關(guān)于快速充電技術(shù)的探討

　　隨著各種蓄電池的廣泛使用，快速充電技術(shù)已經(jīng)引起人們的廣泛重視。傳統(tǒng)的充電方法充電時(shí)間過長(zhǎng)，且由于充電過程過于簡(jiǎn)單而會(huì)使蓄電池壽命縮短，因此已經(jīng)面臨淘汰。相應(yīng)的，一些新的快速充電方法開始涌現(xiàn)，并已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。同時(shí)，充電電源的發(fā)展也非常迅速，在大功率充電領(lǐng)域，開關(guān)電源發(fā)展迅速，已經(jīng)開始逐步替代傳統(tǒng)的相控電源。本文中從快速充電原理、充電方法、充電電源以及充電控制的實(shí)現(xiàn)等角度，對(duì)快速充電技術(shù)進(jìn)行了探討。

　　1 快速充電原理

　　蓄電池的種類很多，目前應(yīng)用最廣的主要是密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池。這2種蓄電池的充放電原理都是一樣的，即都是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生正負(fù)離子形成電流。

　　電池在充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生氧氣，在密封式蓄電池中，這些正極產(chǎn)生的氧氣可以通過隔膜和氣室被負(fù)極吸收，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)循環(huán)的反應(yīng)形式。就密封式電池而言，它的內(nèi)壓有限，因此負(fù)極的吸收速度也是有限的。如果充電電壓過高，正極產(chǎn)生氧氣的速度過快，負(fù)極的吸收速度跟不上氧氣的產(chǎn)生速度，長(zhǎng)時(shí)間之后必然造成電池失水，從而誘發(fā)電池的微短路硫酸化等失效現(xiàn)象，損害電池的質(zhì)量，縮短其使用壽命。同時(shí)高速率充電時(shí)電池的極化會(huì)造成電池內(nèi)部壓力上升，電池溫度上升，電池內(nèi)阻升高，這不僅會(huì)縮短電池壽命，而且有可能對(duì)電池造成永久性傷害。蓄電池的這一化學(xué)反應(yīng)原理是研究制定快速充電方法的根本。一方面，快速充電要盡量加快電池的化學(xué)反應(yīng)，使充電速度得到最大的提高;另一方面，又要保證負(fù)極的吸收能力，使其能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能消除電池的極化現(xiàn)象。

　　提高蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度有2種方式，一是改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu)以降低其內(nèi)阻和提高反應(yīng)離子的擴(kuò)散速度，二是改進(jìn)蓄電池的充電方法。本文中對(duì)充電方法作了重點(diǎn)論述。

　　2 充電方法

　　不同種類的蓄電池，具有不同的充放電曲線，其相應(yīng)的充電方法也有很大的不同。在研究具體的充電方法時(shí)，要考慮到這一點(diǎn)以選擇合適的方法。 以鉛酸蓄電池為例，傳統(tǒng)的充電方法（恒流充電或恒壓充電）由于本身的弊端，已基本被淘汰?，F(xiàn)行的充電方法大都是使其充電曲線盡可能地模擬蓄電池的最佳充電曲線。 60年代中期，美國(guó)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(shí)刻蓄電池能接受的充電電流為 I=I0expAt 式中：I0為初始充電電流;A為充電接受比;t為充電時(shí)間。

　　圖1示出蓄電池的最佳充電曲線?？梢钥闯?，充電電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)率下降。

　　圖1 蓄電池的最佳充電曲線

　　1）如果充電電流工作在N區(qū)，則電流過大，會(huì)導(dǎo)至溫升，在充電電壓過高時(shí)會(huì)有大量氣體析出，會(huì)對(duì)電池造成損壞。

　　2）如果充電電流工作在M區(qū)，是可接受的，但充電時(shí)間不能達(dá)到最短。

　　3）如果充電電流沿著曲線軌道變化，是理想的充電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，如果充電電流按這條曲線變化，可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒有影響。這條充電曲線即為最佳充電曲線。

　　分級(jí)定流充電法和脈動(dòng)式充電法的基本思想就是使其充電曲線盡可能地模擬最佳充電曲線。圖2是分級(jí)定流充電法中三級(jí)充電法的充電曲線圖，圖3是脈動(dòng)式充電曲線圖。在目前蓄電池充電機(jī)的市場(chǎng)中，分級(jí)定流充電法得到了廣泛地應(yīng)用。脈動(dòng)式充電法大多數(shù)是采用脈沖充電法和分級(jí)定流充電法相結(jié)合的方法，將充電過程曲線分為幾段，每段分別采取恒流脈沖充電或恒壓脈沖充電。

