電動(dòng)汽車充電機(jī)充電策略設(shè)計(jì)

何盼盼，曹以龍

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

隨著我國(guó)能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)家越來(lái)越重視電動(dòng)汽車的研究，[1]適用于電動(dòng)汽車的蓄電池種類也越來(lái)越廣泛，目前迫切希望研究出可針對(duì)多種蓄電池充電的通用高效型電動(dòng)汽車充電機(jī).在已有的充電方式中，恒流充電適用性強(qiáng)，但其前期電流小，充電時(shí)間長(zhǎng)且能耗高;恒壓充電最接近于充電電流曲線，但其前期電流較大，對(duì)電池?fù)p壞嚴(yán)重;間歇脈沖式充電析氣小不發(fā)熱，大大縮短了充電時(shí)間，但控制方法比較復(fù)雜.結(jié)合各種充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款通用型電動(dòng)汽車用智能充電機(jī)，對(duì)于任意類型和任意狀態(tài)的電動(dòng)汽車用蓄電池，充電機(jī)可以檢測(cè)其所處的狀態(tài)，結(jié)合電池狀態(tài)選擇合適的充電方式，控制輸出電流，有效地減少氣體的析出，提高充電效率，減少充電時(shí)間，避免蓄電池由于充電電流過(guò)大而損壞.

1 充電機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì)

充電站主電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，首先從電網(wǎng)上獲取三相交流電，經(jīng)過(guò)三相電壓型PWM整流器整流以后變成直流，再將直流通過(guò)DC/DC變換轉(zhuǎn)化為蓄電池充電所需要的電壓值，從而對(duì)蓄電池進(jìn)行充電.

圖1 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì)示意

1.2 充電方式

本文根據(jù)馬斯提出的蓄電池最佳充電曲線，結(jié)合各種充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的充電方式.在蓄電池充電初期電壓較低，可接受的充電電流較大，選擇電流較大的恒流(一般為1 C，這里C是指電池容量，例如12 Ah容量的電池用12 A放電則放電率就是1 C)充電保證在較短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的電量.當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值以后改為帶放電的脈沖充電(充電電流一般為1～3 C，放電電流一般為2～5 C)，當(dāng)電池電量接近充滿時(shí)，改為低恒壓充電，以彌補(bǔ)由于蓄電池自放電而減少的電量.結(jié)合采用恒流、脈沖、低恒壓3種方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，可有效減少充電時(shí)間，提高充電效率.充電曲線圖如圖2所示.

圖2 蓄電池充電電流曲線

1.3 蓄電池剩余電量檢測(cè)方法

目前已有的剩余電量(SOC)檢測(cè)方法中放電實(shí)驗(yàn)法只適用于電池檢修;開(kāi)路電壓法需要較長(zhǎng)的靜置時(shí)間;內(nèi)阻法精度很難提高;安時(shí)法存在累積誤差;卡爾曼濾波對(duì)噪聲有很好的抑制作用.因此本文采用安時(shí)法[2]和卡爾曼濾波法[3]結(jié)合估算蓄電池SOC可以減少誤差，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)估算.安時(shí)法是最常用的SOC估算方法，已知充電初始電池剩余電量為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)的剩余電量為:

式中:C n——電池額定容量;

i(t)——電池瞬時(shí)電流;

η——庫(kù)倫效率系數(shù).

卡爾曼濾波算法結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示.

圖3 卡爾曼算法結(jié)構(gòu)

SOC為系統(tǒng)狀態(tài)的分量.對(duì)式(1)進(jìn)行零階保持采樣離散化后得到系統(tǒng)狀態(tài)方程:

式(2)中z k為k時(shí)刻電池的SOC，結(jié)合電池的模型預(yù)測(cè)估計(jì)蓄電池電壓如下:

式中:yk——電池負(fù)載電壓;

ik——電池負(fù)載電流;

R——電池內(nèi)阻;

k0，k1，k2，k3，k4——電池模型的模型系數(shù).

