电动汽车用铅酸蓄电池快速充电技术研究

电动汽车用铅酸蓄电池快速充电技术研究

以电动汽车为电源的电动汽车被认为是21世纪的绿色项目。这一出现将汽车工业的发展引入了一个新领域。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已发展得较为成熟，而另两大部件———蓄电池、充电器的发展还不能满足电动汽车的要求，作为能量再次补充的充电器常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，由于充电不当使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象，充电效率低，这些都严重地制约着电动车的发展。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。电动车用动力蓄电池与一般蓄电池有所不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或爬坡。一般来说，电动车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。因此，对电动车用动力蓄电池的快速充电提出了不同于常规电池的要求，它应具有充电时间短、充电效率高以及对蓄电池使用寿命影响小的特点。1脉冲充电缓解电池极化的作用机理脉冲充电方式的许多优势是以选择合理的脉冲充电参数为前提的，实际应用中往往由于对充电规律掌握不够而无法体现脉冲充电的优势，甚至会造成电池损坏等副作用,因此了解快速脉冲充电理论是非常必要的。影响电池快速充电的因素主要有欧姆极化，浓差极化，电化学极化和温度。电池以一定电流充放电时，普遍存在三种极化：欧姆极化由电池各连接部分的电阻造成；浓差极化是由于溶液中离子扩散过程的迟缓性，造成在一定电流下电极表面与溶液本体浓度差而产生极化；电化学极化由电极表面电化学反应的迟缓性造成。电池极化使电池内部压力加大，温度上升，外部表现为内阻上升，造成电池充电接受能力的下降。脉冲充电可以有效缓解电池极化。图1为铅酸蓄电池的动态电路模型。该模型把电池描述成一个等价的电路网络。由于蓄电池充放电过程的复杂性，模型中各个变量都受诸多参数的影响，并且表现出非常强的非线性。其中E代表电池的电动势，R0代表电池的欧姆内阻，两条电容支路分别代表充放电过程中电池的浓差极化和电化学极化，Ig支路代表一定条件下电池的极化及析气反应。在实际的充电过程中，电池析气的产生可视为一个门控过程，也就是说，图中G点的电压低于阀值UGth时，电池的极化不严重，只产生微量析气，而G点的电压高于UGth时，电池将产生严重极化，大量析气，这不但会降低充电效率，阻碍充电电流，降低充电速度，而且会造成电池的温度急剧升高，损坏极板，对电池造成伤害。通过电池模型可以看出，在充电过程中，电池电动势E增加，电容C1、C2两端电压逐渐升高，为了维持UG尽可能地接近UGth，随着充电的进行，电池的可接受电流越来越小。这时虽然电荷的积累速度越来越慢，但电压还是在逐步上升，造成温度的持续上升和电压的“虚高”，以致于在充电后期出现充不进电，充不满电或充满后电压下降，以及过压过热等现象的发生，因此只能采取电流越来越小的充电方式。连续充电方式无法从根本上解决充电效率低，充电时间长，消除极化等问题，无法满足车辆对充电性能和续驶里程的要求，严重制约了电动汽车的发展。脉冲充电方式在充电G点电压接近阀值电压UGth时，适时进行停充电或反向瞬间大电流放电，从而泄放掉电容上积累的电荷，有效缓解极化，使G点电压迅速下降，电池可接受电流变大。充电接受电流是充电时间的指数函数，因此脉冲充电可以持续以大电流充电，极大缩短充电时间，达到快速充电目的。2称重传感器的工作原理和硬件设计2.1充电过程控制铅酸蓄电池对充电性能的最佳要求是：(1)能够快速充满电池容量；(2)在整个充电过程中减小温升幅度，提高效率。由反馈控制理论得知,要使系统中某一或几个物理量具有较理想的动、静态特性,同时具有较高的抗干扰性能,可引入该物理量的负反馈。由于充电器的被控对象为充电电流和蓄电池的电动势,充电器应采用电压、电流负反馈闭环控制方式。单片机快速充电控制系统通过监控铅酸蓄电池的电压、电流和温度在充电过程中的变化，自动调节脉冲宽度，并通过短时间暂停充电或瞬时反向大电流放电来去除极化，从而使充电曲线逼近理想充电曲线，允许充电电流变大，达到缩短充电时间，提高效率的目的。