一種高效自恢復(fù)電動汽車充電策略的實現(xiàn)

王義軍，候超

（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

一種高效自恢復(fù)電動汽車充電策略的實現(xiàn)

王義軍，候超

（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

電動汽車充電方法直接影響動力電池的壽命，采用了一種高效、自恢復(fù)正負(fù)脈沖式充放電策略，設(shè)計了脈沖式充電站主電路及控制電路，針對鉛酸蓄電池在PSCAD環(huán)境搭建了仿真電路，驗證了該充電策略的有效性，對于其他種類的蓄電池也有借鑒意義。

蓄電池；充電策略；電動汽車；PSCAD

動力電池是電動汽車的主要能量來源，動力電池的性能好壞將直接影響電動汽車的性能，而蓄電池的壽命和充放電方法有著很密切的關(guān)系。在鉛酸蓄電池充電的過程中，電荷堆積在電池電極上產(chǎn)生反向電壓，具體表現(xiàn)為電池內(nèi)阻增加；同時，隨著電池的使用，電池內(nèi)部電極上附著的硫化物也會增多，造成電池內(nèi)阻增大。這兩種因素影響其充電速度與質(zhì)量。消除其最有效方法是采用負(fù)脈沖充電方法，在電池兩端瞬間放電來去除電極上堆積的電荷，并改變蓄電池固有的指數(shù)曲線形式的充電特性，從而提高電動汽車的使用效率及續(xù)航能力。

1 高效自恢復(fù)式充電策略

現(xiàn)階段常規(guī)的充電方法有恒流充電、恒壓充電及兩者相結(jié)合的方式。蓄電池在充電過程中，當(dāng)充電電流接近固有的微量析氣充電曲線時，適時地對電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電，能夠消除正極板上的氣體，并使氧氣在其負(fù)極板上被吸收，可以提高蓄電池充電的接受能力。也就是說在其充電過程中加入了負(fù)脈沖，從而提高充電速度并縮短充電時間，此過程還可以降低電池內(nèi)部溫度、壓力和阻抗，減少能量損耗，使電能更有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能且儲存起來。由此，在恒流恒壓充電過程中采用此高效自恢復(fù)式充電策略能夠提高蓄電池的充電效率及其充電接受能力[1]。

2 最大充電電流的確定

在蓄電池充電過程中，并非任何情況下任意大小的充電電流都會接受。研究表明，若在充電過程中保持等量、微量的氣體析出及穩(wěn)定的溫升，則充電曲線會是一條指數(shù)曲線。即：

根據(jù)式(1)，蓄電池最大的充電電流曲線是一條自然接受曲線，若充電電流位于曲線右側(cè)，也就是當(dāng)充電電流大于可接受電流時，會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生電解水；若充電電流位于曲線左側(cè)，此時的充電電流則為充電可接受電流[2]。

3 充電站主電路設(shè)計

充電機的功能模塊包含輸入整流電路及功率變換電路。充電站主電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 一般的充電站主電路結(jié)構(gòu)圖

該充電機采用了全控電力電子元器件為控制核心，如圖2所示，控制電路采用了達(dá)到功率因數(shù)正弦波電流雙閉環(huán)的控制，電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流來進(jìn)行電流控制，電壓外環(huán)的作用則是控制三相電壓型PWM整流器直流側(cè)的電壓。

圖2 控制電路模型

該電路可以實現(xiàn)正負(fù)脈沖間歇式的充放電，也可以實現(xiàn)其恒流充放電。當(dāng)用脈沖充放電時，脈沖幅值、時間及間歇時間均可設(shè)定。脈沖充電時，正脈沖產(chǎn)生的電池極化則由放電負(fù)脈沖及時消除，可減小電池極化的電阻，來提高蓄電池充放電的效率。

脈沖充電機的主電路如圖3、圖4所示,三相AC 380 V電源通過相控的整流橋整流及LC濾波后得到了直流電源。蓄電池充電時，會控制兩個IGBT模塊T7、T8的間歇導(dǎo)通與關(guān)斷來控制充電及放電脈沖的幅值、時間。T7導(dǎo)通、T8關(guān)斷時，會實現(xiàn)正脈沖恒流充電。T7關(guān)斷、T8導(dǎo)通時，會實現(xiàn)負(fù)脈沖恒流放電。

圖3 三相整流電路

圖4 逆變及功率變換電路

仿真波形如圖5～圖7所示。

圖5 整流前三相電源波形

圖6 逆變器相電壓相電流波形

圖7 逆變器輸出電流波形

由圖7可以看出，充電機輸出電流為300 A左右，符合其對蓄電池進(jìn)行快速充電的要求。

另外，在對蓄電池進(jìn)行充電的實驗時設(shè)置了如圖8所示的主程序流程圖，其他部分為通用程序，不再給出。主程序用來完成對蓄電池充電電壓、充電電流及脈沖的大小比較[3]。

圖8 主程序流程圖

4 充電參數(shù)選擇

通過對一組蓄電池(12 V 60 Ah 5只電池)分別采用分階段恒流恒壓充電及分階段恒流脈沖充電方法來進(jìn)行對比實驗，并驗證充電效率，實驗數(shù)據(jù)見表1、表2。采用分階段恒流脈沖充電時，每個階段的充電過程按“正脈沖充電—停止充電—負(fù)脈沖放電—停止放電—正脈沖充電”的循環(huán)過程進(jìn)行。隨著充電的進(jìn)行，充電電流會逐階段減小。

（1）分階段恒流恒壓充電

目前市面上大多數(shù)充電設(shè)備均采用此種充電方法。根據(jù)蓄電池的充電需求，充電初期采用0.5fffd53(30 A)充電電流進(jìn)行恒流充電。當(dāng)充電電壓達(dá)到14.6 V后，采用恒壓充電，直到充滿[4]。

表1 未使用脈沖時的充電數(shù)據(jù)

表2 使用脈沖后的充電數(shù)據(jù)

（2）分階段恒流脈沖充電

5 總結(jié)

（1）采用傳統(tǒng)的直流充電方式對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，其充電效率較低，通過對傳統(tǒng)直流充電及脈沖充電的效率測定和比較，采用脈沖充電能有效地提高電池充電效率，從而縮短充電時間，并減少其析氣反應(yīng)。

（2）脈沖充電過程中的脈沖電流大小和充放電時間比是影響充電效率的兩大因素，采用合適的脈沖電流及占空比是提高其充電效率的有效方法。

由此可知，這種高效、自恢復(fù)式的充電策略對縮短充電時間確實有效，而且對其他種類的蓄電池同樣具有借鑒意義。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]鄭鐵軍，劉建政.大功率PWM整流器的設(shè)計[J].電測與儀表，2011(2)：2-3.

[3]羅書克，張元敏.正脈沖式電動汽車快速充電站的研究[J].電源技術(shù)，2011(3)：1-3.

[4]余風(fēng)，張志華.鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)研究[J].船電技術(shù)，2010 (6)：2-3.

Realization of a kind of high efficientself-recovery electric vehicle charging strategy

WANG Yi-jun,HOU Chao

The charging method of electric vehicle can directly influence the life of power battery,so a kind of high efficientself-recovery positive and negative pulse type charge and discharge strategy was adopted.Themain circuit and control circuitof the pulse type charge station were designed,and for the lead-acid battery，the simulation circuit was built in PSCAD environment.The effectiveness of the charge strategy was verified,and the strategy could also be used for other kinds ofbatteries.

battery;charge strategy;electric vehicle;PSCAD

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0881-02

2013-11-18

王義軍(1969—)，男，吉林省人，碩士，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)及自動化。