电动汽车铅酸蓄电池智能充电及其策略

摘要 为提高电动汽车铅酸蓄电池寿命和续航能力，实现蓄电池高效、快速充电，设计了一种智能充电系统。硬件采用DC／DC正激变换电路实现功率的转换，同时以单片利为智能控制核心，并利用DS18B20采集电池温度。软件上根据蓄电池快速充电原理，提出一种分阶段定电流和正负脉冲相结合的新型充电控制策略。利用模块化设计方法，完成各功能模块设计，以及利用数字PI算法实现分阶段电流恒定。实验证明，采用新型控制策略的智能充电系统对蓄电池进行充电，减少了充电时间，提高了充电效率。
关键词 智能充电；正激变换；控制策略；模块设计

    随着石油能源不断消耗，电动汽车以其节能环保特性被世界各国研究和推广。然而动力电池一直是制约电动汽车发展的最大瓶颈。阀控免维护铅酸蓄电池(VRLA)凭借其制造成本低、容量大、电压稳定等优点成为电动汽车的主要动力设备。但若蓄电池使用不当，其寿命会大大缩短。经研究发现，充电过程对电池寿命影响最大，放电过程影响相对较小。因此充电系统，对蓄电池的寿命起决定性影响。
    传统的充电方法是通过加大充电电流，达到快速充电的目的。但大电流充电必然会导致蓄电池过流、过温、极板极化等现象，严重影响蓄电池寿命。若以小电流慢充，虽然对蓄电池寿命影响较小，但充电时间会相对延长。为解决充电时间与电池寿命的矛盾问题，通过对蓄电池充电过程内部化学特性的了解，提出一种新的充电控制策略，实现蓄电池高效、快速、无损害充电。

1 充电控制策略
1．1 快速充电技术的理论基础
    20世纪60年代，美国科学家马斯以最低析气率为前提，提出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线，其方程为
   
    式中，i为任意时刻t时的蓄电池可接受充电电流；I0为最大可接受充电电流；a为衰减率常数，也称为充电可接受比。
    1972年，马斯又在第二届电动汽车大会上提出了著名的马斯三定律，奠定了快速充电的基础。
    第一定律：一个蓄电池以任何给定电流放电，它的充电接受率a和放电容量C的平方根成反比，即
   
    式中，K为放电电流常数；C为蓄电池放电的容量。
    第二定律：对于任何给定的放电深度，一个蓄电池的充电接受率a和放电电流Id的对数成线性关系。即
    a=K2lgkId     (3)
    式中，K2为放电量常数，视放电深度而定；k为放电常数。
    第三定律：一个蓄电池经几种放电率放电，其充电接受电流是各个放电率下接受电流之和。即
    It=I1+I2+I3+… (4)
    式中，I1，I2，I3，…为各放电率下的充电电流。
    马斯三定律表明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池可接受充电电流曲线时，适时的停止充电，并在停止过程中加入放电脉冲，可以消除极化现象，提高蓄电池的充电接受能力，从而大幅提高充电速度，对蓄电池的容量和寿命不造成影响。
1．2 充电控制策略
    根据马斯三定律的理论基础，实验以12 V／12 AH铅酸蓄电池为对象，设计的充电控制策略，将充电过程分为三个阶段：大电流恒流、正负脉冲快速充电、恒压补足充电，如图1所示。该蓄电池额定电压为12 V，充满电时端电压约为14．7 V，放完电时端电压约为10．8 V，充放电过程中电池温度若达到45℃，蓄电池极化现象严重、极板活性物质开始脱落。

