電動汽車用電池的快速充電是電動汽車研究與開發(fā)過程中的重要課題。盡管許多實用化的充電設(shè)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(shè)定的充電電流對電池進行充電。使用傳統(tