正负脉冲式电动汽车快速充电站的研究

罗书克 张元敏

(许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000)

正负脉冲式电动汽车快速充电站的研究

罗书克 张元敏

(许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000)

随着低碳经济的发展，电动汽车逐渐进入家庭，做为智能电网一部分的电动汽车快速充电站的研究倍受青睐。在原来研究电力电池的基础上，依据马斯三定律提出了正负脉冲式快速充电技术。给出了快速充电站的主电路和控制方法。电路具有结构简单，成本低，工作可靠等特点。通过试验验证了该方法在加快充电速度节省充电时间及提高充入容量方面有明显的改善。

电动汽车 正负脉冲 蓄电池 快速 充电站

0 引言

目前，铅酸蓄电池仍然为电动汽车用蓄电池首选之一［1］，主要原因得益于铅酸蓄电池的以下特点:技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应［2］。电动汽车用蓄电池由于其工作环境的特殊性决定其自身的特性不同于一般蓄电池的特性，由于电动汽车经常处于起动、加速、爬坡、下坡、减速等工作状态，使得蓄电池频繁处于瞬间大电流放电状态，有时处于反向充电状态，长时间工作在中等电流放电状态，而中等电流放电状态的全过程也不为恒电流过程［3］。其特殊的放电过程要求电动汽车充电站的充电过程和充电状态不同于常规电池的充电状况，它应具有充电速度快、充入容量高以及对蓄电池使用寿命影响小、甚至可以对电池进行维护等特点。

在蓄电池充电过程中，电荷堆积于电池电极上而产生反向电压，实际上表现为电池内阻的增加;同时，随着电池的使用，电池内部电极上附着的硫化物会逐渐增多，造成电池内阻逐渐增大。这两种因素影响了充电速度与质量。消除它们的有效方法是采用负脉冲方法，在电池两端瞬间放电去除电极上堆积的电荷，从而改变蓄电池固有的指数曲线形式的充电接受特性，提高电池的受电能力［4，5］。

1 正负脉冲充电理论

铅酸蓄电池的充放电电流一般是由其本身的容量决定的，在室温情况下其充放电额定电流为额定容量的0.1倍。随着环境温度的变化以及电池自身的差异，充放电电流会有不同的变化，但都满足1972年美国科学家马斯提出的马斯三定律［6］。即

(1)对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比，即

式中:K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定;C为蓄电池放出的容量。

由于蓄电池的初始接受电流I0=aC，所以

(2)对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即

式中:K2为放电量常数，视放电量的多少而定;k为计算常数。

(3)蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和，即

式中:I1、I2、I3、I4…为各个放电率下的允许充电电流。

综合上述三定律，可以推出，蓄电池的总电流接受比可表示为

式中:Ct=C1+C2+C3+C4+…为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。

综上可知，蓄电池在充电过程中，当充电电流接近其固有的微量析气充电曲线时，适时地电池进行反向大电流瞬间脉冲放电(如图1所示)，能够去除正极板上的气体，并使氧气在负极板上被吸收，可以提高蓄电池的充电接受能力。也就是说在充电过程中加入负脉冲，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即α值增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间，这个过程还可以降低电池内部温度、压力、阻抗，减少能量损耗，使电能更有效地转化为化学能并储存起来，提高了充电效率和蓄电池的充电接受能力。

图1 正负脉冲式充电曲线

2 最大充电电流的确定

在蓄电池充电过程中，并不是任何情况下任意大小充电电流都能接受。研究表明，如果在充电过程中保持等量、微量的气体析出和稳定的温升，则充电曲线是一条指数曲线。即:

式中:I0为最大初始电流;a为充电接受率;C为蓄电池额定容量。

根据上式，蓄电池最大充电电流曲线如图2所示，这是一条自然接受曲线，如果充电电流位于曲线的右侧，也就是充电电流大于可接受电流，则会导致电池内部产生电解水;如果充电电流位于曲线的左侧，此时的充电电流均为充电可接受电流。

图2 蓄电池充电接受曲线

3 充电站主电路设计

充电站主电路的结构框图如图3所示。

图3 主电路结构框图

主电路主要包括整流滤波电路、DC/AC变换电路、高频变压器、整流电路和负脉冲及放电电路。

3.1 整流滤波电路

图4中采用了全桥整流电路，电阻及并联的开关起软启动作用，当刚上电时，开端断开，电流通过电阻向电容充电，当充电电压达到一定值时，开关闭合，把电阻旁路掉，从而可降低工作过程中能量的损耗。

