鄭向歌， 馮冬青， 范玉超

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

隨著人們生活水平的提高，汽車保有量急劇增加，引發(fā)了環(huán)境污染和能源短缺等一系列問(wèn)題。為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源，世界各國(guó)都在積極研發(fā)清潔的電動(dòng)新能源汽車。我國(guó)是世界第二大CO2排放國(guó)，而汽車尾氣排放占CO2排放總量的15.9%，可見(jiàn)中國(guó)面臨更大的碳減排壓力。推動(dòng)新能源汽車發(fā)展是我國(guó)的必然選擇。長(zhǎng)期以來(lái)由于技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的充電技術(shù)具有充電時(shí)間長(zhǎng)、效率低、安全性差等諸多缺點(diǎn)，成為制約電動(dòng)汽車推廣的一個(gè)瓶頸。另外，蓄電池不宜采用大電流充電的傳統(tǒng)觀念也限制了蓄電池快速充電技術(shù)的發(fā)展。因此，如何更新觀念，實(shí)現(xiàn)快速、高效、微損地對(duì)蓄電池充電，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速發(fā)展亟待解決的問(wèn)題[1]。電動(dòng)汽車動(dòng)力源是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成的電池組。在電池組中，各單體電池必然存在個(gè)體差異。如果不在充電過(guò)程中采取均衡措施，會(huì)導(dǎo)致部分電池過(guò)充或欠充，致使電池組性能降低、電池組壽命縮短。

1 研究背景

1.1 快速充電的好處

目前電動(dòng)汽車的主要缺點(diǎn)是：續(xù)行里程短，充電時(shí)間長(zhǎng)。要縮短充電時(shí)間必然要增大充電電流，然而在傳統(tǒng)觀念上，大電流充電會(huì)對(duì)蓄電池造成損害，縮短使用壽命。然而，最新研究證明，短時(shí)的快速充電對(duì)蓄電池非但沒(méi)有傷害，反而有諸多好處[2]。

1996年，奴爾對(duì)霍克公司的G12V190W15SP型閥控鉛酸蓄電池進(jìn)行的快速充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓄電池在采用大電流充電時(shí)，縮短了充電時(shí)間，庫(kù)侖效率和能量效率都比正常充電要高，并且溫升也在安全范圍內(nèi)。1997年格里菲茨(Griffith)進(jìn)行的連續(xù)快速充電實(shí)驗(yàn)證明了快速充電能實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)行駛里程的作用，并且不會(huì)對(duì)電池造成損害。加拿大Cominco公司對(duì)瑞典Optima公司的卷繞式閥控鉛酸蓄電池進(jìn)行的快速充電和常規(guī)充電對(duì)循環(huán)壽命影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，也充分證明了快速充電可以延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)壽命。最近在江西宜春也進(jìn)行有示范實(shí)驗(yàn)，表明快速充電對(duì)蓄電池容量有激活和恢復(fù)作用。

1.2 快速充電方法分析

蓄電池的充電可分為慢充、中充和快充。慢充是指充電電流限制在0.15C～0.3C，充電時(shí)間8～10 h，將蓄電池充電到充滿狀態(tài)；中充是指充電電流限制在1C左右，充電時(shí)間半小時(shí)左右，充入容量50%左右；快充是指充電電流可達(dá)5C～12C，充電時(shí)間為幾分鐘，相應(yīng)充入容量為30%～50%。本文則主要是針對(duì)在電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中的快充充電方式進(jìn)行研究。目前常見(jiàn)的快速充電方式主要有以下的幾種[3]。

采用1C以上的大充電電流恒流充電，用充電時(shí)間或充電電壓控制終點(diǎn)。這種快速充電方法控制技術(shù)簡(jiǎn)單；但是充電時(shí)間較長(zhǎng)，充入容量較少，效率低，后期充電電流過(guò)大，析氣多、溫升大。

由于蓄電池以最低出氣率為前提的可接受最大充電電流是以指數(shù)規(guī)律下降的，所以可以采用多階段恒流的方法，使充電電流隨充電時(shí)間盡可能地逼近可接受的充電電流，可使時(shí)間盡可能地縮短。但是，各階段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)較難確定。

恒定電壓充電法是指在充電過(guò)程中以恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電。恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且充電電流變化與可接受充電電流變化一致；但在充電初期，電池電動(dòng)勢(shì)較小而充電電流過(guò)大，使電池溫度上升過(guò)快，影響電池性能。

在充電電流逼近電池可按受電流的基礎(chǔ)上，可采用脈沖電流對(duì)電池充電。脈沖充電方式有正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電兩種方式[4]。此方式可有效地減緩電池溫升，減小內(nèi)阻，有明顯的去極化作用，可提高電池接受充電的能力。但是這種充電方式充電時(shí)間長(zhǎng)；另外諧波成分大，對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境造成不利影響；控制起來(lái)也非常復(fù)雜。

1.3 均衡控制分析

由于電動(dòng)汽車電池組中各單體電池存在著參數(shù)的差異，在對(duì)電池組充電時(shí)，以容量大的電池充滿為依據(jù)，會(huì)導(dǎo)致容量小的電池過(guò)充電，對(duì)電池造成損害；反之，以容量小的電池充滿為依據(jù)，則會(huì)導(dǎo)致容量大的電池欠充電，縮短續(xù)行里程[5]。電動(dòng)汽車電池組需要頻繁地充放電，隨著充放電次數(shù)的增多，各單體電池的不均衡將加劇，造成整個(gè)電池組性能明顯惡化，這就需要在充電過(guò)程中進(jìn)行均衡控制，使各單體電池達(dá)到均衡狀態(tài)。

目前，均衡控制方法主要分能量耗散式和非能量耗散式[6]。能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡。常使用的方法是每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，利用分流開(kāi)關(guān)控制。在充電過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí)，其分流開(kāi)關(guān)閉合，電池進(jìn)行分流。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但分流電阻始終在損耗能量，并且對(duì)于電動(dòng)汽車蓄電池其充電電流比較大，能量損耗就越發(fā)嚴(yán)重，能產(chǎn)生較多熱量。在能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，這種方法的劣勢(shì)就更加明顯。目前用的比較廣泛的非能量耗散式的基本原理是將能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到相鄰電壓較低的電池上。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用的是Buck-Boost結(jié)構(gòu)和Cuk結(jié)構(gòu)[7]。Buck-Boost結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其輸入、輸出電流是不連續(xù)的，因此一般都需要附加一個(gè)輸入/輸出低通濾波器，能效低。而Cuk結(jié)構(gòu)是在Buck-Boost結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其自身的電容、電感就起到了濾波的作用?？傮w來(lái)看Cuk結(jié)構(gòu)無(wú)需附加濾波器，要比Buck-Boost結(jié)構(gòu)使用方便，能效高。

2 帶均衡控制的蓄電池大電流安全充電方法

2.1 充電方法設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)常見(jiàn)快速充電方法的討論可見(jiàn)，各種充電方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。為了提高蓄電池的充電速度，必須增大充電電流。然而，出氣率對(duì)于蓄電池安全、性能起著決定性的作用。20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯(J.A.MAS)提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，即任一時(shí)刻蓄電池能接受的充電電流服從I=I0exp At，其中I0為初始充電電流；A為充電接受比；t為充電時(shí)間[8]。電池可接受充電電流特性曲線是隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)率下降。實(shí)際充電電流大小如果超過(guò)這一條可接受特性曲線，會(huì)導(dǎo)致電解液反應(yīng)，大量析氣、增大壓力和溫升，甚至?xí)鸨ǖ葒?yán)重后果；而小于這一接受特性曲線，則會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，達(dá)不到快速充電的目的。所以，本文就采用分段恒流的方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

采用分段恒流充電方法需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是選擇什么參數(shù)作為階段結(jié)束的判斷依據(jù)。雖然可接受充電電流是隨時(shí)間成指數(shù)下降的，但是由于不同電池初始狀態(tài)、充電參數(shù)等的不同，如果選用時(shí)間作為判斷參數(shù)容易造成電池過(guò)充或欠充。電池的電壓同充入電池的能量具有密切的關(guān)系，所以本文就采用電池電壓作為判斷參數(shù)。另外，在充電過(guò)程中如果電池溫度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p害、爆炸等后果，所以在充電過(guò)程控制中添加當(dāng)溫度超過(guò)閾值的過(guò)溫報(bào)警和強(qiáng)制停充一段時(shí)間。

另外對(duì)于長(zhǎng)期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，一開(kāi)始就采用大電流充電，會(huì)影響電池的壽命[9]。為了解決這問(wèn)題，要先對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流充電，使蓄電池電壓上升，當(dāng)電壓升到能接受大電流充電的閾值時(shí)再進(jìn)行大電流快速充電至電池容量的50%～80%。

根據(jù)上述分析，本文的充電過(guò)程可以用如圖1所示的流程圖表示。在圖1中，U為電池電壓；I為充電電流；U0為小電流充電電壓閾值；I0為小電流充電電流；I(n)為第n階段充電電流；U(n)為第n段中止電壓；U(n)max為第n階段終止電壓值；Umax為可允許最大電池電壓；T為電池溫度；T0為電池允許最高溫度。

