蓄电池大电流安全快速充电方法

郑向歌， 冯冬青， 范玉超

(郑州大学电气工程学院，河南郑州 450001)

随着人们生活水平的提高，汽车保有量急剧增加，引发了环境污染和能源短缺等一系列问题。为了保护环境、节约能源，世界各国都在积极研发清洁的电动新能源汽车。我国是世界第二大CO2排放国，而汽车尾气排放占CO2排放总量的15.9%，可见中国面临更大的碳减排压力。推动新能源汽车发展是我国的必然选择。长期以来由于技术条件的限制，传统的充电技术具有充电时间长、效率低、安全性差等诸多缺点，成为制约电动汽车推广的一个瓶颈。另外，蓄电池不宜采用大电流充电的传统观念也限制了蓄电池快速充电技术的发展。因此，如何更新观念，实现快速、高效、微损地对蓄电池充电，是实现电动汽车快速发展亟待解决的问题[1]。电动汽车动力源是由多节单体电池串联组成的电池组。在电池组中，各单体电池必然存在个体差异。如果不在充电过程中采取均衡措施，会导致部分电池过充或欠充，致使电池组性能降低、电池组寿命缩短。

1 研究背景

1.1 快速充电的好处

目前电动汽车的主要缺点是：续行里程短，充电时间长。要缩短充电时间必然要增大充电电流，然而在传统观念上，大电流充电会对蓄电池造成损害，缩短使用寿命。然而，最新研究证明，短时的快速充电对蓄电池非但没有伤害，反而有诸多好处[2]。

1996年，奴尔对霍克公司的G12V190W15SP型阀控铅酸蓄电池进行的快速充电实验结果表明，蓄电池在采用大电流充电时，缩短了充电时间，库仑效率和能量效率都比正常充电要高，并且温升也在安全范围内。1997年格里菲茨(Griffith)进行的连续快速充电实验证明了快速充电能实现延长行驶里程的作用，并且不会对电池造成损害。加拿大Cominco公司对瑞典Optima公司的卷绕式阀控铅酸蓄电池进行的快速充电和常规充电对循环寿命影响的对比实验，也充分证明了快速充电可以延长蓄电池的循环寿命。最近在江西宜春也进行有示范实验，表明快速充电对蓄电池容量有激活和恢复作用。

1.2 快速充电方法分析

蓄电池的充电可分为慢充、中充和快充。慢充是指充电电流限制在0.15C～0.3C，充电时间8～10 h，将蓄电池充电到充满状态；中充是指充电电流限制在1C左右，充电时间半小时左右，充入容量50%左右；快充是指充电电流可达5C～12C，充电时间为几分钟，相应充入容量为30%～50%。本文则主要是针对在电动汽车行驶过程中的快充充电方式进行研究。目前常见的快速充电方式主要有以下的几种[3]。

采用1C以上的大充电电流恒流充电，用充电时间或充电电压控制终点。这种快速充电方法控制技术简单；但是充电时间较长，充入容量较少，效率低，后期充电电流过大，析气多、温升大。

由于蓄电池以最低出气率为前提的可接受最大充电电流是以指数规律下降的，所以可以采用多阶段恒流的方法，使充电电流随充电时间尽可能地逼近可接受的充电电流，可使时间尽可能地缩短。但是，各阶段结束标准较难确定。

恒定电压充电法是指在充电过程中以恒定电压对电池进行充电。恒压控制系统结构简单而且充电电流变化与可接受充电电流变化一致；但在充电初期，电池电动势较小而充电电流过大，使电池温度上升过快，影响电池性能。

在充电电流逼近电池可按受电流的基础上，可采用脉冲电流对电池充电。脉冲充电方式有正脉冲充电和正负脉冲充电两种方式[4]。此方式可有效地减缓电池温升，减小内阻，有明显的去极化作用，可提高电池接受充电的能力。但是这种充电方式充电时间长；另外谐波成分大，对电网和环境造成不利影响；控制起来也非常复杂。

