1. 6 脉冲充电法
在脉冲充电过程中, 在充电电流大小逼近电池充电可接受电流的基础上, 用脉冲电流对电池充电, 充电电流时有时无, 充电状态和暂停状态相互交替. 脉冲充电方式有正脉冲充电和正负脉冲充电两种方式, 在正脉冲充电方式中, 正脉冲空闲时间内, 电解液中的离子自由扩散, 减小了极化的加剧; 在正负脉冲充电方式中, 正脉冲空闲时间内加上了负脉冲, 电解液中的离子受反向作用力向相反方向运动, 有效的抑制了极化现象。
2 本文采用的充电方式
对以上各种传统充电方法的特点相比较可以看出, 每一种方法都各有优缺点. 电动汽车电池组对充电过程要求很高, 既要要求安全充电, 尽可能延长电池使用寿命, 又必须满足快速充电的特点,快速、高效、安全、长使用寿命这几项指标都必须达到, 综合每一种充电方法的优点, 本文在传统充电方式上做了变形和改进, 提出了限压变流脉冲充电方法。
限压变流脉冲充电方法的特点是, 将恒流/恒压充电方式的恒流充电阶段改为变流脉冲充电,这一阶段电流的大小符合变流充电的特点, 初期电流较大, 尽量逼近充电可接受电流, 以保证电池获得足够电流, 同时,采用脉冲式充电电流, 有效抑制极化效应, 减缓电池内压升高, 减小内阻. 后期采用恒压充电方式, 以获得过充电量。
3 研究电池组均衡充电的意义
电动汽车用锂离子电池组通过多节锂离子电池串联以获得高输出电压. 由于各单体电池在生产制造和使用过程中电池特性必然存在差异, 造成这种差异的原因有: 在生产过程中, 由于加工工艺等原因, 同批次电池的容量和内阻都可能存在差异; 使用过程中由于温度等差异造成电池使用不平衡; 不同电池之间的放电情况存在差异, 长时间累积, 造成电池状态的不平衡. 长期使用必将导致各电池的容量、内阻、端电压等参数不均衡, 从而影响整个电池组的实际容量, 缩短寿命, 造成浪费, 增大成本。
和其他电池相比, 锂离子电池几乎没有耐过充的能力, 在电池荷电状态已满时, 若继续充电,电池的电压将继续升高. 电压过高会造成锂离子在负极积累, 解析出金属锂, 使电池的蓄电能力丧失, 而且这一过程是不可逆的, 同时, 电解液发生电解, 析出氢气和氧气, 伴随着大量热量的产生,电池温度逐渐升高, 氢气和氧气有可能发生爆炸.因此, 锂电池切不可过充电, 否则会给电池造成致命的损坏或造成安全事故. 实验数据证明, 过充电将严重减少电池的充电循环次数。
因此, 在对串联电池组进行充电时, 不能通过过充的方式使各单体电池达到性能均衡. 若以容量大的电池充满为依据, 必然导致容量小的电池过充电, 损害电池; 若以容量小的电池充满为依据, 必然导致容量大的电池欠充电, 这两种方式都不能达到均衡状态. 同样在放电过程中, 若以容量大电池放电结束为依据, 必然导致容量小的电池过放, 若以容量小的电池放电结束为依据, 容量大的电池的电量还将剩余大部分电量,不能得到充分利用. 电动汽车电池组需要频繁的充放电, 随着充放电次数的增多, 将形成恶性循环, 各电池的不均衡将加剧, 造成整个电池组性能明显恶化。
为应对以上问题, 就要在充电过程中, 通过某种方法, 使充电完成时电池组的所有电池都能充满电, 达到均衡状态, 实现均衡控制。
4 电池组充电均衡控制研究
目前均衡控制的方法, 按照能耗主要分能量耗散式、能量转换式、能量转移式。
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. 常使用的方法是电流分流法. 分流法是将每一个电池并联一个分流电阻, 并通过开关进行控制, 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, 缺点是分流电阻始终在损耗功率, 能效低, 而且产生热量比较大. 电动汽车需要考虑能效的问题, 否则无法大规模推广, 显然, 这种均衡方法不适用. 能量转换式主要有两种, 一种是将电池组的整体电压向饥饿的单体电池进行补充, 另一种是将单体电压向整体电压进行转化. 常用的有线圈能量转换法, 利用变压器将能量补充给饥饿的电池, 有开关式、共享式、独立式三种结构, 线圈能量转换法对充电电流进行均衡, 充电速率很快, 但在大量电池串联充电时, 其缺点就突显出来了, 这时需要大量的变压器, 磁场损耗大, 均衡设备的体积很大, 效率变低. 因此, 这种方法对电动汽车电池组充电也不适用。
能量转移式是利用电容或电感等储能元件将能量进行传递, 在充电过程中, 电池组中容量低的电池端电压会比其他电池高, 这时容量低的电池会对容量高的电池充电. 常用的有电容法和电感法。
电容式均衡电路是通过MCU 控制开关的切换, 先由电压最高的电池向电容充电, 充满后切换开关, 由电容向电压低的电池充电, 并多次重复这个过程. 这种均衡电路的优点是结构简单、体积可以做的很小, 缺点是需要大量的电力电子开关器件, 损耗大, 需要的时间也较长, 因此不适宜电动汽车电池组充电。
电感式相邻均衡电路的原理是每一个电池都并联一个电感, 检测比较相邻两个电池B1、B2 的电压, 若B1 电压较高, 由MCU 控制PWM 输出信号的占空比来控制开关器件, 使B1 能量储存在电感, 并对公共电容充电, 然后将能量传送给B2;反之, 若B2 电压较高, PWM 输出的占空比变化,使能量由B2 流向B1. 这种均衡电路的特点是效率高, 速度快, 体积小, 缺点是控制算法比较复杂。
通过对以上各种均衡方法的特点相比较, 本文认为电感式均衡电路较适用于电动汽车电池组充电均衡. 电动汽车电池组具有大规模串联的特点, 因此, 本文在电感相邻均衡电路的基础上, 设计了大规模串联电池组的电感式均衡控制电路( 如图3) , 实现电池组内各电池之间的电量转移,达到均衡的目的。
系统中, 及时检测电池组中各电池的状态信息, 送入MCU 中, 通过算法处理, 控制PWM的输出, 驱动开关器件的导通和关断. 当某个电池电压较高时, 相应的开关器件导通, 电池将能量储存到相应的电感中, 当开关断开后, 能量转移到下游的电池, 多余能量转移到公共电容上并回馈给充电电路。
5 锂离子电池组充电电路设计
在以上研究的基础上, 本文设计了一种基于限压变流脉冲充电方法的具有均衡功能的充电系统, 该系统采用MCU 进行控制, 对电池的电压、电流、温度等参数进行采样, 送入MCU 中, 并通过一定的算法, 控制PWM 输出信号的占空比, 控制脉冲充电电流, 控制均衡电路的开关器件, 实现均衡充电, 该系统结构框图如下。
6 总结
本文在通过对多种传统充电方式的研究, 综合各种方式的优点, 提出了限压变流脉冲充电方式, 使实际充电电流接近充电可接受电流, 缩短充电时间, 并有效防止极化, 快速、高效、安全. 同时,应对电池组中单个电池状态不均衡的问题, 进行了均衡控制研究, 使电池组内电量相互转移, 保证在充电结束时各电池达到均衡状态, 并在此基础上设计了电池组充电系统的结构。
相关文章
[错误报告][推荐][收藏] [打印] [关闭] [返回顶部]
已有
