電動汽車用電池智能化快速充電研究

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)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084)

電動汽車用電池的快速充電是電動汽車研究與開發(fā)過程中的重要課題。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)定的充電電流對電池進(jìn)行充電。這種方法不能根據(jù)電池充電過程中的具體情況對充電電流進(jìn)行調(diào)整,為了避免出現(xiàn)過充電,設(shè)定的充電電流通常偏小,因此充電時間仍然較長,而且由于不具備自適應(yīng)能力,充電過程中容易出現(xiàn)過充電現(xiàn)象,對蓄電池的壽命不利。為了在實(shí)現(xiàn)快速充電的同時又不影響電池壽命,關(guān)鍵是要使快速充電過程具有自適應(yīng)性,即根據(jù)電池的實(shí)際狀態(tài)自動調(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,對分段恒流充電方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究,以期實(shí)現(xiàn)動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,電池極板上單位時間內(nèi)恢復(fù)的活性物質(zhì)增多,充電時間就可縮短,但過大的充電電流會損害電池。電池可接受的充電電流是有限的,且會隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降[1]。在電池充電過程中,充電電流曲線在該指數(shù)函數(shù)曲線以上時會導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)(過充電),反之則不能有效縮短充電時間。理想化的電池快速充電過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控制,階段恒流充電終止判斷參數(shù)可選擇充電時間、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]。

充電時間參數(shù)控制方法簡單,但電池型號不同、充電起始狀態(tài)不同,所需的充電時間也不一樣,如果單以充電時間來控制階段恒流充電的結(jié)束,容易導(dǎo)致電池過充電或延長充電時間。溫度參數(shù)控制方法的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)電池溫度過高保護(hù),但是由于環(huán)境和傳感器響應(yīng)時間延遲的影響[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的,比如:不能識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程中出現(xiàn)的異常溫升等,從而導(dǎo)致電池充電時間延長或電池的損壞[8]。

為了保證在各種情況下均能檢測電池的實(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,本文綜合了充電時間、電池溫度和終止電壓3個參數(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)行一段時間的定壓充電,是為了確保電池能完全充足。3個控制參數(shù)的具體控制策略如下。

時間參數(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間,當(dāng)充電時間達(dá)到設(shè)定值時,通過定時器發(fā)出信號,結(jié)束該階段的恒流充電并自動將充電電流減小,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的電池溫度最高值,根據(jù)溫度傳感器檢測的電池溫度來控制充電裝置[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,采取控制溫升法,當(dāng)電池的溫升達(dá)到設(shè)定值時,溫控器使充電裝置停止充電,直到溫度下降至適當(dāng)值時,自動進(jìn)入下一階段恒流充電。

電壓參數(shù)控制:電池的絕對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,充電裝置便自動結(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),充電過程中根據(jù)實(shí)際情況對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],對各次試驗(yàn)的充電時間、充電效率和電池溫升等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,從中選定充電時間最短、電池溫升比較小的充電過程,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

通過對試驗(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程發(fā)現(xiàn),對于充足電所用時間而言,5段恒流充電的時間最短,而4段恒流充電的時間短于3段恒流充電的時間。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)定各恒流段充電時間t(n)的作用不大。用定時器控制各恒流段充電時間t(n)比較容易實(shí)現(xiàn),然而由于電池在恒流充電開始時的荷電狀態(tài)不同或因電池容量衰減導(dǎo)致充電可接受電流減小時,最佳的恒流充電時間也隨之改變。電池狀態(tài)的不確定使最佳充電時間很難確定。在試驗(yàn)中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象:某段恒流充電到了設(shè)定的充電時間,但充電電壓離終止電壓相差還很遠(yuǎn),這時,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,充電器會立即停止該段恒流充電,自動轉(zhuǎn)入下一階段。由此可見,在自動控制充電過程中,設(shè)定充電時間的作用不大。

(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,在開始充電時電池荷電狀態(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)電池開始充電時的荷電狀態(tài)和電池使用過程中充電可接受電流的變化,且控制也比較簡單。但是,當(dāng)電池的性能出現(xiàn)異常變化時,原來設(shè)定的終止電壓可能會過高或過低,導(dǎo)致電池過充電或過早降低充電電流而延長了整個充電時間。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的充電電壓上升速率也會有明顯的差別,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),充電過程中控制器以設(shè)定的頻度對充電電壓進(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間很短(設(shè)定一個最小充電時間),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,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,可對充電電池和充電環(huán)境溫度進(jìn)行檢測,對電池充電進(jìn)行計(jì)時,采樣充電過程中電池的電壓和電流,對分段恒流充電過程進(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)過程中,電池沒有出現(xiàn)溫度過高而停止充電的情況,充電時間縮短了,充電效率也提高了,并且整個充電過程均按設(shè)定的程序自動進(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

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,并輔以電池溫度過高則停止充電的保護(hù)控制,可實(shí)現(xiàn)動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間,提高充電效率,延長電池使用壽命。

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