蓄電池大電流安全快速充電方法

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題。為了保護環(huán)境、節(jié)約能源，世界各國都在積極研發(fā)清潔的電動新能源汽車。我國是世界第二大CO2排放國，而汽車尾氣排放占CO2排放總量的15.9%，可見中國面臨更大的碳減排壓力。推動新能源汽車發(fā)展是我國的必然選擇。長期以來由于技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的充電技術(shù)具有充電時間長、效率低、安全性差等諸多缺點，成為制約電動汽車推廣的一個瓶頸。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，實現(xiàn)快速、高效、微損地對蓄電池充電，是實現(xiàn)電動汽車快速發(fā)展亟待解決的問題[1]。電動汽車動力源是由多節(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體差異。如果不在充電過程中采取均衡措施，會導(dǎo)致部分電池過充或欠充，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

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

1996年，奴爾對霍克公司的G12V190W15SP型閥控鉛酸蓄電池進行的快速充電實驗結(jié)果表明，蓄電池在采用大電流充電時，縮短了充電時間，庫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)進行的連續(xù)快速充電實驗證明了快速充電能實現(xiàn)延長行駛里程的作用，并且不會對電池造成損害。加拿大Cominco公司對瑞典Optima公司的卷繞式閥控鉛酸蓄電池進行的快速充電和常規(guī)充電對循環(huán)壽命影響的對比實驗，也充分證明了快速充電可以延長蓄電池的循環(huán)壽命。最近在江西宜春也進行有示范實驗，表明快速充電對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，充電時間半小時左右，充入容量50%左右；快充是指充電電流可達5C～12C，充電時間為幾分鐘，相應(yīng)充入容量為30%～50%。本文則主要是針對在電動汽車行駛過程中的快充充電方式進行研究。目前常見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，用充電時間或充電電壓控制終點。這種快速充電方法控制技術(shù)簡單；但是充電時間較長，充入容量較少，效率低，后期充電電流過大，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間盡可能地逼近可接受的充電電流，可使時間盡可能地縮短。但是，各階段結(jié)束標準較難確定。

恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進行充電。恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡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，電池電動勢較小而充電電流過大，使電池溫度上升過快，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，可采用脈沖電流對電池充電。脈沖充電方式有正脈沖充電和正負脈沖充電兩種方式[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間長；另外諧波成分大，對電網(wǎng)和環(huán)境造成不利影響；控制起來也非常復(fù)雜。

1.3 均衡控制分析

由于電動汽車電池組中各單體電池存在著參數(shù)的差異，在對電池組充電時，以容量大的電池充滿為依據(jù)，會導(dǎo)致容量小的電池過充電，對電池造成損害；反之，以容量小的電池充滿為依據(jù)，則會導(dǎo)致容量大的電池欠充電，縮短續(xù)行里程[5]。電動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，造成整個電池組性能明顯惡化，這就需要在充電過程中進行均衡控制，使各單體電池達到均衡狀態(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行放電來實現(xiàn)均衡。常使用的方法是每一個電池并聯(lián)一個分流電阻，利用分流開關(guān)控制。在充電過程中，當(dāng)某個電池電壓偏高時，其分流開關(guān)閉合，電池進行分流。這種方法結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，但分流電阻始終在損耗能量，并且對于電動汽車蓄電池其充電電流比較大，能量損耗就越發(fā)嚴重，能產(chǎn)生較多熱量。在能源問題日益嚴峻的今天，這種方法的劣勢就更加明顯。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。拓撲結(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來看Cuk結(jié)構(gòu)無需附加濾波器，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

根據(jù)上述對常見快速充電方法的討論可見，各種充電方式都有其優(yōu)缺點。為了提高蓄電池的充電速度，必須增大充電電流。然而，出氣率對于蓄電池安全、性能起著決定性的作用。20世紀60年代中期，美國科學(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為充電時間[8]。電池可接受充電電流特性曲線是隨時間按指數(shù)規(guī)率下降。實際充電電流大小如果超過這一條可接受特性曲線，會導(dǎo)致電解液反應(yīng)，大量析氣、增大壓力和溫升，甚至?xí)鸨ǖ葒乐睾蠊欢∮谶@一接受特性曲線，則會延長充電時間，達不到快速充電的目的。所以，本文就采用分段恒流的方法對蓄電池進行充電。

采用分段恒流充電方法需要解決的一個重要問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，如果選用時間作為判斷參數(shù)容易造成電池過充或欠充。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，在充電過程中如果電池溫度過高，就會導(dǎo)致電池損害、爆炸等后果，所以在充電過程控制中添加當(dāng)溫度超過閾值的過溫報警和強制停充一段時間。

