電動(dòng)汽車用電池智能化快速充電研究

中心議題：

電池快速充電的分段恒流控制

快速充電方法的選擇

解決方案：

分段恒流充電控制方案

分段恒流充電智能化控制方案

摘要:基于電池快速充電基本原理,制定了電動(dòng)汽車用電池的分段恒流充電方案。根據(jù)對(duì)分段恒流充電試驗(yàn)結(jié)果的分析，對(duì)其控制策略進(jìn)行了調(diào)整：按容量梯度法確定分段恒流充電終止控制參數(shù)，適當(dāng)減小各段恒流值下降梯度，并將電池溫度設(shè)為充電安全保障控制參數(shù)。調(diào)整方案后的充電試驗(yàn)結(jié)果表明，這種分段恒流充電控制方法可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的智能化快速充電，有效縮短充電時(shí)間、提高充電效率。

電動(dòng)汽車用電池的快速充電是電動(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)蓄電池的壽命不利。為了在實(shí)現(xiàn)快速充電的同時(shí)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(dòng)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(duì)分段恒流充電方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)恢復(fù)的活性物質(zhì)增多，充電時(shí)間就可縮短,但過大的充電電流會(huì)損害電池。電池可接受的充電電流是有限的，且會(huì)隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降。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(shí)會(huì)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(shí)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。其關(guān)鍵是要確定適當(dāng)?shù)姆侄魏懔鞒潆娊K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(dòng)控制，階段恒流充電終止判斷參數(shù)可選擇充電時(shí)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。

充電時(shí)間參數(shù)控制方法簡單 ,但電池型號(hào)不同、 充電起始狀態(tài)不同 ,所需的充電時(shí)間也不一樣 ,如果單以充電時(shí)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(shí)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(shí)間延遲的影響,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(shí)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(shí)間延長或電池的損壞。

為了保證在各種情況下均能檢測(cè)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(shí)間、 電池溫度和終止電壓 3個(gè)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。

T —電池溫度 ; T0—停充溫度 ; I0—最小恒流充電電流 ;t ( n)—第 n 次恒流充電的設(shè)定充電時(shí)間 ; I ( n)—第n 次恒流充電的設(shè)定電流值 ;U ( n)—第 n 次恒流充電的設(shè)定終止電壓分段恒流充電結(jié)束后再進(jìn)行一段時(shí)間的定壓充電 ,是為了確保電池能完全充足 。3 個(gè)控制參數(shù)的具體控制策略如下 。

時(shí)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(shí)間 ,當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí) ,通過定時(shí)器發(fā)出信號(hào) ,結(jié)束該階段的恒流充電并自動(dòng)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(shí)的電池溫度最高值 ,根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的電池溫度來控制充電裝置。當(dāng)外界環(huán)境溫度較低 、設(shè)置的電池最高溫度較高時(shí) ,采取控制溫升法 ,當(dāng)電池的溫升達(dá)到設(shè)定值時(shí) ,溫控器使充電裝置停止充電 ,直到溫度下降至適當(dāng)值時(shí) ,自動(dòng)進(jìn)入下一階段恒流充電 。

電壓參數(shù)控制:電池的絕對(duì)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(shí) ,充電裝置便自動(dòng)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(duì) 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(duì)各次試驗(yàn)的充電時(shí)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(shí)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 。

通過對(duì)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(duì)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(duì)于充足電所用時(shí)間而言 ,5 段恒流充電的時(shí)間最短 ,而 4 段恒流充電的時(shí)間短于 3 段恒流充電的時(shí)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 。