結(jié)合式(2)和式(3)用卡爾曼濾波法可直接遞推估算出蓄電池SOC.

1.4 停充控制方法

在蓄電池快速充電過(guò)程中，當(dāng)電池充滿電后，如果仍然繼續(xù)充電，電池的溫度將迅速上升，同時(shí)端電壓會(huì)有所下降，因此為了保證電池既能充足電又不過(guò)充電，本文采用溫度控制和電壓負(fù)增量控制相結(jié)合的綜合控制方法控制蓄電池停充，可簡(jiǎn)單表述如下:

式中:T——電池溫度;

Tmax——電池充滿電量時(shí)電池的最大溫度;

Δu/Δt——電壓增量.

2 電池模型

電池模型主要分為內(nèi)阻模型、阻容模型、動(dòng)態(tài)模型等.本文中選取的蓄電池剩余電量檢測(cè)中的安時(shí)法存在電流積分會(huì)產(chǎn)生累積誤差，為了盡量減少誤差，采用不帶有電流積分、同時(shí)動(dòng)靜態(tài)特性較好的Thevenin電池模型.

其原理如圖4所示.

圖4 Thevenin電池模型原理示意

其中R0為歐姆電阻，R1為電池極化電阻，C1為電池極化電容，USOC(t)為電池開(kāi)路電壓，U0(t)為蓄電池端電壓，Uc(t)為極化電阻兩端電壓.

其數(shù)學(xué)關(guān)系模型如下:

由式(6)整理得:

則可知:

3 充電機(jī)主電路

作為一款通用性的電動(dòng)汽車充電機(jī)，充電主回路主要由三相交流電源、三相電壓整流器、DC-DC變化器和蓄電池組4部分構(gòu)成.由電壓電流采樣電路采集蓄電池端電壓、充電電壓以及充電電流模擬信號(hào)，處理后傳送至CPU(系統(tǒng)CPU采用DSP器件TMS320F2812).由系統(tǒng)CPU估算蓄電池剩余電量，設(shè)定相應(yīng) PWM參數(shù)，改變占空比從而改變IGBT的導(dǎo)通以及關(guān)斷時(shí)間，調(diào)整充電模式.[4]

這里使用軟啟動(dòng)技術(shù)使充電電壓平滑變化，避免由于充電方式的轉(zhuǎn)變對(duì)蓄電池造成損壞.充電機(jī)主電路如圖5所示.

圖5 充電機(jī)主電路示意

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如上文所述，系統(tǒng)的充電控制由TMS320F2 812芯片實(shí)現(xiàn)，對(duì)充電電壓、充電電流、蓄電池的端電壓和溫度等進(jìn)行采樣分析和處理，通過(guò)處理過(guò)的電流電壓溫度等信號(hào)，判斷應(yīng)用何種充電方式，實(shí)時(shí)調(diào)整電路開(kāi)關(guān)IGBT的占空比，控制充電電流大小與時(shí)間.[5]控制流程如圖6所示.

圖6 動(dòng)力電池充電軟件流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述通用型電動(dòng)汽車充電機(jī)結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink中對(duì)其進(jìn)行仿真，設(shè)定電池額定電壓為12 V，電池額定容量為27 Ah，初始剩余電量為零，開(kāi)始時(shí)使用27 A恒流對(duì)其充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值13.4 V(這里電壓設(shè)定值為經(jīng)驗(yàn)值)，轉(zhuǎn)化為正脈沖為54 A的脈沖充電.充電蓄電池剩余電量隨時(shí)間變化以及電池電壓隨時(shí)間變化曲線如圖7所示.

圖7 蓄電池剩余電量、電壓隨時(shí)間變化曲線

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了蓄電池快速充電的總體方案.用Matlab軟件搭建了蓄電池快速充電模型，仿真結(jié)果表明，選用恒流充電與脈沖充電以及低恒壓充電相結(jié)合的方法可有效節(jié)省蓄電池的充電時(shí)間.

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