这种快速脉冲充电器将根据检测到的充电器工作状态，分段调整充电脉冲宽度和电流，首先用脉冲宽的大电流脉冲充电，蓄电池的端电压迅速上升，当电压上升到设定的电压值U1时，电池已经出现极化现象，这时单片机发出指令信号，充电器暂停充电，并启动放电电路，瞬时大电流放电能量回馈给交流输入的大电解电容；当电池端电压达到设定值U2时，充电器间歇暂停充电；根据反馈电压自动调节输出脉冲的占空比，减小充电电流，经过短时间停止充电，蓄电池的极化电压迅速下降，如此反复循环；分阶段调整充电脉冲占空比和充电电流，可以加快充电速度，减小温升，适度消除蓄电池的极化现象，提高蓄电池充电效率。2.2机构组成及主电路分析快速充电系统主要由AC/DC变换器、直流辅助电源、IG-BT模块、高频变压器、整流滤波电路、单片机、脉冲调宽芯片UC3875、电流传感器、电压传感器、IGBT驱动电路、放电回路以及与外界通讯的CAN、232接口等部分组成。快速充电器硬件系统框图如图2所示。三相380V交流电经过整流滤波等环节变成直流输入电压。充电策略控制器通过驱动电路驱动功率开关IGBT工作在40kHz高频开、关状态，把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压，然后由变压器把交流电压变换成需要的输出交流电流和电压值，最后通过输出整流滤波又把它变成所需的直流电对铅酸蓄电池进行充电。同时经过反馈电路形成闭环及时调节电压、电流值以满足充电要求，通过检测电池的端电压，充电电流以及电池表面温度等充电条件进行决策。放电电路可以把放出的能量进行回收以提高效率。辅助电路提供器件工作电压，保护电路防止过流、过压、过热，以保证系统安全、可靠地工作。充电器硬件的主电路拓扑采用了移相控制全桥软开关变换器结构。它通过零电压开通和关断主电路能大幅减小IGBT在开通和关断时的损耗，有效提高变换器的效率。同时它可以减小器件的电流和电压应力，使电磁干扰情况得到极大改善，保证系统稳定可靠地工作。图3为带辅助支路的PS-FB-ZVS-PWM变换器的主电路。其中,D1～D4分别是开关管Q1～Q4的寄生二极管,C1～C4分别为Q1～Q4的寄生电容,Q1和Q3构成超前桥臂,Q2和Q4构成滞后桥臂,Q1和Q3分别领先于Q2和Q4一个相位。Lr是变压器漏感,相对于不带辅助支路的移相全桥变换器,它的电感量大大减小。La、Ca1、Ca2、Da1、Da2共同构成辅助支路。每个桥臂的两个开关管成180°互补导通,两个桥臂的导通角相差一个相位,即移相角,通过调节移相角可以调节输出电压。该变换器实际应用运行良好。在带轻载情况下变换器整机效率>92%，满载时效率最高，达到92.7%。同时在很宽的频率范围内（20～40kHz）都能保持正常工作，而且变换器效率变化非常小，这说明电路完全实现了软开关，从而使开关管的动态损耗减小到最小。3带放电的脉冲充电算法对恒流-恒压充电方式、分阶段变电流和带放电的脉冲充电方式进行实验比较，数据如表1所示。通过比较，采用变电流的脉冲充电方式比传统的恒流-恒压充电方式的充电时间减少了12.1%，充电接受率增加了6.64%，蓄电池的温升减小了3.6%。带放电的脉冲充电具有最短的充电时间，温升较高，但在允许的范围内。综合考虑，带放电的脉冲充电是一种较好的充电方式。从图4的充电和温度曲线上可以看出，在充电初期蓄电池的充电接受率相对较高，使用大电流充电可以迅速提高电池的充电容量；在充电过程中期，通过暂停充电，使蓄电池端电压下降，减小充电电流和改变充电脉冲占空比，延长停止充电的时间，避免蓄电池端电压迅速上升，提高了蓄电池的充电接受率，适当地消除了电池内部的极化现象，减小了电压上升的幅度，提高了电池的充电接受率；在充电末期，由于极化现象的存在，使得蓄电池对充电的接受率继续下降，通过进一步减小充电电流，使蓄电池保持最佳的充电接受率的情况下减小电池的极化现象和温升。4脉冲充电控制策略(1）理论和实践表明，脉冲充电方式与常规的恒压限流充电方式比较，充电时间更短，温升更小。采用带放电的脉冲充电会取得更佳的效果。(2）电池的去极化是有限度的。随着充电的不断进行，允许接受的充电电流有减小的趋势。所以充电策略是分阶段的，在不同阶段应采取不同的脉冲充电参数，把电池的温升和充