电动汽车充电机充电策略设计

何盼盼，曹以龙

(上海电力学院 电子与信息工程学院，上海 200090)

随着我国能源与环境问题日益严重，国家越来越重视电动汽车的研究，[1]适用于电动汽车的蓄电池种类也越来越广泛，目前迫切希望研究出可针对多种蓄电池充电的通用高效型电动汽车充电机.在已有的充电方式中，恒流充电适用性强，但其前期电流小，充电时间长且能耗高;恒压充电最接近于充电电流曲线，但其前期电流较大，对电池损坏严重;间歇脉冲式充电析气小不发热，大大缩短了充电时间，但控制方法比较复杂.结合各种充电方法的优缺点，设计了一款通用型电动汽车用智能充电机，对于任意类型和任意状态的电动汽车用蓄电池，充电机可以检测其所处的状态，结合电池状态选择合适的充电方式，控制输出电流，有效地减少气体的析出，提高充电效率，减少充电时间，避免蓄电池由于充电电流过大而损坏.

1 充电机总体设计

1.1 充电机主电路设计

充电站主电路设计框图如图1所示，首先从电网上获取三相交流电，经过三相电压型PWM整流器整流以后变成直流，再将直流通过DC/DC变换转化为蓄电池充电所需要的电压值，从而对蓄电池进行充电.

图1 充电机主电路设计示意

1.2 充电方式

本文根据马斯提出的蓄电池最佳充电曲线，结合各种充电方法的优缺点，选择合适的充电方式.在蓄电池充电初期电压较低，可接受的充电电流较大，选择电流较大的恒流(一般为1 C，这里C是指电池容量，例如12 Ah容量的电池用12 A放电则放电率就是1 C)充电保证在较短的时间内获得大量的电量.当电压达到设定值以后改为带放电的脉冲充电(充电电流一般为1～3 C，放电电流一般为2～5 C)，当电池电量接近充满时，改为低恒压充电，以弥补由于蓄电池自放电而减少的电量.结合采用恒流、脉冲、低恒压3种方式对蓄电池进行充电，可有效减少充电时间，提高充电效率.充电曲线图如图2所示.

图2 蓄电池充电电流曲线

1.3 蓄电池剩余电量检测方法

目前已有的剩余电量(SOC)检测方法中放电实验法只适用于电池检修;开路电压法需要较长的静置时间;内阻法精度很难提高;安时法存在累积误差;卡尔曼滤波对噪声有很好的抑制作用.因此本文采用安时法[2]和卡尔曼滤波法[3]结合估算蓄电池SOC可以减少误差，实现最优估算.安时法是最常用的SOC估算方法，已知充电初始电池剩余电量为SOC0，那么当前状态的剩余电量为:

式中:C n——电池额定容量;

i(t)——电池瞬时电流;

η——库伦效率系数.

卡尔曼滤波算法结构流程图如图3所示.

图3 卡尔曼算法结构

SOC为系统状态的分量.对式(1)进行零阶保持采样离散化后得到系统状态方程:

式(2)中z k为k时刻电池的SOC，结合电池的模型预测估计蓄电池电压如下:

式中:yk——电池负载电压;

ik——电池负载电流;

R——电池内阻;

k0，k1，k2，k3，k4——电池模型的模型系数.

结合式(2)和式(3)用卡尔曼滤波法可直接递推估算出蓄电池SOC.

1.4 停充控制方法

在蓄电池快速充电过程中，当电池充满电后，如果仍然继续充电，电池的温度将迅速上升，同时端电压会有所下降，因此为了保证电池既能充足电又不过充电，本文采用温度控制和电压负增量控制相结合的综合控制方法控制蓄电池停充，可简单表述如下:

式中:T——电池温度;

Tmax——电池充满电量时电池的最大温度;

Δu/Δt——电压增量.

2 电池模型

电池模型主要分为内阻模型、阻容模型、动态模型等.本文中选取的蓄电池剩余电量检测中的安时法存在电流积分会产生累积误差，为了尽量减少误差，采用不带有电流积分、同时动静态特性较好的Thevenin电池模型.

其原理如图4所示.

图4 Thevenin电池模型原理示意

其中R0为欧姆电阻，R1为电池极化电阻，C1为电池极化电容，USOC(t)为电池开路电压，U0(t)为蓄电池端电压，Uc(t)为极化电阻两端电压.

其数学关系模型如下:

由式(6)整理得:

则可知:

3 充电机主电路

作为一款通用性的电动汽车充电机，充电主回路主要由三相交流电源、三相电压整流器、DC-DC变化器和蓄电池组4部分构成.由电压电流采样电路采集蓄电池端电压、充电电压以及充电电流模拟信号，处理后传送至CPU(系统CPU采用DSP器件TMS320F2812).由系统CPU估算蓄电池剩余电量，设定相应 PWM参数，改变占空比从而改变IGBT的导通以及关断时间，调整充电模式.[4]

这里使用软启动技术使充电电压平滑变化，避免由于充电方式的转变对蓄电池造成损坏.充电机主电路如图5所示.

图5 充电机主电路示意

4 系统软件设计

如上文所述，系统的充电控制由TMS320F2 812芯片实现，对充电电压、充电电流、蓄电池的端电压和温度等进行采样分析和处理，通过处理过的电流电压温度等信号，判断应用何种充电方式，实时调整电路开关IGBT的占空比，控制充电电流大小与时间.[5]控制流程如图6所示.

图6 动力电池充电软件流程

5 实验结果

根据上述通用型电动汽车充电机结构，在Matlab/Simulink中对其进行仿真，设定电池额定电压为12 V，电池额定容量为27 Ah，初始剩余电量为零，开始时使用27 A恒流对其充电，当电池电压达到设定值13.4 V(这里电压设定值为经验值)，转化为正脉冲为54 A的脉冲充电.充电蓄电池剩余电量随时间变化以及电池电压随时间变化曲线如图7所示.

图7 蓄电池剩余电量、电压随时间变化曲线

6 结语

本文设计了蓄电池快速充电的总体方案.用Matlab软件搭建了蓄电池快速充电模型，仿真结果表明，选用恒流充电与脉冲充电以及低恒压充电相结合的方法可有效节省蓄电池的充电时间.

[1]鲁莽，周小兵，张维国.内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力，2010，5(23):16-20.

[2]何永学，郑敏信.基于STM32电池管理系统的SOC估算方法研究[J].电力电子技术，2014，4(48):27-30.

[3]周凯.电动汽车动力锂离子电池SOC检测技术的研究和开发[D].广州:华南理工大学，2012.

[4]蔚兰，岳燕，刘启中，等.电动汽车蓄电池充放电装置控制系统设计[J].电力电子技术，2009，43(9):69-71.

[5]王迎迎，冯冬青，赵洪蕊.通用型电动汽车蓄电池智能充电机设计[J].电源技术，2011，8(35):922-925.