　　圖2 蓄電池的三級(jí)充電法

　　圖3 蓄電池的脈沖充電法

　　廈門大學(xué)的陳體銜教授近2年提出間歇充電法，其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的恒電流充電段采用最佳充電電流，獲得絕大部分充電量;充電后期采用定電壓充電，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全放電態(tài)。圖4是采用變電流間歇充電法的電壓為6V、容量為4Ah的完全放電態(tài)電池（荷電態(tài)為0）的充電曲線。這一曲線形象地表明了變電流間歇充電的過程。

　　圖4 變電流間歇充電曲線

　　筆者以變流間歇充電為基礎(chǔ)，提出了變壓間歇充電法。這種充電方法是把變流間歇充電中的變流改為變壓，通過間歇停充，使蓄電池化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣有時(shí)間被重新化合吸收掉，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使蓄電池可以吸收更多的電量。變壓充電更符合蓄電池的最佳充電曲線。這是因?yàn)椋?/p>

　　1）蓄電池的容量在使用大電壓恒充后已經(jīng)得到很大的補(bǔ)充，再次充電時(shí)使用同樣的電壓恒充，電池本身的接受能力已有了一定的限制，充電效率會(huì)下降。采用降低一級(jí)的電壓進(jìn)行恒充，就等于是在電池已經(jīng)降低接受能力的情況下用最適宜此時(shí)接受 能力的電流充電，因此充電效果顯然是最好的。

　　圖5 蓄電池的等效模型

　　2）在研究充電動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以將電池近似地看為一個(gè)大 電容和一個(gè)小電阻，用圖5的簡(jiǎn)單模型表示。其中：U是充電電壓，IC是充電電流。 ICRs+UC=U 其中 IC=CdUC/dtUC=a+bexp（-t/T） 則 IC=dexp（-t/T） 其中：a，b，d為常數(shù);T為時(shí)間常數(shù)，T=RsC。在恒壓充電期間，電池等效內(nèi)阻Rs近似不變，則充電電流按指數(shù)規(guī)律衰減。 圖6是變壓間歇充電的曲線圖，和圖1相比較可以看到，這種充電曲線能夠充分模擬最佳充電曲線。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，這種充電方法的確能夠有效地提高充電的速度和效率。

　　圖6 變電壓間歇充電曲線

　　3）從工程角度來看，恒壓控制更容易實(shí)現(xiàn)。

　　3 充電電源

　　目前市場(chǎng)上有許多充電集成電路，但大多是針對(duì)小功率充電器的，大功率充電器則需要自行設(shè)計(jì)相應(yīng)的充電電源。傳統(tǒng)的充電電源主要是相控電源，因?yàn)榘ゎl變壓器造成電源本身體積較大，且功率損耗也很大。開關(guān)電源由于開關(guān)頻率比較高，所以有體積小、重量輕、損耗小和效率高等特點(diǎn)。開關(guān)電源的發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用也日益廣泛，有逐步取代傳統(tǒng)電源的趨勢(shì)。筆者根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了30kHz的高頻開關(guān)電源作為充電電源。高頻電源中的損耗主要有導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、截止損耗和磁芯損耗，其中導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗占據(jù)很大的比重。為了有效地降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，選擇IGBT作為功率開關(guān)管。IGBT是一種新型復(fù)合器件，它集雙極型功率晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓型控制、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單和元件容量大等優(yōu)點(diǎn)。功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路選用專用的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路EXB841，用于驅(qū)動(dòng)大容量、高速IGBT（容量在300A，1200V以下，頻率在40kHz以下）的專用驅(qū)動(dòng)芯片;它由放大部分、過流保護(hù)部分和5V電源基準(zhǔn)部分組成。過流保護(hù)部分實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)功能，能夠提供+15V和-5V2種電壓，以滿足IGBT開通時(shí)所需的正偏壓和關(guān)斷時(shí)所需的負(fù)偏壓。

　　在系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了移相式零電壓全橋逆變電路，其電路原理圖和波形圖見圖7。這種變換器是在恒頻變換器和移相控制諧振變換器兩者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用變壓器的漏感和開關(guān)管的寄生電容來實(shí)現(xiàn)零電壓;采用移相控制，每相橋臂的導(dǎo)通相差一個(gè)移相角。系統(tǒng)中采用的移相控制芯片是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875。