1.3 均衡控制分析

由于电动汽车电池组中各单体电池存在着参数的差异，在对电池组充电时，以容量大的电池充满为依据，会导致容量小的电池过充电，对电池造成损害；反之，以容量小的电池充满为依据，则会导致容量大的电池欠充电，缩短续行里程[5]。电动汽车电池组需要频繁地充放电，随着充放电次数的增多，各单体电池的不均衡将加剧，造成整个电池组性能明显恶化，这就需要在充电过程中进行均衡控制，使各单体电池达到均衡状态。

目前，均衡控制方法主要分能量耗散式和非能量耗散式[6]。能量耗散式是指将电池组中电压较高的电池进行放电来实现均衡。常使用的方法是每一个电池并联一个分流电阻，利用分流开关控制。在充电过程中，当某个电池电压偏高时，其分流开关闭合，电池进行分流。这种方法结构简单容易实现，但分流电阻始终在损耗能量，并且对于电动汽车蓄电池其充电电流比较大，能量损耗就越发严重，能产生较多热量。在能源问题日益严峻的今天，这种方法的劣势就更加明显。目前用的比较广泛的非能量耗散式的基本原理是将能量从电压高的电池转移到相邻电压较低的电池上。拓扑结构主要采用的是Buck-Boost结构和Cuk结构[7]。Buck-Boost结构简单，但是其输入、输出电流是不连续的，因此一般都需要附加一个输入/输出低通滤波器，能效低。而Cuk结构是在Buck-Boost结构的基础上产生的，其自身的电容、电感就起到了滤波的作用。总体来看Cuk结构无需附加滤波器，要比Buck-Boost结构使用方便，能效高。

2 带均衡控制的蓄电池大电流安全充电方法

2.1 充电方法设计

根据上述对常见快速充电方法的讨论可见，各种充电方式都有其优缺点。为了提高蓄电池的充电速度，必须增大充电电流。然而，出气率对于蓄电池安全、性能起着决定性的作用。20世纪60年代中期，美国科学家马斯(J.A.MAS)提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，即任一时刻蓄电池能接受的充电电流服从I=I0exp At，其中I0为初始充电电流；A为充电接受比；t为充电时间[8]。电池可接受充电电流特性曲线是随时间按指数规率下降。实际充电电流大小如果超过这一条可接受特性曲线，会导致电解液反应，大量析气、增大压力和温升，甚至会引起爆炸等严重后果；而小于这一接受特性曲线，则会延长充电时间，达不到快速充电的目的。所以，本文就采用分段恒流的方法对蓄电池进行充电。

采用分段恒流充电方法需要解决的一个重要问题就是选择什么参数作为阶段结束的判断依据。虽然可接受充电电流是随时间成指数下降的，但是由于不同电池初始状态、充电参数等的不同，如果选用时间作为判断参数容易造成电池过充或欠充。电池的电压同充入电池的能量具有密切的关系，所以本文就采用电池电压作为判断参数。另外，在充电过程中如果电池温度过高，就会导致电池损害、爆炸等后果，所以在充电过程控制中添加当温度超过阈值的过温报警和强制停充一段时间。

另外对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池进行充电时，一开始就采用大电流充电，会影响电池的寿命[9]。为了解决这问题，要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使蓄电池电压上升，当电压升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电至电池容量的50%～80%。

根据上述分析，本文的充电过程可以用如图1所示的流程图表示。在图1中，U为电池电压；I为充电电流；U0为小电流充电电压阈值；I0为小电流充电电流；I(n)为第n阶段充电电流；U(n)为第n段中止电压；U(n)max为第n阶段终止电压值；Umax为可允许最大电池电压；T为电池温度；T0为电池允许最高温度。

