電動汽車快速充電方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)蕾

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710000）

0 引言

為了減少汽車尾氣排放，減緩溫室效應(yīng)，節(jié)約能源，我國的諸多大中型城市采取了限號限行的政策，但這無法從根本上達(dá)到減少環(huán)境污染的目的[3]。因此，以電動汽車為代表的新能源汽車成為國內(nèi)外的信息產(chǎn)業(yè)[4]。

電動汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車的最大不同之處在于它的動力來源于車載電池，無法像傳統(tǒng)的燃油汽車那樣可以方便，快速的完成所需能源的補(bǔ)充[5]。電池的性能，以及充電技術(shù)的速度成為影響電動汽車使用體驗(yàn)中最為關(guān)鍵的要素之一[6]。因此，實(shí)現(xiàn)電動汽車高效、無損的充電方式具有重要的研究意義以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 電動汽車快速充電原理分析

電動汽車實(shí)現(xiàn)快速充電的主要理論依據(jù)為著名的“馬斯三定律”[7]：

(1)第一定律：當(dāng)放電電流值的大小確定時(shí)，充電電流接受率α與放電量C的二分之一次方成反比，即：

其中，K為放電常數(shù)。該定律表明，當(dāng)充電電池的接受能力越大時(shí)，其能夠?qū)崿F(xiàn)的放電深度就越深。

(2)第二定律：當(dāng)放電量C的值確定時(shí)，則接受率α和放電電流的對數(shù)成正比，即：

其中，k為計(jì)算常數(shù)。因此，該定律表明，當(dāng)放出的電量一定時(shí)，充電接受率越高，則電池的放電率也越高。

(3)第三定律：當(dāng)放電率不同時(shí)，對應(yīng)的充電電流之和即為能接受的總電流tI。

該定律表明，提升充電接受率的一個有效的方法是可在充電過程中進(jìn)行一定程度的放電。

2 快速充電方法

傳統(tǒng)的充電方式主要包括：恒流充電法，恒壓充電法，以及恒流恒壓充電法三種方式。為了加快電池的充電效率，應(yīng)根據(jù)快速充電理論，對其進(jìn)行調(diào)整。基于上述描述的馬斯三定律，可將快速充電方法大致分為三類，即：分段恒流充電法[8]，脈沖充電方法[9]，以及間歇快速充電法。本小節(jié)將對這三種方法進(jìn)行詳細(xì)介紹與分析。

2.1 分段恒流充電方法

分段恒流充電，顧名思義是在對電動汽車進(jìn)行充電的過程中，以階段性的保持輸入的電流的大小不變[10]。在整個過程中其充電電流、電壓與時(shí)間之間的關(guān)系如圖1所示。在最初開始充電的過程中，首先選擇較大的電流對電池進(jìn)行快速的充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的某個閾值時(shí)，適當(dāng)?shù)臏p小電流的大小，并維持一段時(shí)間，當(dāng)電壓再次達(dá)到閾值時(shí)，再次減小電流，以此往復(fù)，直到電流減小到接近零附近，停止充電。

圖1 分段恒流充電法示意圖

2.2 脈沖充電方法

馬斯在研究中發(fā)現(xiàn)，鋰電池在充電的過程中，能夠接受的最大充電電流隨著時(shí)間的增加而逐漸降低[11]。當(dāng)存入點(diǎn)電流過大而超過所能承受的范圍時(shí)，會導(dǎo)致電池的正極析出氧氣，而負(fù)極則為氫氣，從而導(dǎo)致發(fā)生較為嚴(yán)重的極化反應(yīng)[12]。因此應(yīng)當(dāng)在充電速度以及電池保護(hù)兩個方面尋找一個平衡點(diǎn)。

基于以上問題，提出了以脈沖的形式來控制電流的大小，該方法的示意圖如圖2所示。該方法與分段恒流方法最大的差異在于引入了方向電流，反向脈沖電流即為電池放電的過程[13]。即通過引入放電，來避免因電池極化導(dǎo)致的電池嚴(yán)重升溫的問題，從而有效的提升了電池的性能，延遲其有效工作壽命。

圖2 脈沖充電法示意圖

2.3 間歇充電方法

除了上述兩種快速充電方式之外，另一種方法是將恒流、恒壓、以及脈沖充電方式進(jìn)行結(jié)合，從而在充電的過程中進(jìn)行間歇性的進(jìn)行停充，從而避免電池的極化效應(yīng)，這種充電方式被稱為間歇充電方法。按照充電形式的不同，可將該充電方法分為電流間歇充電以及電壓間歇充電兩種形式。需要注意的是這兩種充電方式的電流或電壓都動態(tài)變化的。以電流間歇充電為例，在電池剛開始充電初期，通常選擇較大的電流對電池進(jìn)行快速充電，當(dāng)電池兩端的電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后，將會出現(xiàn)短暫的間隙停止充電，然后減小電流值，以此反復(fù)直至完成充電。電壓間歇充電法與此類似，即先通過較大的電壓完成電池的大部分充電，然后間歇性的減小輸電電壓，直到完成充電為止。

3 快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

基于以上分析，我們針對分段恒流法的充電方式，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的快速充電裝置，其系統(tǒng)框架如圖3所示。該系統(tǒng)的主要由：單片機(jī)控制系統(tǒng)，電源供電電路，電源電壓、溫度采樣系統(tǒng)，以及外部顯示和控制系統(tǒng)（人機(jī)交互系統(tǒng)）等部分組成。

