电动汽车用铅蓄电池组的智能充电概要

1、收稿日期:2007-12-03基金项目：重庆自然科学基金资助项目（CSTC,2005BB6171.作者简介:苏玉刚（1963，男，辽宁大连人,博士,副教授，主要从事电子技术及应用 研究电动汽车用铅蓄电池组的智能充电苏玉刚1,夏永峰1,陈强2,杜伟炯1（1.重庆大学自动化学院，重庆400044; 2重庆市住房公积金管理中心，重庆 400015摘要:针对电动汽车用铅酸蓄电池的电压、内阻、容量的不一致性导致了使用 过程中其性能参数差异变大，铅酸蓄电池寿命缩短、大量析气，并造成电动汽车性能 下降的问题，通过研究充电技术的难点，分析国内外现有的智能充电方法，并进行了- 些改进，提出了更为完善的智能充电方

2、法给出了该方法的设计思路、设计框图、硬 件电路，进行了仿真，结果表明，采用该方法较好地解决了充电过程中的均衡性和快速 性问题.关键词:电动汽车；铅酸蓄电池组；智能充电中图分类号:TM910文献标识码:A文章编号:1671-0924（200802-0006-04In tellige nt Charge Method of VRLA Batteries for Electrical VehiclesSU Yu gang 1,XIA Yo ng feng 1,CHEN Qia ng 2,DU Wei jio ng 1（.College of Automatio n,Cho ngqi ng Uni v

3、ersity,Cho ngqi ng 400044,Chi na;2.The Hous ing Fund Man ageme nt Cen ter of Chongqin g,Ch ongqing 400015,Chi naAbstract:The incon sta ncy of the VRLA in electro nic vehicles voltage,i nside resista nee and capacity causes the great differe nces of performa nee parameters,the shorte ning of VRLA bat

4、tery life and the large a mount of conden sate gas lead ing to performa nee decrease of electrical vehicles.Through research ing on the difficulties of power charge,a nalyz ing in tellige nt charge methods in the world and making some improve ments out of them,this paper brings for ward a better int

5、elligent charge method and gives the desig n idea desig n block diagram and circuit diagra m,and con ducts simulation,which better solves the proble ms of rapidness and equilibrium during chargi ng.Key words:electrical vehicle;VRLA batteries;intelligent charge 由于电动汽车通常 需要数10节蓄电池进行串联供电(如美国通用电动汽车S-10E

6、 V,配铅酸蓄电池 12(V/块!26块=312V;广东云山汽车厂改装的电动中巴6600EV,配国产铅酸蓄电池6(V/块!40块=240V,因此必须考虑电池充电的均衡性和快速性问题.而目前市面 上的充电装置要么针对单节电池充电，没有考虑均衡性，要么只对小容量电池充电，没 有考虑快速性1.本研究第 22 卷第 2 期 Vol.22 No.2重庆工学院学报(自然科学Jour nal of Chongqing In stitute of Tech no logy(Natural Scie nee2008 年 2 月 Feb.2008通过分析充电技术的难点和国内外现有的智能充电方法，提出了更为完善的智

7、能充电方法.仿真实验表明，该充电方法可更好地实现快速充电，同时均衡性好,蓄电池 的使用寿命延长.1铅蓄电池的充电特性铅酸蓄电池的充电接受能力是指其电解液在只产生微量析气的前提下所能够接 受的最大充电电流.1967年美国的马斯(J. A.Mas经过大量的试验提出了蓄电池充电 的可接受定律2:I =I 0e-at(1;a为衰减其中:I 0为当t =0时的最大起始电流；I为任意时刻可接受的充电电流 率常数，即充电接受比.铅酸蓄电池可接受充电曲线如图1所示Y图1铅酸蓄电池可接受充电曲线从铅酸蓄电池的可接受充电曲线可以看出，铅酸蓄电池对充电电流的要求比较 苛刻,超过这一接受曲线的任何充电电流，不仅不能提

