電動汽車鉛酸蓄電池智能充電及其策略

摘要 為提高電動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)計方法，完成各功能模塊設(shè)計，以及利用數(shù)字PI算法實(shí)現(xiàn)分階段電流恒定。實(shí)驗證明，采用新型控制策略的智能充電系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行充電，減少了充電時間，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

隨著石油能源不斷消耗，電動汽車以其節(jié)能環(huán)保特性被世界各國研究和推廣。然而動力電池一直是制約電動汽車發(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)成為電動汽車的主要動力設(shè)備。但若蓄電池使用不當(dāng)，其壽命會大大縮短。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，充電過程對電池壽命影響最大，放電過程影響相對較小。因此充電系統(tǒng)，對蓄電池的壽命起決定性影響。
傳統(tǒng)的充電方法是通過加大充電電流，達(dá)到快速充電的目的。但大電流充電必然會導(dǎo)致蓄電池過流、過溫、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，雖然對蓄電池壽命影響較小，但充電時間會相對延長。為解決充電時間與電池壽命的矛盾問題，通過對蓄電池充電過程內(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為任意時刻t時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汽車大會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：對于任何給定的放電深度，一個蓄電池的充電接受率a和放電電流Id的對數(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：一個蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個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，在充電過程中，當(dāng)充電電流接近蓄電池可接受充電電流曲線時，適時的停止充電，并在停止過程中加入放電脈沖，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)驗以12 V／12 AH鉛酸蓄電池為對象，設(shè)計的充電控制策略，將充電過程分為三個階段：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，充滿電時端電壓約為14．7 V，放完電時端電壓約為10．8 V，充放電過程中電池溫度若達(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。