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电动汽车电池组分段恒流充电智能化控制方案解析
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2017-11-22
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电动汽车用电池的快速充电是电动汽车研究与开发过程中的重要课题。尽管许多实用化的充电设备或商用充电器具有快速充电及均衡充电的功能，但其通常是按事先设定的充电电流对电池进行充电。这种方法不能根据电池充电过程中的具体情况对充电电流进行调整，为了避免出现过充电，设定的充电电流通常偏小 ，因此充电时间仍然较长，而且由于不具备自适应能力，充电过程中容易出现过充电现象，对蓄电池的寿命不利。为了在实现快速充电的同时又不影响电池寿命，关键是要使快速充电过程具有自适应性，即根据电池的实际状态自动调节充电电流的大小，使其始终保持在充电可接受电流的临界值附近。为此，本文在电池快速充电理论基础上，对分段恒流充电方法进行了试验研究，以期实现动力电池的智能化快速充电和均衡充电。
1 电池快速充电的分段恒流控制
1. 1 快速充电方法的选择
增大充电电流，电池极板上单位时间内恢复的活性物质增多，充电时间就可缩短，但过大的充电电流会损害电池。电池可接受的充电电流是有限的，且会随充电时间呈指数规律下降。在电池充电过程中，充电电流曲线在该指数函数曲线以上时会导致电池电解液发生析气反应 （过充电） ，反之则不能有效缩短充电时间。理想化的电池快速充电过程是充电电流始终保持在电池充电可接受电流的极限值，即充电电流曲线与该电池的充电可接受电流曲线相重合。本文选择容易实现的分段恒流充电方法。其关键是要确定适当的分段恒流充电终止判断标准、恒流充电分段数和各阶段恒流充电电流值。
1. 2 分段恒流充电控制方案
要实现分段恒流充电的自动控制，阶段恒流充电终止判断参数可选择充电时间、电池温度和电池电压等。大量的调查分析和电池充电试验结果表明，单参数控制方法难以实现理想的分段恒流充电控制。
充电时间参数控制方法简单 ，但电池型号不同、 充电起始状态不同 ，所需的充电时间也不一样 ，如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束 ，容易导致电池过充电或延长充电时间。温度参数控制方法的优点是可实现电池温度过高保护 ，但是由于环境和传感器响应时间延迟的影响，如果仅以电池温度参数作为阶段恒流充电终止判断标准 ，也容易造成电池的过充电。电压参数控制被认为是较好的阶段恒流充电终止控制方法 ，但其不足也是显而易见的 ，比如：不能识别因电池极板硫化而产生的充电电压异常升高以及电池充电过程中出现的异常温升等 ，从而导致电池充电时间延长或电池的损坏。
为了保证在各种情况下均能检测电池的实际充电状态 ，并实现较为理想的阶梯形充电电流曲线 ，本文综合了充电时间、 电池温度和终止电压 3个参数作为各阶段恒流充电终止判断依据 ，其控制流程如图 1 所示。
T —电池温度 ; T0—停充温度 ; I0—最小恒流充电电流 ;t （ n）—第 n 次恒流充电的设定充电时间 ; I （ n）—第n 次恒流充电的设定电流值 ;U （ n）—第 n 次恒流充电的设定终止电压分段恒流充电结束后再进行一段时间的定压充电 ，是为了确保电池能完全充足 。3 个控制参数的具体控制策略如下 。
时间参数控制 ：根据电池容量和充电电流 ，预先设定某段恒流充电的时间 ，当充电时间达到设定值时 ，通过定时器发出信号 ，结束该阶段的恒流充电并自动将充电电流减小 ，进入下一段恒流充电 。
温度参数控制 ： 设定某段恒流充电至可接受电流极限时的电池温度最高值 ，根据温度传感器检测的电池温度来控制充电装置。当外界环境温度较低 、设置的电池最高温度较高时 ，采取控制温升法 ，当电池的温升达到设定值时 ，温控器使充电装置停止充电 ，直到温度下降至适当值时 ，自动进入下一阶段恒流充电 。
电压参数控制：电池的绝对电压可以反映电池的充电情况 ，设定某段恒流充电达到或接近充电可接受电流极限值的电压 ，当电压达到设定值时 ，充电装置便自动结束本阶段恒流充电 ，进入下一阶段。
1 电池快速充电的分段恒流控制
1. 1 快速充电方法的选择
增大充电电流，电池极板上单位时间内恢复的活性物质增多，充电时间就可缩短，但过大的充电电流会损害电池。电池可接受的充电电流是有限的，且会随充电时间呈指数规律下降。在电池充电过程中，充电电流曲线在该指数函数曲线以上时会导致电池电解液发生析气反应 （过充电） ，反之则不能有效缩短充电时间。理想化的电池快速充电过程是充电电流始终保持在电池充电可接受电流的极限值，即充电电流曲线与该电池的充电可接受电流曲线相重合。本文选择容易实现的分段恒流充电方法。其关键是要确定适当的分段恒流充电终止判断标准、恒流充电分段数和各阶段恒流充电电流值。
1. 2 分段恒流充电控制方案
要实现分段恒流充电的自动控制，阶段恒流充电终止判断参数可选择充电时间、电池温度和电池电压等。大量的调查分析和电池充电试验结果表明，单参数控制方法难以实现理想的分段恒流充电控制。
充电时间参数控制方法简单 ，但电池型号不同、 充电起始状态不同 ，所需的充电时间也不一样 ，如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束 ，容易导致电池过充电或延长充电时间。温度参数控制方法的优点是可实现电池温度过高保护 ，但是由于环境和传感器响应时间延迟的影响，如果仅以电池温度参数作为阶段恒流充电终止判断标准 ，也容易造成电池的过充电。电压参数控制被认为是较好的阶段恒流充电终止控制方法 ，但其不足也是显而易见的 ，比如：不能识别因电池极板硫化而产生的充电电压异常升高以及电池充电过程中出现的异常温升等 ，从而导致电池充电时间延长或电池的损坏。
为了保证在各种情况下均能检测电池的实际充电状态 ，并实现较为理想的阶梯形充电电流曲线 ，本文综合了充电时间、 电池温度和终止电压 3个参数作为各阶段恒流充电终止判断依据 ，其控制流程如图 1 所示。
T —电池温度 ; T0—停充温度 ; I0—最小恒流充电电流 ;t （ n）—第 n 次恒流充电的设定充电时间 ; I （ n）—第n 次恒流充电的设定电流值 ;U （ n）—第 n 次恒流充电的设定终止电压分段恒流充电结束后再进行一段时间的定压充电 ，是为了确保电池能完全充足 。3 个控制参数的具体控制策略如下 。
时间参数控制 ：根据电池容量和充电电流 ，预先设定某段恒流充电的时间 ，当充电时间达到设定值时 ，通过定时器发出信号 ，结束该阶段的恒流充电并自动将充电电流减小 ，进入下一段恒流充电 。
温度参数控制 ： 设定某段恒流充电至可接受电流极限时的电池温度最高值 ，根据温度传感器检测的电池温度来控制充电装置。当外界环境温度较低 、设置的电池最高温度较高时 ，采取控制温升法 ，当电池的温升达到设定值时 ，温控器使充电装置停止充电 ，直到温度下降至适当值时 ，自动进入下一阶段恒流充电 。
电压参数控制：电池的绝对电压可以反映电池的充电情况 ，设定某段恒流充电达到或接近充电可接受电流极限值的电压 ，当电压达到设定值时 ，充电装置便自动结束本阶段恒流充电 ，进入下一阶段。
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