鉅大LARGE | 點擊量：857次 | 2021年08月08日
電動汽車電池包分段恒流充電智能化控制辦法
【電源網(wǎng)】電動汽車用電池的快速充電是電動汽車研究與開發(fā)過程中的緊要課題。盡管許多實用化的充電設備或商用充電器具有快速充電及均衡充電的功能，但其通常是按事先設定的充電電流對電池進行充電。這種辦法不能依據(jù)電池充電過程中的詳盡情況對充電電流進行調(diào)整，為了戒備出現(xiàn)過充電，設定的充電電流通常偏小，因此充電時間依然較長，而且由于不具備自適應能力，充電過程中容易出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，對蓄電池的壽命不利。為了在實現(xiàn)快速充電的同時又不影響電池壽命，關鍵是要使快速充電過程具有自適應性，即依據(jù)電池的實際狀態(tài)自動調(diào)節(jié)充電電流的大小，使其始終保持在充電可接受電流的臨界值附近。為此，本文在電池快速充電理論基礎上，對分段恒流充電辦法進行了實驗研究，以期實現(xiàn)動力鋰離子電池的智能化快速充電和均衡充電。
1電池快速充電的分段恒流控制
1.1快速充電辦法的選擇
增大充電電流，電池極板上單位時間內(nèi)恢復的活性物質(zhì)增多，充電時間就可縮短,但過大的充電電流會損害電池。電池可接受的充電電流是有限的，且會隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降。在電池充電過程中，充電電流曲線在該指數(shù)函數(shù)曲線以上時會導致電池電解液發(fā)生析氣反應(過充電)，反之則不能有效縮短充電時間。理想化的電池快速充電過程是充電電流始終保持在電池充電可接受電流的極限值，即充電電流曲線與該電池的充電可接受電流曲線相重合。本文選擇容易實現(xiàn)的分段恒流充電辦法。其關鍵是要確定適當?shù)姆侄魏懔鞒潆娊K止判斷標準、恒流充電分段數(shù)和各階段恒流充電電流值。
1.2分段恒流充電控制辦法
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
要實現(xiàn)分段恒流充電的自動控制，階段恒流充電終止判斷參數(shù)可選擇充電時間、電池溫度和電池電壓等。大量的調(diào)查分解和電池充電實驗結(jié)果聲明，單參數(shù)控制辦法難以實現(xiàn)理想的分段恒流充電控制。
充電時間參數(shù)控制辦法簡單,但電池型號不同、充電起始狀態(tài)不同,所需的充電時間也不相同,倘若單以充電時間來控制階段恒流充電的結(jié)束,容易導致電池過充電或延長充電時間。溫度參數(shù)控制辦法的優(yōu)勢是可實現(xiàn)電池溫度過高保護,但是由于環(huán)境和傳感器應和時間延遲的影響,倘若僅以電池溫度參數(shù)作為階段恒流充電終止判斷標準,也容易造成電池的過充電。電壓參數(shù)控制被認為是較好的階段恒流充電終止控制辦法,但其不足也是顯而易見的,比如:不能識別因電池極板硫化而出現(xiàn)的充電電壓異常升高以及電池充電過程中出現(xiàn)的異常溫升等,從而導致電池充電時間延長或電池的損壞。
為了保證在各種情況下均能測試電池的實際充電狀態(tài),并實現(xiàn)較為理想的階梯形充電電流曲線,本文綜合了充電時間、電池溫度和終止電壓3個參數(shù)作為各階段恒流充電終止判斷根據(jù),其控制流程如圖1所示。
T—電池溫度;T0—停充溫度;I0—最小恒流充電電流;t(n)—第n次恒流充電的設定充電時間;I(n)—第n次恒流充電的設定電流值;U(n)—第n次恒流充電的設定終止電壓分段恒流充電結(jié)束后再進行一段時間的定壓充電,是為了確保電池能完全充分。3個控制參數(shù)的詳盡控制策略如下。
時間參數(shù)控制:依據(jù)電池容量和充電電流,預先設定某段恒流充電的時間,當充電時間達到設定值時,通過按時器發(fā)出信號,結(jié)束該階段的恒流充電并自動將充電電流減小,進入下一段恒流充電。溫度參數(shù)控制:設定某段恒流充電至可接受電流極限時的電池溫度最高值,依據(jù)溫度傳感器測試的電池溫度來控制充電裝置。當外界環(huán)境溫度較低、設置的電池最高溫度較高時,采取控制溫升法,當電池的溫升達到設定值時,溫控器使充電裝置停止充電,直到溫度下降至適當值時,自動進入下一階段恒流充電。
電壓參數(shù)控制:電池的絕對電壓可以反映電池的充電情況,設定某段恒流充電達到或接近充電可接受電流極限值的電壓,當電壓達到設定值時,充電裝置便自動結(jié)束本階段恒流充電，進入下一階段。
1.3分段恒流充電實驗研究
依據(jù)電池的容量初步設定t(n)、I(n)和U(n),進行充電實驗，充電過程中依據(jù)實際情況對t(n)、I(n)和U(n)進行調(diào)整，然后再進行下一次充電實驗。每次充電的電池初始狀態(tài)均為3h率完全放電[10],對各次實驗的充電時間、充電效率和電池溫升等數(shù)據(jù)進行分解比較，從中選定充電時間最短、電池溫升比較小的充電過程，其各階段的控制參數(shù)和充入的電量如表1和表2所示，分段恒流充電電流曲線如圖2所示。
