電動汽車鉛酸蓄電池智能充電及其策略

陳 浩，郭利進，李 輝

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

隨著石油能源不斷消耗，電動汽車以其節(jié)能環(huán)保特性被世界各國研究和推廣。然而動力電池一直是制約電動汽車發(fā)展的最大瓶頸。閥控免維護鉛酸蓄電池(VRLA)［1］憑借其制造成本低、容量大、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點成為電動汽車的主要動力設(shè)備。但若蓄電池使用不當(dāng)，其壽命會大大縮短。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，充電過程對電池壽命影響最大，放電過程影響相對較小。因此充電系統(tǒng)，對蓄電池的壽命起決定性影響。

傳統(tǒng)的充電方法是通過加大充電電流，達到快速充電的目的。但大電流充電必然會導(dǎo)致蓄電池過流、過溫、極板極化等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響蓄電池壽命。若以小電流慢充，雖然對蓄電池壽命影響較小，但充電時間會相對延長。為解決充電時間與電池壽命的矛盾問題，通過對蓄電池充電過程內(nèi)部化學(xué)特性的了解，提出一種新的充電控制策略，實現(xiàn)蓄電池高效、快速、無損害充電。

1 充電控制策略

1.1 快速充電技術(shù)的理論基礎(chǔ)

20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家馬斯以最低析氣率為前提，提出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，其方程為

式中，i為任意時刻t時的蓄電池可接受充電電流;I0為最大可接受充電電流;a為衰減率常數(shù)，也稱為充電可接受比。

1972年，馬斯又在第二屆電動汽車大會上提出了著名的馬斯三定律［2］，奠定了快速充電的基礎(chǔ)。

第一定律:一個蓄電池以任何給定電流放電，它的充電接受率a和放電容量C的平方根成反比，即

式中，K為放電電流常數(shù);C為蓄電池放電的容量。

第二定律:對于任何給定的放電深度，一個蓄電池的充電接受率a和放電電流Id的對數(shù)成線性關(guān)系。即

式中，K2為放電量常數(shù)，視放電深度而定;k為放電常數(shù)。

第三定律:一個蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個放電率下接受電流之和。即

式中，I1，I2，I3，…為各放電率下的充電電流。

馬斯三定律表明，在充電過程中，當(dāng)充電電流接近蓄電池可接受充電電流曲線時，適時的停止充電，并在停止過程中加入放電脈沖，可以消除極化現(xiàn)象，提高蓄電池的充電接受能力，從而大幅提高充電速度，對蓄電池的容量和壽命不造成影響。

1.2 充電控制策略

根據(jù)馬斯三定律的理論基礎(chǔ)，實驗以12 V/12 AH鉛酸蓄電池為對象，設(shè)計的充電控制策略，將充電過程分為三個階段:大電流恒流、正負(fù)脈沖快速充電、恒壓補足充電，如圖1所示。該蓄電池額定電壓為12 V，充滿電時端電壓約為14.7 V，放完電時端電壓約為10.8 V，充放電過程中電池溫度若達到45℃，蓄電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重、極板活性物質(zhì)開始脫落。

圖1 充電控制策略示意圖

充電過程三個階段具體控制策略如下:

(1)大電流恒流階段。充電初期，當(dāng)電池端壓小于12 V時，表示電池電量較低，可以采用大電流進行恒流充電，使蓄電池在較短的時間內(nèi)盡量充入較多的電量。當(dāng)蓄電池的端電壓上升到14.7 V時，水開始分解，產(chǎn)生極化和析氣現(xiàn)象，此時停止充電。一段時間后，轉(zhuǎn)入下一階段。

(2)正負(fù)脈沖快速充電階段。在脈沖的停歇階段，隨著充電電流的消失，極化現(xiàn)象部分消失。接著再放電，使蓄電池反向通過較大電流，可以消除析氣現(xiàn)象產(chǎn)生的氣體，并進一步消除極化現(xiàn)象，使蓄電池接受電量的速度加快。將此階段再細(xì)分為三級，使充電電流接近蓄電池可接受充電電流，從而在快速充電的同時，不會對蓄電池造成損壞。

