正負(fù)脈沖式電動汽車快速充電站的研究

羅書克 張?jiān)?/p>

(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

正負(fù)脈沖式電動汽車快速充電站的研究

羅書克 張?jiān)?/p>

(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動汽車逐漸進(jìn)入家庭，做為智能電網(wǎng)一部分的電動汽車快速充電站的研究倍受青睞。在原來研究電力電池的基礎(chǔ)上，依據(jù)馬斯三定律提出了正負(fù)脈沖式快速充電技術(shù)。給出了快速充電站的主電路和控制方法。電路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作可靠等特點(diǎn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在加快充電速度節(jié)省充電時間及提高充入容量方面有明顯的改善。

電動汽車 正負(fù)脈沖 蓄電池 快速 充電站

0 引言

目前，鉛酸蓄電池仍然為電動汽車用蓄電池首選之一［1］，主要原因得益于鉛酸蓄電池的以下特點(diǎn):技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無記憶效應(yīng)［2］。電動汽車用蓄電池由于其工作環(huán)境的特殊性決定其自身的特性不同于一般蓄電池的特性，由于電動汽車經(jīng)常處于起動、加速、爬坡、下坡、減速等工作狀態(tài)，使得蓄電池頻繁處于瞬間大電流放電狀態(tài)，有時處于反向充電狀態(tài)，長時間工作在中等電流放電狀態(tài)，而中等電流放電狀態(tài)的全過程也不為恒電流過程［3］。其特殊的放電過程要求電動汽車充電站的充電過程和充電狀態(tài)不同于常規(guī)電池的充電狀況，它應(yīng)具有充電速度快、充入容量高以及對蓄電池使用壽命影響小、甚至可以對電池進(jìn)行維護(hù)等特點(diǎn)。

在蓄電池充電過程中，電荷堆積于電池電極上而產(chǎn)生反向電壓，實(shí)際上表現(xiàn)為電池內(nèi)阻的增加;同時，隨著電池的使用，電池內(nèi)部電極上附著的硫化物會逐漸增多，造成電池內(nèi)阻逐漸增大。這兩種因素影響了充電速度與質(zhì)量。消除它們的有效方法是采用負(fù)脈沖方法，在電池兩端瞬間放電去除電極上堆積的電荷，從而改變蓄電池固有的指數(shù)曲線形式的充電接受特性，提高電池的受電能力［4，5］。

1 正負(fù)脈沖充電理論

鉛酸蓄電池的充放電電流一般是由其本身的容量決定的，在室溫情況下其充放電額定電流為額定容量的0.1倍。隨著環(huán)境溫度的變化以及電池自身的差異，充放電電流會有不同的變化，但都滿足1972年美國科學(xué)家馬斯提出的馬斯三定律［6］。即

(1)對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比a與電池放出的容量的平方根成反比，即

式中:K1為放電電流常數(shù)，視放電電流的大小而定;C為蓄電池放出的容量。

由于蓄電池的初始接受電流I0=aC，所以

(2)對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數(shù)成正比，即

式中:K2為放電量常數(shù)，視放電量的多少而定;k為計(jì)算常數(shù)。

(3)蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It(接受能力)是各個放電率下的允許充電電流的總和，即

式中:I1、I2、I3、I4…為各個放電率下的允許充電電流。

綜合上述三定律，可以推出，蓄電池的總電流接受比可表示為

式中:Ct=C1+C2+C3+C4+…為各次放電量的總和，即蓄電池放出的全部電量。

綜上可知，蓄電池在充電過程中，當(dāng)充電電流接近其固有的微量析氣充電曲線時，適時地電池進(jìn)行反向大電流瞬間脈沖放電(如圖1所示)，能夠去除正極板上的氣體，并使氧氣在負(fù)極板上被吸收，可以提高蓄電池的充電接受能力。也就是說在充電過程中加入負(fù)脈沖，可以使蓄電池的可接受電流曲線不斷右移，同時其陡度不斷增大，即α值增大，從而大大提高充電速度，縮短充電時間，這個過程還可以降低電池內(nèi)部溫度、壓力、阻抗，減少能量損耗，使電能更有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存起來，提高了充電效率和蓄電池的充電接受能力。

圖1 正負(fù)脈沖式充電曲線

2 最大充電電流的確定

在蓄電池充電過程中，并不是任何情況下任意大小充電電流都能接受。研究表明，如果在充電過程中保持等量、微量的氣體析出和穩(wěn)定的溫升，則充電曲線是一條指數(shù)曲線。即:

式中:I0為最大初始電流;a為充電接受率;C為蓄電池額定容量。

根據(jù)上式，蓄電池最大充電電流曲線如圖2所示，這是一條自然接受曲線，如果充電電流位于曲線的右側(cè)，也就是充電電流大于可接受電流，則會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生電解水;如果充電電流位于曲線的左側(cè)，此時的充電電流均為充電可接受電流。

圖2 蓄電池充電接受曲線

3 充電站主電路設(shè)計(jì)