3.2 电能变换电路

该部分包括DC/AC变换电路、高频变压器及整流电路。其电路图如图5所示。

图4 整流滤波电路

图5 电能变换电路

图5中Vi为整流电路的输出电压，S1－S4位MOSFET电路，并联的二极管为MOSFET内部寄生二极管，C1～C4为MOSFET的输出结电容。为了降低功率元件的开关损耗，采用了移相全桥零电压开关PWM电路［7］。Lr为谐振电感。变压器输出采用全桥整流，经LC滤波输出直流电压VO，RL为输出负载。

3.3 负脉冲及放电电路

充电过程中，为了消除大电流快速充电在电池内部产生的气体，充电过程中需要在每个周期中加入负脉冲，同时该电路还可以完成蓄电池核对容量性放电、蓄电池活化等功能。图6中T采用了MOSFET。

图6 负脉冲产生电路

4 控制电路设计

控制电路包括充电触发脉冲和负脉冲触发脉冲产生电路，采样和AD转换电路［8，9］。

4.1 正负触发脉冲产生及AD转换电路

正负脉冲触发产生电路分别采用IXDP610和TLP520。

图7 脉冲产生及转换电路

4.2 采样电路

采样电路一共三路，分别为电压电流和电池内部气体析气量等采样电路。

图8 采样电路

5 主程序设计

软件主要包括了主程序、定时中断程序、串口通讯程序、显示程序和输入程序等部分。这里仅给出主程序流程图，其它部分程序为通用程序，不再给出。

主程序主要完成充电站充电电压和充电电流以及负脉冲的大小。其流程图如图9所示。

6 实验结果

实验中采用一组电动汽车常用动力型铅酸蓄电池(12V 100Ah 10只电池)进行充放电，其结果如表1所示。

图9 主程序流程图

表1 实验结果

从实验结果可知，对于同一组电池，当采用正负脉冲快速充电站时，其充电时间大大缩短，同时其充入有效容量也又明显提高。

［1］陈清泉.现代电动汽车技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2004:7－9.

［2］朱松然.铅蓄电池技术［M］.第2版，北京:机械工业出版社，2002:43－55.

［3］包有富，尹鸽平，童一波，等.深循环用铅酸蓄电池充电模式的探索［J］.电池，2002(1):30 －31.

［4］冯仁斌，魏晓斌，胡恒生，等.铅酸蓄电池的快速充电［J］.电源技术，2003 ，27(1):72 －74.

［5］吴寿松.谈铅酸蓄电池的充电接受率［J］.电池，2005，35(5):388－389.

［6］萍等.基于马斯理论的蓄电池充电电流衰减指数研究［J］.湖南大学学报(自然科学版)，2008，35(10):26－30.

［7］杨 旭.移相全桥零电压PWM软开关电路在通信开关中的应用［C］.电源技术会议论文集.1997:193 －198.

［8］ ee Fred C.High-frequency Quasi-resonant Converter Technologies［A］.IEEE，Proceedings(ISSN 0018 －9219)［C］.1998.76:377 －390.

［9］ Chih-Chiang Hua and Meng-Yu Lin.A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles.ISIE＇2000，Cholula，Puebla，Mexico:135－140.

Study of Fast Charging Station for Electric Cars Based on Positive and Negative Pulse

Luo Shuke Zhang Yuanmin

(Collegeofelectrical＆informationengineering，XuchangUniversity，XuchangHenan461000，China)

With development of low-carbon economy，electric vehicles gradually into the home，fast charging stations for electric cars acclaimed as part of smart grid.Based on study of the battery power，according to Maas Lawsmade fast charging technology of positive and negative pulse.Themain circuit and controlmethod Fast of charging stations are given.The circuit has a simple structure，low cost，reliable.Themethod is verified by experiment to speed up the charge rate，save charging time and increase the filling capacity have significantly improved.

Electric Cars Positive and Negative pulse Battery Fast Charging Station

TM921.1

A

1000－3886(2011)04－0072－03

2010－12－31

罗书克(1976－)，男，硕士，讲师;研究方向:主要从事控制理论与控制工程和电气传动及自动化方向的研究。