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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)，而且由于不具備自適應(yīng)能力，充電過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(lái)控制階段恒流充電的結(jié)束 ,容易導(dǎo)致電池過(guò)充電或延長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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 。