通過對實驗結(jié)果進行分解，可得出如下結(jié)論:
(1)各段恒流值I(n)的梯度宜適當減小。比較電池溫升情況及各段恒流充電終止狀況相似的幾次分段恒流充電過程發(fā)現(xiàn),有關充分電所用時間而言,5段恒流充電的時間最短,而4段恒流充電的時間短于3段恒流充電的時間。因此,適當減小各段恒流值下降梯度(分段數(shù)新增),可使實際充電電流曲線更接近充電可接受電流曲線。
(2)設定各恒流段充電時間t(n)的用途不大。用按時器控制各恒流段充電時間t(n)比較容易實現(xiàn),然而由于電池在恒流充電開始時的荷電狀態(tài)不同或因電池容量衰減導致充電可接受電流減小時,最佳的恒流充電時間也隨之改變。電池狀態(tài)的不確定使最佳充電時間很難確定。在實驗中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象:某段恒流充電到了設定的充電時間,但充電電壓離終止電壓相差還很遠,這時,本實驗選擇了在該恒流值下持續(xù)充電,直至充電電壓達到終止電壓;某段恒流充電設定的充電時間還未到,但電池已大量析氣(電解液“沸騰”),且充電電壓已高于設定的終止電壓或電池溫度升至限定值,這種情況下,充電器會立即停止該段恒流充電,自動轉(zhuǎn)入下一階段。由此可見,在自動控制充電過程中,設定充電時間的用途不大。
(3)電池溫度不宜單獨作為分段恒流充電控制參數(shù)。理論上,在開始充電時電池荷電狀態(tài)不同的情況下,電池溫度均可用作各階段恒流充電的自動停止控制參數(shù)。但是,溫度傳感器的誤差和滯后性容易造成電池過充電,因此不宜單獨采用電池溫度作為分段恒流充電終止控制參數(shù)。
(4)終止電壓參數(shù)U(n)對異常情況的自適應性較差。將不同恒流值下的終止電壓設為控制參數(shù)，可自適應電池開始充電時的荷電狀態(tài)和電池使用過程中充電可接受電流的變化，且控制也比較簡單。但是，當電池的性能出現(xiàn)異常變化時，原來設定的終止電壓可能會過高或過低，導致電池過充電或過早降低充電電流而延長了整個充電時間。此外，在不同的恒流充電階段，電池內(nèi)部的充電極化程度也不同，接近可接受電流極限時的充電電壓上升速率也會有分明的差別，要準確地設置各種恒流充電狀態(tài)下的終止電壓難度很大。
2電池分段恒流充電的智能化控制
2.1分段恒流充電智能化控制辦法
依據(jù)分段恒流充電實驗的結(jié)果與分解,對分段恒流充電控制辦法作了如下調(diào)整:
(1)采用容量梯度法確定階段恒流充電終止標準。通過理論分解和大量實驗研究,本文認為采用容量梯度參數(shù)dU/dC作為階段恒流充電終止判斷標準較為合適。按該型電池恒流充電特性曲線確定充電終止容量梯度參數(shù),充電過程中控制器以設定的頻度對充電電壓進行采樣,計算I(n)下的容量梯度值,并與設定的充電終止容量梯度標準進行比較,依據(jù)比較結(jié)果判斷是不是終止當前階段恒流充電。
(2)減小各段恒流值下降梯度。通過實驗確定該型電池初次恒流值I(1),并減小階段恒流充電的電流下降幅度。倘若降低充電電流后,達到充電終止容量梯度值的時間很短(設定一個最小充電時間),則適當增大電流下降的幅度。
(3)將電池溫度設為充電安全保障控制參數(shù)。設置電池最高溫度限定值,在充電過程中,倘若電池溫度達到了限定值,立即停止充電。當電池溫度降至正常溫度時,適當減小充電電流持續(xù)充電,直到該段恒流充電結(jié)束。
2.2分段恒流充電智能化控制電路
分段恒流充電智能化控制電路如圖3所示。該電路采用CpU控制,可對充電電池和充電環(huán)境溫度進行測試,對電池充電進行計時,采樣充電過程中電池的電壓和電流,對分段恒流充電過程進行控制。
2.3智能化分段恒流充電實驗研究
依據(jù)調(diào)整后的分段恒流充電辦法進行充電實驗,為便于比較,采用與辦法調(diào)整前的充電實驗所用同一型號電池,充電初始狀態(tài)完全相同。調(diào)整辦法后的定流充電各階段的控制參數(shù)和充入的電量如表3所示,其定壓充電階段的控制參數(shù)和充入的電量與表的分段恒流充電電流曲線如圖4所示。
在調(diào)整辦法后的分段恒流充電實驗過程中,電池沒有出現(xiàn)溫度過高而停止充電的情況,充電時間縮短了,充電效率也提高了,并且整個充電過程均按設定的程序自動進行,完全不要人工干預,實現(xiàn)了智能化的快速充電。
3結(jié)語
分段恒流充電使電池的實際充電電流曲線接近充電可接受電流曲線,是實現(xiàn)電池快速充電的有效辦法。采用容量梯度法確定恒流充電終止標準參數(shù),減小階梯恒流充電電流下降梯度,并輔以電池溫度過高則停止充電的保護控制,可實現(xiàn)動力鋰離子電池的智能化快速充電控制。實驗結(jié)果聲明,這種恒流充電控制辦法可有效縮短充電時間,提高充電效率,延長電池使用壽命。