2.2 均衡控制設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)均衡控制的分析，本文采用的Cuk結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換式均衡控制方法，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。如果圖2中控制單元檢測(cè)到電池B1的電壓比電池B2的電壓高，則能量需要從電池B1轉(zhuǎn)移到電池B2?？刂茊卧獣?huì)發(fā)送PWM信號(hào)給S1，S2保持?jǐn)嚅_(kāi)。假設(shè)S1導(dǎo)通時(shí)間為Ton，斷開(kāi)時(shí)間為Toff。

(1)在Ton期間，S1導(dǎo)通，B1轉(zhuǎn)移能量到L1，電容C1放電儲(chǔ)存能量到L2中同時(shí)給B2充電。

圖1 快速充電流程圖

圖2 Cuk結(jié)構(gòu)均衡控制結(jié)構(gòu)圖

(2)在Toff期間，S1斷開(kāi)，此時(shí)B1和L1釋能給C1，同時(shí)L2釋能給B2。

由此可知，S1無(wú)論在Ton還是Toff，B1都在向B2轉(zhuǎn)移能量，體現(xiàn)了Cuk拓?fù)涞母咝?，電容C1是能量轉(zhuǎn)移的載體，在整個(gè)周期T中輸入輸出都是持續(xù)電流。反之，若MCU檢測(cè)到VB2＞VB1，則向S2發(fā)送PWM信號(hào)，S1保持關(guān)斷，B2向B1轉(zhuǎn)移能量[3]。

電動(dòng)汽車蓄電池組是由很多單體電池組成的，為了達(dá)到充電均衡的目的，理論上需要在每?jī)蓚€(gè)電池組之間都安裝均衡裝置，但這樣就會(huì)出現(xiàn)安裝成本提高，充電裝置體積大，使用不方便，充電效率低，維護(hù)麻煩，充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。所以，在本文的均衡控制中，首先將若干個(gè)電池單體構(gòu)成小電池組，然后將均衡裝置用于各個(gè)小電池組之間。這樣處理，盡管均衡效果比在任意每?jī)蓚€(gè)電池單體間都安裝均衡裝置差點(diǎn)，但是在充電效率，充電時(shí)間，安裝使用等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的分析，帶有均衡控制的蓄電池大電流智能充電系統(tǒng)是由溫度、電壓采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、高溫報(bào)警模塊、充電控制模塊和均衡控制模塊等共同組成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的快速充電方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，本文對(duì)多塊12V、17 Ah的HR型鉛酸蓄電池利用本文所述方法進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2和圖4所示。

表1 本文所述充電方法與恒流充電方法比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 利用本文所述充電方法充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)在采用同樣大小的初始充電電流時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的分段恒流充電方法在安全性有很大優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在電池溫升小，出氣總量比較低，這樣也會(huì)使充電效率提高。

從表2中不同初始充電電流下的充電情況可見(jiàn)，隨著初始充電電流的增大，充相同電池容量所花費(fèi)的時(shí)間越來(lái)越短，甚至可在9m in內(nèi)充回80%的電池容量，并且電池析氣量并不是很大。另外，由于過(guò)溫報(bào)警裝置，電池溫升也處在安全范圍之內(nèi)。充電過(guò)程的能量利用率也會(huì)隨著初始充電電流的增大而提高。不過(guò)明顯可見(jiàn)，電池溫升和出氣量和初始電流大小是呈正相關(guān)的，所以，初始電流也需要控制在一定范圍之內(nèi)。

圖4中帶有均衡裝置與不帶有均衡裝置在同等充電環(huán)境下的充電效果比較可見(jiàn)，均衡裝置可使帶有差異的電池單體在充電過(guò)程中趨于平衡，然而沒(méi)有均衡裝置則會(huì)隨著充電進(jìn)行，電池單體之間的差異則會(huì)加劇。這也證明了均衡裝置對(duì)于電池組充電的必要性以及本文所設(shè)計(jì)均衡方法的有效性。

圖4 帶均衡裝置與不帶均衡裝置充電效果比較圖

4 總結(jié)

首先對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車充電現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)充電方式和均衡控制方式進(jìn)行比較和分析，綜合考慮其優(yōu)缺點(diǎn)，打破傳統(tǒng)觀念，提出了新穎的帶有均衡控制的大電流智能充電方法。另外，為了保證充電的安全性，還增加了高溫報(bào)警裝置。最后，設(shè)計(jì)合理的比較實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的充電方法在安全性、快速性、能效性方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。另外，均衡控制保證了在充電結(jié)束時(shí)各電池能達(dá)到均衡狀態(tài)。增加的高溫報(bào)警裝置也能時(shí)刻監(jiān)控充電過(guò)程，保證充電過(guò)程的安全。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的充電方法具有很強(qiáng)的科研與實(shí)用價(jià)值。

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