一種電動(dòng)汽車充放電策略的研究

摘要：充電電池是電動(dòng)汽車的核心部件，直接影響電動(dòng)汽車的性能，而一種有效的充電方法可提高動(dòng)力電池的壽命。設(shè)計(jì)了充電主電路及控制電路，針對(duì)鉛酸蓄電池在PSCAD環(huán)境搭建了仿真電路模型，采用一種自恢復(fù)正負(fù)脈沖式充放電策略，驗(yàn)證了該充放電策略的有效性，對(duì)于其他種類的蓄電池也有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：蓄電池；充電策略；電動(dòng)汽車

1 引言
    動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的主要能量來源，其性能好壞將直接影響電動(dòng)汽車的行駛里程。而蓄電池壽命與充放電方法有密切關(guān)系。在蓄電池充電過程中，電荷堆積在電池電極上產(chǎn)生反向電壓，具體表現(xiàn)為電池內(nèi)阻增加；同時(shí)，隨著電池的使用，電池內(nèi)部電極上附著的硫化物也會(huì)增多，造成電池內(nèi)阻增大，這兩種因素都影響了充電速度和質(zhì)量。消除它們的有效方法則是采用負(fù)脈沖，在電池兩端瞬間放電以去除電極上的積電荷，從而改變蓄電池固有的指數(shù)曲線形式的充電特性，在恒流恒壓充電過程中采用這種新式充電策略能提高蓄電池充電接受能力，并提高電動(dòng)汽車的使用效率及續(xù)航能力。

2 最大充電電流的確定
    研究表明，若在充電過程中保持等量、微量的氣體析出和穩(wěn)定的溫升，則充電曲線是一條指數(shù)曲線。蓄電池最大充電電流曲線如圖1所示，這是一條自然接受曲線，若充電電流位于曲線的右側(cè)，即充電電流大于可接受電流，則會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生電解水；若充電電流位于曲線左側(cè)，此時(shí)的充電電流均為充電的可接受電流。

3 充電站主電路設(shè)計(jì)
    充電機(jī)功能模塊包括輸入整流電路和功率變換電路。充電站主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    該充電機(jī)采用全控電力電子元器件為控制核心，如圖3所示，控制電路采用達(dá)到功率因數(shù)正弦波電流的雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)是按電壓外
環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，電壓外環(huán)是控制三相電壓型PWM整流器直流側(cè)電壓。

    該電路可實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖間歇工作方式充放電，也可實(shí)現(xiàn)恒流充放電。脈沖充放電時(shí)，充電脈沖幅值、時(shí)間、間歇時(shí)間均可設(shè)定。脈沖充電時(shí)，正脈沖充電產(chǎn)生的電池極化由放電負(fù)脈沖及時(shí)消除，可減小電池極化電阻，提高蓄電池化成充放電效率。脈沖充電機(jī)主電路原理圖如圖4所示。

    三相380 V交流電源通過相控整流橋整流和LC濾波后得到直流電源。蓄電池充電時(shí)，通過控制兩個(gè)IGBT模塊V7，V8的間歇導(dǎo)通和關(guān)斷來控制充電和放電脈沖的幅值和時(shí)間。V7導(dǎo)通，V8關(guān)斷時(shí)，實(shí)現(xiàn)正脈沖恒流充電；V7關(guān)斷，V8導(dǎo)通時(shí)，實(shí)現(xiàn)負(fù)脈沖恒流放電。正負(fù)脈沖占空比如圖5所示。

    仿真波形如圖6所示?？梢?，充電機(jī)輸出電流約為300 A，符合對(duì)蓄電池進(jìn)行快速充電的要求。另外，在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置了如圖7所示的主程序流程圖，其他部分為通用程序，不再給出。主程序用來完成對(duì)蓄電池充電電壓、電流及脈沖大小比較。

4 充電參數(shù)選擇
    通過對(duì)一組蓄電池(12 V／60 Ah 5只電池)分別采用分階段恒流恒壓充電方法和分階段恒流脈沖充電方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證充電效率。采用分階段恒流脈沖充電方法時(shí)，每個(gè)階段充電過程按照“正脈沖充電→停止充電→負(fù)脈沖放電→停止放電→正脈沖充電”循環(huán)過程進(jìn)行。隨著充電的進(jìn)行，充電電流逐階段減小。
    目前市面上大多充電設(shè)備采用分階段恒流恒壓充電方法。根據(jù)蓄電池的充電要求，充電初期采用0．5 C(30 A)充電電流進(jìn)行恒流充電。當(dāng)充電電壓到達(dá)14．6 V后，采用恒壓充電，直至充滿。表1為未使用脈沖時(shí)的充電數(shù)據(jù)。

    充電初期采用0．6 C(36 A)充電電流進(jìn)行恒流脈沖充電。然后分階段減小充電電流，以降低充電過程中的出氣率。表2為使用脈沖后的充電數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論
    采用傳統(tǒng)直流充電模式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，其充電效率較低，通過對(duì)傳統(tǒng)直流充電和兩種脈沖充電的效率進(jìn)行測(cè)定和比較可知，采用脈沖充電能有效增大電池充電效率，縮短充電時(shí)間，并減少析氣反應(yīng)。脈沖充電過程中脈沖電流大小和充放電時(shí)間比是影響充電效率的兩大因素，當(dāng)脈沖充放電時(shí)間比為10，脈沖放電電流為0．1 mA時(shí)，充電效率最高?？芍?，這種新式的充電策略對(duì)縮短充電時(shí)間確實(shí)有效，而對(duì)其他種類的蓄電池同樣具有借鑒意義。