圖3 快速充電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，應(yīng)首先根據(jù)電動車的實(shí)際需求設(shè)定相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，典型地如：電池額定容量，最大電壓閾值，各分段恒流電流值等。

當(dāng)單元開始充電時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）控制恒流源輸出額定的電流給電動車電池，然后電池通過電流、電壓、溫度采樣系統(tǒng)將實(shí)際的充電情況通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）反饋給單片機(jī)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過分析電池的電壓與閾值之間的關(guān)系判斷是否需要對輸入的電流值進(jìn)行調(diào)整，以此反復(fù)，直到電池的電流顯示為零后，表示充電結(jié)束。在此過程中，用戶可以通過顯示器以及鍵盤對單片機(jī)進(jìn)行交互，從而減少更好的對電池的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的了解。需要注意的是在系統(tǒng)中增加了溫度采樣系統(tǒng)，其主要目的是一方面判斷電池是否正常工作，另一方面是通過溫度來輔助判斷電池是否充電完成，或達(dá)到既定的充電量。下面將對圖三中的核心模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

(1)單片機(jī)控制模塊。該部分是整個快速充電裝置最為核心的部分，由單片機(jī)控制系統(tǒng)、以及相應(yīng)的采樣電路組成。單片機(jī)通過采樣電路獲得電池當(dāng)前的溫度、電流、電壓等相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的快速充電算法控制輸入，以完成快速充電的目的。于此同時(shí)，控制模塊還負(fù)責(zé)將相關(guān)的信息傳輸給交互界面，完成與外界的交互。

(2)恒流源模塊，也被稱為壓控恒流源模塊。目前常用的恒流源模塊可以分為三大類：即分別由三極管、MOS管以及集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源。考慮到對于電動車的快速充電與普通快速充電裝置的主要差異是，具有電流較大，溫度較高等特點(diǎn)[14]。而對于三極管構(gòu)成的恒流源的基電極容易受到溫度影響，使得電阻容易發(fā)生變化進(jìn)一步導(dǎo)致電流穩(wěn)定性差的現(xiàn)象。而集成運(yùn)放電路構(gòu)成的恒流源更適用于小電流的電路中[15]。所以本系統(tǒng)的恒流源部分采用了由MOS管構(gòu)成的壓控恒流源。在電池充電的過程中，單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合采集模塊獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的調(diào)整該模塊輸出的電流，并將其與預(yù)設(shè)的電流進(jìn)行對比，以保證能夠按照所設(shè)計(jì)的分段恒流算法進(jìn)行恒定的電流輸出，避免由于電流過大導(dǎo)致的電池?fù)p壞的問題。

(3)供電電源模塊。該部分的主要作用是為快速充電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓以及穩(wěn)定的電源。我們采用線性電源電路的設(shè)計(jì)方式，在該模塊中包含了整流電路，濾波電路等部分，從而為系統(tǒng)提供9V的穩(wěn)定電源。

(4)采樣模塊。系統(tǒng)中的采樣模塊主要包含了電流、電壓、以及溫度采樣模塊三個部分。其中，電壓采樣主要是指被充電的電池兩端的電壓。需要注意的是通常在電池充電過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器量測的方位和電池兩端電壓之間通常是不一致的，因此需要通過設(shè)計(jì)放大電路對電壓進(jìn)行調(diào)整。而對于電流采樣電路，主要是利用采樣電阻來完成電流值的采集。為了避免由于A/D轉(zhuǎn)換器分辨率較低導(dǎo)致的測量精度不準(zhǔn)的問題，在設(shè)計(jì)中通過放大電路實(shí)現(xiàn)了量程分檔的策略。而在溫度采樣電路中，主要利用熱敏電阻的物理特性來完成溫度的獲取，以通過單片機(jī)判斷電池是否完成充電。

為了對所設(shè)計(jì)的快速充電裝置進(jìn)行驗(yàn)證，將本文設(shè)計(jì)的基于分段恒流的快速充電方式與恒流恒壓充電方式以及脈沖充電方式進(jìn)行對比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 基于不同快速充電方法的實(shí)驗(yàn)對比

通過表1可以看出，利用本文提出的分段恒流快速充電方法的充電時(shí)間位于恒流恒壓充電方法以及脈沖充電方法之間，充電效率和基于脈沖的快速充電方法相近。而相較于傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方式，不僅在充電時(shí)間上有了較大的提高，而且電池端充電電壓幾乎沒有受到影響，并且在電池完成充電時(shí)，容量也有所增加。由此說明，基于分段恒流的快速充電方法可以很大程度上削弱因正負(fù)極析出的氧氣和氫氣導(dǎo)致的極化反應(yīng)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的快速充電系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)論

本文針對電動汽車充電問題，首先分析了電動汽車快速充電問題研究的社會意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其次，詳細(xì)闡述了基于馬斯三定律的快速充電原理，為后續(xù)的方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然后，分析了針對電動汽車快速充電的分段恒流方法、以及脈沖充電方法，并在此基礎(chǔ)上，針對基于分段恒流的方法的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電動汽車快速充電裝置。最后，將所設(shè)計(jì)的基于分段恒流的快速充電方式，分別于基于恒流恒壓以及脈沖的快速充電方式進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。對電動汽車快速充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。在今后的工作中，將進(jìn)一步結(jié)合不同型號的鋰電池做進(jìn)一步分析對比，從而提高該系統(tǒng)的普適性。