí)電池荷電狀態(tài)不同的情況下,電池溫度均可用作各階段恒流充電的自動(dòng)停止控制參數(shù)。但是,溫度傳感器的誤差和滯后性容易造成電池過(guò)充電,因此不宜單獨(dú)采用電池溫度作為分段恒流充電終止控制參數(shù)。

(4)終止電壓參數(shù)U(n)對(duì)異常情況的自適應(yīng)性較差。將不同恒流值下的終止電壓設(shè)為控制參數(shù),可自適應(yīng)電池開(kāi)始充電時(shí)的荷電狀態(tài)和電池使用過(guò)程中充電可接受電流的變化,且控制也比較簡(jiǎn)單。但是,當(dāng)電池的性能出現(xiàn)異常變化時(shí),原來(lái)設(shè)定的終止電壓可能會(huì)過(guò)高或過(guò)低,導(dǎo)致電池過(guò)充電或過(guò)早降低充電電流而延長(zhǎng)了整個(gè)充電時(shí)間。此外,在不同的恒流充電階段,電池內(nèi)部的充電極化程度也不同,接近可接受電流極限時(shí)的充電電壓上升速率也會(huì)有明顯的差別,要準(zhǔn)確地設(shè)置各種恒流充電狀態(tài)下的終止電壓難度很大。

2 電池分段恒流充電的智能化控制

2.1 分段恒流充電智能化控制方案

根據(jù)分段恒流充電試驗(yàn)的結(jié)果與分析,對(duì)分段恒流充電控制方案作了如下調(diào)整:

(1)采用容量梯度法確定階段恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)[11]。通過(guò)理論分析和大量試驗(yàn)研究,本文認(rèn)為采用容量梯度參數(shù)dU/dC作為階段恒流充電終止判斷標(biāo)準(zhǔn)較為適宜。按該型電池恒流充電特性曲線確定充電終止容量梯度參數(shù),充電過(guò)程中控制器以設(shè)定的頻度對(duì)充電電壓進(jìn)行采樣,計(jì)算I(n)下的容量梯度值,并與設(shè)定的充電終止容量梯度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果判斷是否終止當(dāng)前階段恒流充電。

(2)減小各段恒流值下降梯度。通過(guò)試驗(yàn)確定該型電池初次恒流值I(1),并減小階段恒流充電的電流下降幅度。如果降低充電電流后,達(dá)到充電終止容量梯度值的時(shí)間很短(設(shè)定一個(gè)最小充電時(shí)間),則適當(dāng)增大電流下降的幅度。

(3)將電池溫度設(shè)為充電安全保障控制參數(shù)。設(shè)置電池最高溫度限定值,在充電過(guò)程中,如果電池溫度達(dá)到了限定值,立即停止充電。當(dāng)電池溫度降至正常溫度時(shí),適當(dāng)減小充電電流繼續(xù)充電,直到該段恒流充電結(jié)束[12]。

2.2 分段恒流充電智能化控制電路

分段恒流充電智能化控制電路如圖3所示[13]。該電路采用CPU控制,可對(duì)充電電池和充電環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè),對(duì)電池充電進(jìn)行計(jì)時(shí),采樣充電過(guò)程中電池的電壓和電流,對(duì)分段恒流充電過(guò)程進(jìn)行控制。

圖3 分段恒流充電智能化控制電路Fig.3 Intelligent control circuit of sectional fixed current charging

2.3 智能化分段恒流充電試驗(yàn)研究

根據(jù)調(diào)整后的分段恒流充電方案進(jìn)行充電試驗(yàn),為便于比較,采用與方案調(diào)整前的充電試驗(yàn)所用同一型號(hào)電池,充電初始狀態(tài)完全一樣。調(diào)整方案后的定流充電各階段的控制參數(shù)和充入的電量如表3所示,其定壓充電階段的控制參數(shù)和充入的電量與表2中的數(shù)值相同,調(diào)整方案后的分段恒流充電電流曲線如圖4所示。

表3 調(diào)整方案后的定流充電各階段的控制參數(shù)和充入的電量Table 3 Control parameters and electrical quantities of constant current charging stages after adjusting scheme

在調(diào)整方案后的分段恒流充電試驗(yàn)過(guò)程中,電池沒(méi)有出現(xiàn)溫度過(guò)高而停止充電的情況,充電時(shí)間縮短了,充電效率也提高了,并且整個(gè)充電過(guò)程均按設(shè)定的程序自動(dòng)進(jìn)行,完全不需要人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)了智能化的快速充電。

圖4 調(diào)整方案后的分段恒流充電電流曲線Fig.4 Curren t curve of sectional fixed current charging after adjusting scheme

3 結(jié)語(yǔ)

分段恒流充電使電池的實(shí)際充電電流曲線接近充電可接受電流曲線,是實(shí)現(xiàn)電池快速充電的有效方法。采用容量梯度法確定恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),減小階梯恒流充電電流下降梯度,并輔以電池溫度過(guò)高則停止充電的保護(hù)控制,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的智能化快速充電控制。試驗(yàn)結(jié)果表明,這種恒流充電控制方法可有效縮短充電時(shí)間,提高充電效率,延長(zhǎng)電池使用壽命。

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