電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池智能充電及其策略

摘要 為提高電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池壽命和續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)蓄電池高效、快速充電，設(shè)計(jì)了一種智能充電系統(tǒng)。硬件采用DC／DC正激變換電路實(shí)現(xiàn)功率的轉(zhuǎn)換，同時(shí)以單片利為智能控制核心，并利用DS18B20采集電池溫度。軟件上根據(jù)蓄電池快速充電原理，提出一種分階段定電流和正負(fù)脈沖相結(jié)合的新型充電控制策略。利用模塊化設(shè)計(jì)方法，完成各功能模塊設(shè)計(jì)，以及利用數(shù)字PI算法實(shí)現(xiàn)分階段電流恒定。實(shí)驗(yàn)證明，采用新型控制策略的智能充電系統(tǒng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，減少了充電時(shí)間，提高了充電效率。
關(guān)鍵詞 智能充電；正激變換；控制策略；模塊設(shè)計(jì)

    隨著石油能源不斷消耗，電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保特性被世界各國(guó)研究和推廣。然而動(dòng)力電池一直是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸。閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池(VRLA)憑借其制造成本低、容量大、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。但若蓄電池使用不當(dāng)，其壽命會(huì)大大縮短。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，充電過(guò)程對(duì)電池壽命影響最大，放電過(guò)程影響相對(duì)較小。因此充電系統(tǒng)，對(duì)蓄電池的壽命起決定性影響。
    傳統(tǒng)的充電方法是通過(guò)加大充電電流，達(dá)到快速充電的目的。但大電流充電必然會(huì)導(dǎo)致蓄電池過(guò)流、過(guò)溫、極板極化等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響蓄電池壽命。若以小電流慢充，雖然對(duì)蓄電池壽命影響較小，但充電時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)。為解決充電時(shí)間與電池壽命的矛盾問(wèn)題，通過(guò)對(duì)蓄電池充電過(guò)程內(nèi)部化學(xué)特性的了解，提出一種新的充電控制策略，實(shí)現(xiàn)蓄電池高效、快速、無(wú)損害充電。

1 充電控制策略
1．1 快速充電技術(shù)的理論基礎(chǔ)
    20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家馬斯以最低析氣率為前提，提出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，其方程為
   
    式中，i為任意時(shí)刻t時(shí)的蓄電池可接受充電電流；I0為最大可接受充電電流；a為衰減率常數(shù)，也稱為充電可接受比。
    1972年，馬斯又在第二屆電動(dòng)汽車大會(huì)上提出了著名的馬斯三定律，奠定了快速充電的基礎(chǔ)。
    第一定律：一個(gè)蓄電池以任何給定電流放電，它的充電接受率a和放電容量C的平方根成反比，即
   
    式中，K為放電電流常數(shù)；C為蓄電池放電的容量。
    第二定律：對(duì)于任何給定的放電深度，一個(gè)蓄電池的充電接受率a和放電電流Id的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。即
    a=K2lgkId     (3)
    式中，K2為放電量常數(shù)，視放電深度而定；k為放電常數(shù)。
    第三定律：一個(gè)蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個(gè)放電率下接受電流之和。即
    It=I1+I2+I3+… (4)
    式中，I1，I2，I3，…為各放電率下的充電電流。
    馬斯三定律表明，在充電過(guò)程中，當(dāng)充電電流接近蓄電池可接受充電電流曲線時(shí)，適時(shí)的停止充電，并在停止過(guò)程中加入放電脈沖，可以消除極化現(xiàn)象，提高蓄電池的充電接受能力，從而大幅提高充電速度，對(duì)蓄電池的容量和壽命不造成影響。
1．2 充電控制策略
    根據(jù)馬斯三定律的理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)以12 V／12 AH鉛酸蓄電池為對(duì)象，設(shè)計(jì)的充電控制策略，將充電過(guò)程分為三個(gè)階段：大電流恒流、正負(fù)脈沖快速充電、恒壓補(bǔ)足充電，如圖1所示。該蓄電池額定電壓為12 V，充滿電時(shí)端電壓約為14．7 V，放完電時(shí)端電壓約為10．8 V，充放電過(guò)程中電池溫度若達(dá)到45℃，蓄電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重、極板活性物質(zhì)開始脫落。