另外對于長期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池進行充電時，一開始就采用大電流充電，會影響電池的壽命[9]。為了解決這問題，要先對蓄電池實行穩(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再進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

根據(jù)上述對均衡控制的分析，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l(fā)送PWM信號給S1，S2保持斷開。假設(shè)S1導(dǎo)通時間為Ton，斷開時間為Toff。

(1)在Ton期間，S1導(dǎo)通，B1轉(zhuǎn)移能量到L1，電容C1放電儲存能量到L2中同時給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，此時B1和L1釋能給C1，同時L2釋能給B2。

由此可知，S1無論在Ton還是Toff，B1都在向B2轉(zhuǎn)移能量，體現(xiàn)了Cuk拓撲的高效率，電容C1是能量轉(zhuǎn)移的載體，在整個周期T中輸入輸出都是持續(xù)電流。反之，若MCU檢測到VB2＞VB1，則向S2發(fā)送PWM信號，S1保持關(guān)斷，B2向B1轉(zhuǎn)移能量[3]。

電動汽車蓄電池組是由很多單體電池組成的，為了達到充電均衡的目的，理論上需要在每兩個電池組之間都安裝均衡裝置，但這樣就會出現(xiàn)安裝成本提高，充電裝置體積大，使用不方便，充電效率低，維護麻煩，充電時間長等問題。所以，在本文的均衡控制中，首先將若干個電池單體構(gòu)成小電池組，然后將均衡裝置用于各個小電池組之間。這樣處理，盡管均衡效果比在任意每兩個電池單體間都安裝均衡裝置差點，但是在充電效率，充電時間，安裝使用等方面具有很大的優(yōu)勢。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證本文所設(shè)計的快速充電方法在實際應(yīng)用中的可行性，本文對多塊12V、17 Ah的HR型鉛酸蓄電池利用本文所述方法進行充電實驗。充電實驗結(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驗結(jié)果

表2 利用本文所述充電方法充電實驗結(jié)果

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

從表2中不同初始充電電流下的充電情況可見，隨著初始充電電流的增大，充相同電池容量所花費的時間越來越短，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，由于過溫報警裝置，電池溫升也處在安全范圍之內(nèi)。充電過程的能量利用率也會隨著初始充電電流的增大而提高。不過明顯可見，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，均衡裝置可使帶有差異的電池單體在充電過程中趨于平衡，然而沒有均衡裝置則會隨著充電進行，電池單體之間的差異則會加劇。這也證明了均衡裝置對于電池組充電的必要性以及本文所設(shè)計均衡方法的有效性。

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)

首先對當(dāng)前電動汽車充電現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)充電方式和均衡控制方式進行比較和分析，綜合考慮其優(yōu)缺點，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，還增加了高溫報警裝置。最后，設(shè)計合理的比較實驗，從而驗證了本文所設(shè)計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。另外，均衡控制保證了在充電結(jié)束時各電池能達到均衡狀態(tài)。增加的高溫報警裝置也能時刻監(jiān)控充電過程，保證充電過程的安全。綜上所述，本文所設(shè)計的充電方法具有很強的科研與實用價值。

[1]李匡成，范艷成.鉛酸蓄電池快速充電模糊控制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，14：202-204.

[2]郭自強.關(guān)于快速充電——快速充電的好處[J].電動自行車研究與開發(fā)，2010，7：19-22.

[3]李國曉.電動汽車電池組快速充電研究[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2011，25：62-66.

[4]ZHANG C N，WU B F，SUN FC．Pulse quick charger of electric vehicle[J]．Journal of Beijing Institute of Technology，2002，11(3)：240-245．

[5]鐘勝藍，張榆平.大容量鋰電池組的高效均衡電路設(shè)計[J].測試測量技術(shù)，2010(10)：11-12.

[6]BHATTM，HURLEYWG，WOLFLEWH．A new approaeh to interm ittent charging of valve-regulated lead-acid batteries in standby applications[J]．IEEE Transaetionson Industrial Electronics，2005，52(5)：1337-1342．

[7]趙?。谥悄芸刂萍夹g(shù)的鉛酸蓄電池充電設(shè)備的研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，2008．

[8]TOMOHIKO I．Charging operation with high energy efficiency for electric vehicle valve regulated lead acidbattery system[J]．J Power Sources，2000，91(1)：130-136．

[9]張辛，楊偉民，李綱園．智能化電池充電裝置的研究[J]．上海理工大學(xué)學(xué)報，2004，26(4)：381-384．