    充电过程三个阶段具体控制策略如下：
    (1)大电流恒流阶段。充电初期，当电池端压小于12 V时，表示电池电量较低，可以采用大电流进行恒流充电，使蓄电池在较短的时间内尽量充入较多的电量。当蓄电池的端电压上升到14．7 V时，水开始分解，产生极化和析气现象，此时停止充电。一段时间后，转入下一阶段。
    (2)正负脉冲快速充电阶段。在脉冲的停歇阶段，随着充电电流的消失，极化现象部分消失。接着再放电，使蓄电池反向通过较大电流，可以消除析气现象产生的气体，并进一步消除极化现象，使蓄电池接受电量的速度加快。将此阶段再细分为三级，使充电电流接近蓄电池可接受充电电流，从而在快速充电的同时，不会对蓄电池造成损坏。
    (3)恒压补足充电阶段。经过前两个阶段以后，并不能保证蓄电池电量已充满。此时，还应进行恒压补足充电。此阶段充电电流逐渐减小，当检测到电流下降到某一阈值时，停止充电。此时也标志着充电过程完全结束。

2 硬件电路设计
2．1 系统结构
    系统结构如图2所示，主要由功率变换电路和智能控制电路组成。功率变换的作用是向蓄电池提供所需的电压、电流；智能控制电路的作用是检测蓄电池的电流、电压、温度等参数，通过数字PI闭环调节，按照提出的充电控制策略，来实现蓄电池智能充电。

2．2 功率变换电路
    由于系统电路功率约在150W，故采用成本较低的单端正激DC／DC变换电路，如图3所示。首先将220V，50Hz工频交流市电连接EMI滤波器，经过整流滤波，接入DC／DC单端正激变换电路，再通过LC滤波后得到直流电源。调节单片机的PWM占空比，来控制N-MOS管Q3的导通关断，进而得到所需的直流电压和电流。同时利用两个N-MOS管Q1和Q2的间歇导通和关断来控制充电和放电脉冲的幅值和时间。Q1导通Q2关断时，实现正脉冲充电；Q2导通Q1关断时，实现负脉冲放电。

2．3 智能控制电路及辅助电源
    智能控制电路由STC12C5A60S2单片机、外围电路及检测回路组成智能控制电路。检测电路将采集的当前蓄电池电流、电压及温度送入单片机A／D口，并与系统的设定值进行比较，采用数字PI调节PWM占空比，实现充电过程中的恒流、恒压。并通过控制Q1，Q2两个N-MOS管的导通和关断，来实现正负脉冲快速充电。液晶显示当前的充电状态及电压、电流、温度值。如果超过设定的阈值，报警电路开始工作并停止充电，以实施保护。

    为防止高频功率电路对数字控制电路的干扰，系统利用高速光耦将两个电路隔离。因此，智能控制电路必须单独供电，辅助电源模块如图4所示。利用小功率交流变压器将交流市电降压到12 VAC，整流滤波后利用L7805实现+5 VDC稳压输出。

3 系统软件设计
    系统软件的主要功能：通过对蓄电池电压，电流的检测使其进入相应的充电阶段，在相应的阶段内，利用数字PI控制算法不断调节单片机的PWM输出占空比，以实现所要求的恒定电流或电压值。同时检测各阶段蓄电池的温度值，若超过45℃，则报警并停止充电，此时启动散热风扇，给蓄电池降温，直到温度恢复到20℃以内。具体控制流程，如图5所示。

4 结束语
    系统采用单片机数字PI控制技术与高效、低损耗的DC／DC变换电路相结合。由于单片机运算速度的限制，不可能实现精确的电压和电流输出，但对于蓄电池来说适当的电压和电流的纹波，反而有利于消除充电过程中的极化现象，更有利于充电的进行。与传统恒压恒流充电器充电相比，开发的智能充电器具有以下优点：充电速度显著提高，充电安全，电池升温低，减少了对蓄电池容量和寿命的影响；同时利用价格低廉的单片机来代替昂贵的电源管理IC，实现电源智能化管理，使其具有很强的市场竞争力。
    文中完成对12 V／12 Ah蓄电池进行充电控制及其控制策略的开发、研究，该系统及其控制策略对电动车动力蓄电池充电系统的开发、应用，具有实际借鉴意义。