    充電過(guò)程三個(gè)階段具體控制策略如下：
    (1)大電流恒流階段。充電初期，當(dāng)電池端壓小于12 V時(shí)，表示電池電量較低，可以采用大電流進(jìn)行恒流充電，使蓄電池在較短的時(shí)間內(nèi)盡量充入較多的電量。當(dāng)蓄電池的端電壓上升到14．7 V時(shí)，水開始分解，產(chǎn)生極化和析氣現(xiàn)象，此時(shí)停止充電。一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)入下一階段。
    (2)正負(fù)脈沖快速充電階段。在脈沖的停歇階段，隨著充電電流的消失，極化現(xiàn)象部分消失。接著再放電，使蓄電池反向通過(guò)較大電流，可以消除析氣現(xiàn)象產(chǎn)生的氣體，并進(jìn)一步消除極化現(xiàn)象，使蓄電池接受電量的速度加快。將此階段再細(xì)分為三級(jí)，使充電電流接近蓄電池可接受充電電流，從而在快速充電的同時(shí)，不會(huì)對(duì)蓄電池造成損壞。
    (3)恒壓補(bǔ)足充電階段。經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段以后，并不能保證蓄電池電量已充滿。此時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行恒壓補(bǔ)足充電。此階段充電電流逐漸減小，當(dāng)檢測(cè)到電流下降到某一閾值時(shí)，停止充電。此時(shí)也標(biāo)志著充電過(guò)程完全結(jié)束。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由功率變換電路和智能控制電路組成。功率變換的作用是向蓄電池提供所需的電壓、電流；智能控制電路的作用是檢測(cè)蓄電池的電流、電壓、溫度等參數(shù)，通過(guò)數(shù)字PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，按照提出的充電控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池智能充電。

2．2 功率變換電路
    由于系統(tǒng)電路功率約在150W，故采用成本較低的單端正激DC／DC變換電路，如圖3所示。首先將220V，50Hz工頻交流市電連接EMI濾波器，經(jīng)過(guò)整流濾波，接入DC／DC單端正激變換電路，再通過(guò)LC濾波后得到直流電源。調(diào)節(jié)單片機(jī)的PWM占空比，來(lái)控制N-MOS管Q3的導(dǎo)通關(guān)斷，進(jìn)而得到所需的直流電壓和電流。同時(shí)利用兩個(gè)N-MOS管Q1和Q2的間歇導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制充電和放電脈沖的幅值和時(shí)間。Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時(shí)，實(shí)現(xiàn)正脈沖充電；Q2導(dǎo)通Q1關(guān)斷時(shí)，實(shí)現(xiàn)負(fù)脈沖放電。

2．3 智能控制電路及輔助電源
    智能控制電路由STC12C5A60S2單片機(jī)、外圍電路及檢測(cè)回路組成智能控制電路。檢測(cè)電路將采集的當(dāng)前蓄電池電流、電壓及溫度送入單片機(jī)A／D口，并與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中的恒流、恒壓。并通過(guò)控制Q1，Q2兩個(gè)N-MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖快速充電。液晶顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)及電壓、電流、溫度值。如果超過(guò)設(shè)定的閾值，報(bào)警電路開始工作并停止充電，以實(shí)施保護(hù)。

    為防止高頻功率電路對(duì)數(shù)字控制電路的干擾，系統(tǒng)利用高速光耦將兩個(gè)電路隔離。因此，智能控制電路必須單獨(dú)供電，輔助電源模塊如圖4所示。利用小功率交流變壓器將交流市電降壓到12 VAC，整流濾波后利用L7805實(shí)現(xiàn)+5 VDC穩(wěn)壓輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件的主要功能：通過(guò)對(duì)蓄電池電壓，電流的檢測(cè)使其進(jìn)入相應(yīng)的充電階段，在相應(yīng)的階段內(nèi)，利用數(shù)字PI控制算法不斷調(diào)節(jié)單片機(jī)的PWM輸出占空比，以實(shí)現(xiàn)所要求的恒定電流或電壓值。同時(shí)檢測(cè)各階段蓄電池的溫度值，若超過(guò)45℃，則報(bào)警并停止充電，此時(shí)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇，給蓄電池降溫，直到溫度恢復(fù)到20℃以內(nèi)。具體控制流程，如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)采用單片機(jī)數(shù)字PI控制技術(shù)與高效、低損耗的DC／DC變換電路相結(jié)合。由于單片機(jī)運(yùn)算速度的限制，不可能實(shí)現(xiàn)精確的電壓和電流輸出，但對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鞯募y波，反而有利于消除充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，更有利于充電的進(jìn)行。與傳統(tǒng)恒壓恒流充電器充電相比，開發(fā)的智能充電器具有以下優(yōu)點(diǎn)：充電速度顯著提高，充電安全，電池升溫低，減少了對(duì)蓄電池容量和壽命的影響；同時(shí)利用價(jià)格低廉的單片機(jī)來(lái)代替昂貴的電源管理IC，實(shí)現(xiàn)電源智能化管理，使其具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
    文中完成對(duì)12 V／12 Ah蓄電池進(jìn)行充電控制及其控制策略的開發(fā)、研究，該系統(tǒng)及其控制策略對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力蓄電池充電系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用，具有實(shí)際借鑒意義。