　　圖7 移相式零電壓開關(guān)的全橋變換器結(jié)構(gòu)（a）和控制波形（b）

　　同普通的全橋電路相比，電路中增加了一個(gè)諧振電感Lr，在4個(gè)功率開關(guān)管上并聯(lián)了一個(gè)電容Ci（i=1，2，3，4），Ci含開關(guān)器件的寄生電容。開關(guān)管的控制波形如圖7（b）所示。其中的3，1，4，2段即死區(qū)時(shí)間，除死區(qū)時(shí)間外，電路中總是有2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，共有4種組合：2和3，3和1，1和4，4和2;周而復(fù)始地工作。其中的2和3，1和4組合為全橋逆變電路，輸出能量;3和1，4和2不輸出能量。調(diào)節(jié)這2類組合的時(shí)間比例，即調(diào)節(jié)移相角，就可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的調(diào)節(jié)。電路的諧振發(fā)生在4種組合相互轉(zhuǎn)換的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，每一開關(guān)周期有4次。

　　逆變電路參數(shù)的不同，使相位超前的橋臂開關(guān)S1和S2容易實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，而相位滯后的橋臂開關(guān)S3和S4不太容易實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。這就要求相應(yīng)電感的選取要符合一定的條件，以滿足系統(tǒng)諧振的要求。

　　進(jìn)行了電源移相控制測(cè)試試驗(yàn)（圖8）。試驗(yàn)結(jié)果表明，在負(fù)載一定的情況下，移相控制角由0～180°的調(diào)整，可以線性地調(diào)整電源輸出電壓。當(dāng)移相控制角為0°時(shí)，電源輸出電壓為0，充電電源停止輸出電流;當(dāng)移相控制角為180°時(shí)，電源輸出電壓和輸入電壓基本一致，此時(shí)充電電源的輸出電壓最大。

　　經(jīng)過功率變換器后的輸出波形見圖9（a），通過高頻變壓器后的波形與其相同。經(jīng)整流輸出后的波形如圖9（b），是移相控制角為90°，變換器前置直流電壓50V時(shí)的情況，這種情況下的輸出電壓波形接近占空比為50%的方波。

　　圖8 移相控制角與輸出功率和輸出電壓的關(guān)系 （a）功率變換器輸出波形（變壓器次級(jí)輸出波形）（b）電源高頻整流輸出波形

　　圖9 測(cè)試試驗(yàn)中的輸出波形

　　4 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用了變壓間歇充電法，可以適時(shí)轉(zhuǎn)變充電及其間歇過程。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)控制其充電間歇過程采集蓄電池端電壓。當(dāng)蓄電池達(dá)到預(yù)定的停充電壓時(shí)，停止充電并間歇預(yù)定的時(shí)間，然后系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)入下一階段的充電過程。恒壓充電過程，采用筆者提出的模糊控制方法，即在每一個(gè)恒壓階段，根據(jù)輸入變量的變化進(jìn)行模糊推理，決定輸出變量的變化量，使充電電壓保持恒定。

　　模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)見圖10。選擇蓄電池端電壓的誤差e和誤差變化率e?作為模糊控制器的輸入量，選擇移相控制角作為輸出變量。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集蓄電池的端電壓，計(jì)算出誤差和誤差變化率，經(jīng)折算后判斷其所處的狀態(tài)，進(jìn)行模糊推理，再經(jīng)清晰化，獲得控制量U，通過調(diào)整移相控制角的大小，即可調(diào)整充電電壓的大小。整個(gè)設(shè)計(jì)過程包括3個(gè)部分：精確模糊化，模糊推理和控制量的清晰化。

　　圖10 蓄電池模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖

　　關(guān)于精確模糊化，在此作一說明。本系統(tǒng)選定蓄電池端電壓Ud的誤差e（e=Ur，Ur為給定電壓）及誤差變化率e 作為模糊控制器的輸入變量，移相控制角作為模糊控制器的輸出語(yǔ)言變量。由于誤差和誤差變化率實(shí)際變化范圍很大，需將它們轉(zhuǎn)換到固定區(qū)域內(nèi)。端電壓在充電過程中總處于上升階段，因此e的變化范圍只選正半部分;考慮到誤差變化率在接近出氣點(diǎn)時(shí)數(shù)值很大，模糊語(yǔ)言變量可以考慮再增加PVL（正向非常大的變化）。因此e的語(yǔ)言變量選 PS，PM，PL，PVL;e? 的語(yǔ)言變量選NS，ZE，PS，PM，PL，PVL。再根據(jù)實(shí)際情況，確定輸入語(yǔ)言變量的量化因子，輸出語(yǔ)言變量的比例因子和隸屬函數(shù)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　快速充電方法的確定與充電效果有著密切的關(guān)系，在設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)充電對(duì)象和系統(tǒng)要求確定合適的充電方法，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)要求選擇相應(yīng)的充電集成電路，或者設(shè)計(jì)相應(yīng)的充電電源和充電電路。