充電站主電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 主電路結(jié)構(gòu)框圖

主電路主要包括整流濾波電路、DC/AC變換電路、高頻變壓器、整流電路和負(fù)脈沖及放電電路。

3.1 整流濾波電路

圖4中采用了全橋整流電路，電阻及并聯(lián)的開關(guān)起軟啟動作用，當(dāng)剛上電時，開端斷開，電流通過電阻向電容充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到一定值時，開關(guān)閉合，把電阻旁路掉，從而可降低工作過程中能量的損耗。

3.2 電能變換電路

該部分包括DC/AC變換電路、高頻變壓器及整流電路。其電路圖如圖5所示。

圖4 整流濾波電路

圖5 電能變換電路

圖5中Vi為整流電路的輸出電壓，S1－S4位MOSFET電路，并聯(lián)的二極管為MOSFET內(nèi)部寄生二極管，C1～C4為MOSFET的輸出結(jié)電容。為了降低功率元件的開關(guān)損耗，采用了移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路［7］。Lr為諧振電感。變壓器輸出采用全橋整流，經(jīng)LC濾波輸出直流電壓VO，RL為輸出負(fù)載。

3.3 負(fù)脈沖及放電電路

充電過程中，為了消除大電流快速充電在電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，充電過程中需要在每個周期中加入負(fù)脈沖，同時該電路還可以完成蓄電池核對容量性放電、蓄電池活化等功能。圖6中T采用了MOSFET。

圖6 負(fù)脈沖產(chǎn)生電路

4 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路包括充電觸發(fā)脈沖和負(fù)脈沖觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路，采樣和AD轉(zhuǎn)換電路［8，9］。

4.1 正負(fù)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生及AD轉(zhuǎn)換電路

正負(fù)脈沖觸發(fā)產(chǎn)生電路分別采用IXDP610和TLP520。

圖7 脈沖產(chǎn)生及轉(zhuǎn)換電路

4.2 采樣電路

采樣電路一共三路，分別為電壓電流和電池內(nèi)部氣體析氣量等采樣電路。

圖8 采樣電路

5 主程序設(shè)計(jì)

軟件主要包括了主程序、定時中斷程序、串口通訊程序、顯示程序和輸入程序等部分。這里僅給出主程序流程圖，其它部分程序?yàn)橥ㄓ贸绦?，不再給出。

主程序主要完成充電站充電電壓和充電電流以及負(fù)脈沖的大小。其流程圖如圖9所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用一組電動汽車常用動力型鉛酸蓄電池(12V 100Ah 10只電池)進(jìn)行充放電，其結(jié)果如表1所示。

圖9 主程序流程圖

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對于同一組電池，當(dāng)采用正負(fù)脈沖快速充電站時，其充電時間大大縮短，同時其充入有效容量也又明顯提高。

［1］陳清泉.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2004:7－9.

［2］朱松然.鉛蓄電池技術(shù)［M］.第2版，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:43－55.

［3］包有富，尹鴿平，童一波，等.深循環(huán)用鉛酸蓄電池充電模式的探索［J］.電池，2002(1):30 －31.

［4］馮仁斌，魏曉斌，胡恒生，等.鉛酸蓄電池的快速充電［J］.電源技術(shù)，2003 ，27(1):72 －74.

［5］吳壽松.談鉛酸蓄電池的充電接受率［J］.電池，2005，35(5):388－389.

［6］萍等.基于馬斯理論的蓄電池充電電流衰減指數(shù)研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，35(10):26－30.

［7］楊 旭.移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路在通信開關(guān)中的應(yīng)用［C］.電源技術(shù)會議論文集.1997:193 －198.

［8］ ee Fred C.High-frequency Quasi-resonant Converter Technologies［A］.IEEE，Proceedings(ISSN 0018 －9219)［C］.1998.76:377 －390.

［9］ Chih-Chiang Hua and Meng-Yu Lin.A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles.ISIE＇2000，Cholula，Puebla，Mexico:135－140.

Study of Fast Charging Station for Electric Cars Based on Positive and Negative Pulse

Luo Shuke Zhang Yuanmin

(Collegeofelectrical＆informationengineering，XuchangUniversity，XuchangHenan461000，China)

With development of low-carbon economy，electric vehicles gradually into the home，fast charging stations for electric cars acclaimed as part of smart grid.Based on study of the battery power，according to Maas Lawsmade fast charging technology of positive and negative pulse.Themain circuit and controlmethod Fast of charging stations are given.The circuit has a simple structure，low cost，reliable.Themethod is verified by experiment to speed up the charge rate，save charging time and increase the filling capacity have significantly improved.

Electric Cars Positive and Negative pulse Battery Fast Charging Station

TM921.1

A

1000－3886(2011)04－0072－03

2010－12－31

羅書克(1976－)，男，碩士，講師;研究方向:主要從事控制理論與控制工程和電氣傳動及自動化方向的研究。