8、高充电效率，而且会增加析气小 于这一接受特性曲线的充电电流，便是蓄电池具有的储存充电电流，该电流称为蓄电 池的充电接受电流.但充电电流最好能拟合这条曲线，否则充电时间会过长而如果充 电过程中始终保持可接受的充电电流，则电池尚需充电容量可以由式（2求出：C =?#I d t =I 0?#e -a td t =I 0/a（2由式（1得:a =I 0/C（3从式（3可知，一节蓄电池只要开始充电，那么它的I 0就确定了，随着充电的进行, 尚需充电容量C会越来越小，那么a会越来越大，从式（1可以看到,1是a和t的函数,由于2 个变量决定一个未知数，所以无法时刻追踪I的值，因此在实际充电过程中要拟合这 条

9、曲线几乎不可能为了既保证充电的快速性又不让其产生大量气体而缩短使用寿 命，只有打破这条曲线，在充电过程中适时地进行去极化2铅酸蓄电池组充电中需要解决的关键技术铅酸蓄电池组在快速充电过程中面临着 2个关键技术：怎样解决充电快速性3和充电均衡性4快速充电指的是用1C（C指的是待充蓄电池的额定容量以上的电流对蓄电池进行充电，并在充电过程中保证不产生大量气 体、温升不过高.如果在快速充电过程中不限制气体的过量析出和温度的上升，将对蓄电池造成无法补救的损害，直接影响铅蓄电池的使用寿命在？电动汽车用密封铅 酸蓄电池技术要求和检验方法 中，对蓄电池的均衡性做了如下要求：由若干单体电 池组成的蓄电池组，在充电

10、过程各单体电池的端电压最高与最低差值不大于20mV.如果不对其采用均衡充电，那么在多次充放后将造成蓄电池的充电不均，最终减少使 用寿命.3改进的智能充电方法为了解决快速性与均衡性2个技术难点，可以从蓄电池的内部化学特性入手电 池的极化由3部分构成:&欧姆极化；?电化学极化；（浓差极化.前面2种极化只需 电池的电流下降到足够小或停止即可在毫秒或微秒内减小或消除而浓差极化的消除，不能单从短时间内（毫秒级或微秒级降低电流或反向脉冲放电去极化，唯一切实可 行的办法就是在一定长的时间内（秒级以上维持一定电场，在小电流作用下，靠离子非 线性浓差扩散达到稳态消除极化.为此，可以编写充电的控制程序，使

11、其在充电过程中 维持一定电场，适时地改变充电电流，在一定时刻以一个小电流给蓄电池充电，消除浓 差极化，同时给予毫秒级的充电7苏玉刚，等:电动汽车用铅蓄电池组的智能充电间隙,消除欧姆极化与电化学极化（毫秒级的停充不会对整个充电过程的时间造 成影响.在充电时，铅酸蓄电池的端电压为U=E+E n(4其中:U为铅酸蓄电池的端电压;E为铅酸蓄电池的电动势;E n为极化 电压降建立的铅酸蓄电池的等效网络模型如图2所示，充电电流为1=10+1 g(5其中:1为铅酸蓄电池的充电电流；10为铅酸蓄电池的实际充电电流；l g为电解水产生气体的电流图2铅酸蓄电池等效模型在充电过程中适当的加入小电流，充电电流I减小、

12、电解液温度T由于I减小也 会下降(满足快速充电温升不过高的要求，而蓄电池内阻R0= f(T,l,即是I,T的正相关 函数,因此也会减小，而E n=IR0,当然会显著减小，达到消除极化电压降的效果；同时由 于蓄电池的端电压U在维持一定电场的情况下增大，那么蓄电池电动势E将增大，等 效电阻R、等效电容C是一些定值，那么实际充电电流10将增大.由式（5可以得出, 用于电解水产生气体的电流I g将减小，使得析气反应变得很微弱，满足快速充电过 程中不大量析气的要求.在均衡问题的解决上，采用无损型电流分流电路的电池均衡法6.无损型电流分 流电路能够将充电电流从已经充满的电池单元中分流至下一电池单元处 ，即