(3)恒壓補足充電階段。經(jīng)過前兩個階段以后，并不能保證蓄電池電量已充滿。此時，還應(yīng)進行恒壓補足充電。此階段充電電流逐漸減小，當(dāng)檢測到電流下降到某一閾值時，停止充電。此時也標(biāo)志著充電過程完全結(jié)束。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由功率變換電路和智能控制電路［3］組成。功率變換的作用是向蓄電池提供所需的電壓、電流;智能控制電路的作用是檢測蓄電池的電流、電壓、溫度等參數(shù)，通過數(shù)字PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，按照提出的充電控制策略，來實現(xiàn)蓄電池智能充電。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 功率變換電路

由于系統(tǒng)電路功率約在150 W，故采用成本較低的單端正激DC/DC變換電路，如圖3所示。首先將220 V，50 Hz工頻交流市電連接EMI濾波器，經(jīng)過整流濾波，接入DC/DC單端正激變換電路，再通過LC濾波后得到直流電源。調(diào)節(jié)單片機的PWM占空比，來控制N－MOS管Q3的導(dǎo)通關(guān)斷，進而得到所需的直流電壓和電流。同時利用兩個N－MOS管Q1和Q2的間歇導(dǎo)通和關(guān)斷來控制充電和放電脈沖的幅值和時間。Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時，實現(xiàn)正脈沖充電;Q2導(dǎo)通Q1關(guān)斷時，實現(xiàn)負(fù)脈沖放電。

2.3 智能控制電路及輔助電源

智能控制電路由STC12C5A60S2單片機、外圍電路及檢測回路組成智能控制電路。檢測電路將采集的當(dāng)前蓄電池電流、電壓及溫度送入單片機A/D口，并與系統(tǒng)的設(shè)定值進行比較，采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)PWM占空比，實現(xiàn)充電過程中的恒流、恒壓。并通過控制Q1，Q2兩個N－MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，來實現(xiàn)正負(fù)脈沖快速充電。液晶顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)及電壓、電流、溫度值。如果超過設(shè)定的閾值，報警電路［4］開始工作并停止充電，以實施保護。

圖3 功率變換電路

為防止高頻功率電路對數(shù)字控制電路的干擾，系統(tǒng)利用高速光耦將兩個電路隔離。因此，智能控制電路［5］必須單獨供電，輔助電源模塊如圖4所示。利用小功率交流變壓器將交流市電降壓到12 VAC，整流濾波后利用L7805實現(xiàn)+5 VDC穩(wěn)壓輸出。

圖4 輔助電源

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主要功能:通過對蓄電池電壓、電流的檢測使其進入相應(yīng)的充電階段，在相應(yīng)的階段內(nèi)，利用數(shù)字PI控制算法不斷調(diào)節(jié)單片機的PWM輸出占空比，以實現(xiàn)所要求的恒定電流或電壓值。同時檢測各階段蓄電池的溫度值，若超過45℃，則報警并停止充電，此時啟動散熱風(fēng)扇，給蓄電池降溫，直到溫度恢復(fù)到20℃以內(nèi)。具體控制流程，如圖5所示［5］。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用單片機數(shù)字PI控制技術(shù)與高效、低損耗的DC/DC變換電路相結(jié)合。由于單片機運算速度的限制，不可能實現(xiàn)精確的電壓和電流輸出，但對于蓄電池來說適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鞯募y波，反而有利于消除充電過程中的極化現(xiàn)象，更有利于充電的進行。與傳統(tǒng)恒壓恒流充電器充電相比，開發(fā)的智能充電器具有以下優(yōu)點:充電速度顯著提高，充電安全，電池升溫低，減少了對蓄電池容量和壽命的影響;同時利用價格低廉的單片機來代替昂貴的電源管理IC，實現(xiàn)電源智能化管理，使其具有很強的市場競爭力。

圖5 控制流程圖

文中完成對12 V/12 Ah蓄電池進行充電控制及其控制策略的開發(fā)、研究，該系統(tǒng)及其控制策略對電動車動力蓄電池充電系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用，具有實際借鑒意義。

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