- 電池快速充電的分段恒流控制
- 快速充電方法的選擇
- 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(kāi)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(jiàn)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。[page]
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 。
(2) 設(shè)定各恒流段充電時(shí)間t ( n) 的作用不大 。用定時(shí)器控制各恒流段充電時(shí)間t ( n) 比較容易實(shí)現(xiàn) ,然而由于電池在恒流充電開(kāi)始時(shí)的荷電狀態(tài)不同或因電池容量衰減導(dǎo)致充電可接受電流減小時(shí) ,最佳的恒流充電時(shí)間也隨之改變 。電池狀態(tài)的不確定使最佳充電時(shí)間很難確定 。在試驗(yàn)中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象 : 某段恒流充電到了設(shè)定的充電時(shí)間 ,但充電電壓離終止電壓相差還很遠(yuǎn) ,這時(shí) ,本試驗(yàn)選擇了在該恒流值下繼續(xù)充電 ,直至充電電壓達(dá)到終止電壓 ; 某段恒流充電設(shè)定的充電時(shí)間還未到 ,但電池已大量析氣 (電解液“沸騰”) ,且充電電壓已高于設(shè)定的終止電壓或電池溫度升至限定值 ,這種情況下 ,充電器會(huì)立即停止該段恒流充電 ,自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一階段 。由此可見(jiàn) ,在自動(dòng)控制充電過(guò)程中 ,設(shè)定充電時(shí)間的作用不大 。
(3) 電池溫度不宜單獨(dú)作為分段恒流充電控制參數(shù) 。理論上 ,在開(kāi)始充電時(shí)電池荷電狀態(tài)不同的情況下 ,電池溫度均可用作各階段恒流充電的自動(dòng)停止控制參數(shù) 。但是 ,溫度傳感器的誤差和滯后性容易造成電池過(guò)充電 ,因此不宜單獨(dú)采用電池溫度作為分段恒流充電終止控制參數(shù) 。
(4) 終止電壓參數(shù) U ( n) 對(duì)異常情況的自適應(yīng)性較差 。將不同恒流值下的終止電壓設(shè)為控制參數(shù) ,可自適應(yīng)電池開(kāi)始充電時(shí)的荷電狀態(tài)和電池使用過(guò)程中充電可接受電流的變化 ,且控制也比較簡(jiǎn)單 。但是 ,當(dāng)電池的性能出現(xiàn)異常變化時(shí) ,原來(lái)設(shè)定的終止電壓可能會(huì)過(guò)高或過(guò)低 ,導(dǎo)致電池過(guò)充電或過(guò)早降低充電電流而延長(zhǎng)了整個(gè)充電時(shí)間 。此外 ,在不同的恒流充電階段 ,電池內(nèi)部的充電極化程度也不同 ,接近可接受電流極限時(shí)的充電電壓上升速率也會(huì)有明顯的差別 ,要準(zhǔn)確地設(shè)置各種恒流充電狀態(tài)下的終止電壓難度很大 。
2 電池分段恒流充電的智能化控制
2. 1 分段恒流充電智能化控制方案
根據(jù)分段恒流充電試驗(yàn)的結(jié)果與分析 ,對(duì)分段恒流充電控制方案作了如下調(diào)整 :
(1) 采用容量梯度法確定階段恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)理論分析和大量試驗(yàn)研究 ,本文認(rèn)為采用容量梯度參數(shù) dU / dC 作為階段恒流充電終止判斷標(biāo)準(zhǔn)較為適宜 。按該型電池恒流充電特性曲線確定充電終止容量梯度參數(shù) ,充電過(guò)程中控制器以設(shè)定的頻度對(duì)充電電壓進(jìn)行采樣 ,計(jì)算I ( n) 下的容量梯度值 ,并與設(shè)定的充電終止容量梯度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 ,根據(jù)比較結(jié)果判斷是否終止當(dāng)前階段恒流充電 。
(2) 減小各段恒流值下降梯度 。通過(guò)試驗(yàn)確定該型電池初次恒流值I (1) ,并減小階段恒流充電的電流下降幅度 。如果降低充電電流后 ,達(dá)到充電終止容量梯度值的時(shí)間很短 (設(shè)定一個(gè)最小充電時(shí)間) ,則適當(dāng)增大電流下降的幅度 。
(3) 將電池溫度設(shè)為充電安全保障控制參數(shù) 。設(shè)置電池最高溫度限定值 ,在充電過(guò)程中 ,如果電池溫度達(dá)到了限定值 ,立即停止充電 。當(dāng)電池溫度降至正常溫度時(shí) ,適當(dāng)減小充電電流繼續(xù)充電 ,直到該段恒流充電結(jié)束。
2. 2 分段恒流充電智能化控制電路
分段恒 流 充 電 智 能 化 控 制 電 路 如 圖3 所示。該電路采用 CPU 控制 ,可對(duì)充電電池和充電環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè) ,對(duì)電池充電進(jìn)行計(jì)時(shí) ,采樣充電過(guò)程中電池的電壓和電流 ,對(duì)分段恒流充
電過(guò)程進(jìn)行控制 。
2. 3 智能化分段恒流充電試驗(yàn)研究
根據(jù)調(diào)整后的分段恒流充電方案進(jìn)行充電試驗(yàn) ,為便于比較 ,采用與方案調(diào)整前的充電試驗(yàn)所用同一型號(hào)電池 ,充電初始狀態(tài)完全一樣。調(diào)整方案后的定流充電各階段的控制參數(shù)和充入的電量如表 3 所示 ,其定壓充電階段的控制參數(shù)和充入的電量與表的分段恒流充電電流曲線如圖 4 所示。
在調(diào)整方案后的分段恒流充電試驗(yàn)過(guò)程中 ,電池沒(méi)有出現(xiàn)溫度過(guò)高而停止充電的情況 ,充電時(shí)間縮短了,充電效率也提高了,并且整個(gè)充電過(guò)程均按設(shè)定的程序自動(dòng)進(jìn)行,完全不需要人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)了智能化的快速充電。
3 結(jié)語(yǔ)
分段恒流充電使電池的實(shí)際充電電流曲線接近充電可接受電流曲線 ,是實(shí)現(xiàn)電池快速充電的有效方法。采用容量梯度法確定恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),減小階梯恒流充電電流下降梯度 ,并輔以電池溫度過(guò)高則停止充電的保護(hù)控制 ,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的智能化快速充電控制。試驗(yàn)結(jié)果表明 ,這種恒流充電控制方法可有效縮短充電時(shí)間 ,提高充電效率 ,延長(zhǎng)電池使用壽命。