13、将充满 的电池单元从充电回路中分离出去，这样就能使余下的电池继续充电达到满充，已经 满充的电池不会发生过充.设计框图如图3智能充电设计本仿真研究以3节蓄电池为例.电池组接入充电系统后，首先对各个电池的端电 压进行监测，当电池端电压达到下限阀值时，进入快速充电阶段，否则进行涓流充电在 快速充电过程中，单片机发出指令，调节PW M波的占空比，进而控制B UC K电路中 开关管的关断时间，使之实现大电流恒流充电、小电流恒流充电，以及间歇性停充，满 足快速充电的要求.铅酸电池组的智能充电具体均衡过程如图4所示.图4无损型电流分流均衡电路当1号电池的端电压大于2号电池的端电压时,Q1被触发,Q1开通时,

14、1号电池 的能量被储存在L1内;而当1号电池的端电压小于2号电池的端电压时,Q1关断,同 时丄1,B T2,D1构成回路丄1为了续流，将使能量转移到B T2上,其他电池同理.这样, 表面上好像能量只在相邻的电池之间进行传递，但实际上是通过相邻的电池间接地使整个电池组达到能量均衡.当有电池先达到下限阀值或者上限阀值时，单节电池并 联和串联的继电器用于控制8重庆工学院学报快速充电、均衡充电、涓流充电过程的切换4系统仿真与分析本研究用PSIM对上述均衡模块进行仿真，在图4中，由于PSI M中没有电池模 型，因此用电容串联小电阻（约0.1来代替7（理想电池内部可以用电容串联小电阻来等效，在PSI M里

15、对快速充电进行了仿真，蓄电池等效内 阻R 0设为0.1，电动势设为2V,等效电容C、等效电阻R分别设为50U,100用来代替实际的电池.析气部分用一电阻代替，米用小电流充电去极化，电流I设为0.22A. 仿真波形如图5所示-IJM)-2.00 .;.0.00034)1.001.502.00tJt板祀电n障*軒乜电汎夏也蠅0.00 Q IA 0.200 300,40图5快速充电仿真波形其中:VP 1为极化电压降E n ;I 1为析气电流I g ;V P 2为蓄电池端电压U.当采 用小电流充电时，极化电压降E n最终下降为零，析气电流I g也最终下降为零，而蓄 电池端电压U在13.515V的析气阶

16、段上升，斜率趋缓.由此可以证明维持一定电场 的小电流充电能够有效地消除极化，抑制大量析气,有利于快速充电且能保证蓄电池 的寿命.3个电容的初始电压值分别设为13V,12V,11V,电感值设为1000 H,反激式变压 器的原、畐边匝数比为1? 3,功率管开关频率设为20kHz,用f =50kHz,D =0.4的触发脉冲进行触发.3个电池的端电压分别为 VP 1,VP 2,VP 3,仿真波形如图6所示乙dAldM*30ri胡囲即!ut Homwv icscuhcqYH 轴35图6均衡充电仿真波形图6中采用的是LM339比较单体电池的端电压，再由单片机发出信号控制开关 的通断,3节电池分别从13V,

17、12V,11V开始，在一定时间内趋于一致,由此可以得出此 种方案的均衡性能满足要求.5结束语通过分析蓄电池的充电特性，提出了一种较理想的充电方案，它能保证电池组在 快速充电过程中电压趋于一致，满足蓄电池的充电特性并延长其使用寿命.参考文献:1 吴敬民电动汽车用蓄电池的充电方式对电池性能的影响J.蓄电池,2002,2(3:62-64.2 朱松然.铅蓄电池技术M.北京:机械工业出版社，2002:315-320.3 毕大成，周希德.电动汽车铅酸蓄电池快速充电方法的研究J.电源技术,2000,24(3:159-161.4 麻友良，陈全世.铅酸电池的不一致性与均衡充电的研究J.武汉科技大学学报：自然科学版,2001,24(1:48-51.5 Tomohiko I.Chargin g operation with high energy efficiencyfor electric vehicle valve regulated lead acid battery s