2.2 均衡控制设计

根据上述对均衡控制的分析，本文采用的Cuk结构能量转换式均衡控制方法，其结构图如图2所示。如果图2中控制单元检测到电池B1的电压比电池B2的电压高，则能量需要从电池B1转移到电池B2。控制单元会发送PWM信号给S1，S2保持断开。假设S1导通时间为Ton，断开时间为Toff。

(1)在Ton期间，S1导通，B1转移能量到L1，电容C1放电储存能量到L2中同时给B2充电。

图1 快速充电流程图

图2 Cuk结构均衡控制结构图

(2)在Toff期间，S1断开，此时B1和L1释能给C1，同时L2释能给B2。

由此可知，S1无论在Ton还是Toff，B1都在向B2转移能量，体现了Cuk拓扑的高效率，电容C1是能量转移的载体，在整个周期T中输入输出都是持续电流。反之，若MCU检测到VB2＞VB1，则向S2发送PWM信号，S1保持关断，B2向B1转移能量[3]。

电动汽车蓄电池组是由很多单体电池组成的，为了达到充电均衡的目的，理论上需要在每两个电池组之间都安装均衡装置，但这样就会出现安装成本提高，充电装置体积大，使用不方便，充电效率低，维护麻烦，充电时间长等问题。所以，在本文的均衡控制中，首先将若干个电池单体构成小电池组，然后将均衡装置用于各个小电池组之间。这样处理，尽管均衡效果比在任意每两个电池单体间都安装均衡装置差点，但是在充电效率，充电时间，安装使用等方面具有很大的优势。

2.3 系统总体设计

根据上述的分析，带有均衡控制的蓄电池大电流智能充电系统是由温度、电压采样模块、A/D转换模块、高温报警模块、充电控制模块和均衡控制模块等共同组成，其总体结构图如图3所示。

图3 系统总体设计

3 仿真结果与分析

为了验证本文所设计的快速充电方法在实际应用中的可行性，本文对多块12V、17 Ah的HR型铅酸蓄电池利用本文所述方法进行充电实验。充电实验结果如表1、表2和图4所示。

表1 本文所述充电方法与恒流充电方法比较实验结果

表2 利用本文所述充电方法充电实验结果

根据表1中的实验数据，可见在采用同样大小的初始充电电流时，本文所设计的分段恒流充电方法在安全性有很大优势。主要表现在电池温升小，出气总量比较低，这样也会使充电效率提高。

从表2中不同初始充电电流下的充电情况可见，随着初始充电电流的增大，充相同电池容量所花费的时间越来越短，甚至可在9m in内充回80%的电池容量，并且电池析气量并不是很大。另外，由于过温报警装置，电池温升也处在安全范围之内。充电过程的能量利用率也会随着初始充电电流的增大而提高。不过明显可见，电池温升和出气量和初始电流大小是呈正相关的，所以，初始电流也需要控制在一定范围之内。

图4中带有均衡装置与不带有均衡装置在同等充电环境下的充电效果比较可见，均衡装置可使带有差异的电池单体在充电过程中趋于平衡，然而没有均衡装置则会随着充电进行，电池单体之间的差异则会加剧。这也证明了均衡装置对于电池组充电的必要性以及本文所设计均衡方法的有效性。

图4 带均衡装置与不带均衡装置充电效果比较图

4 总结

首先对当前电动汽车充电现状以及传统充电方式和均衡控制方式进行比较和分析，综合考虑其优缺点，打破传统观念，提出了新颖的带有均衡控制的大电流智能充电方法。另外，为了保证充电的安全性，还增加了高温报警装置。最后，设计合理的比较实验，从而验证了本文所设计的充电方法在安全性、快速性、能效性方面都具有很大的优势。另外，均衡控制保证了在充电结束时各电池能达到均衡状态。增加的高温报警装置也能时刻监控充电过程，保证充电过程的安全。综上所述，本文所设计的充电方法具有很强的科研与实用价值。

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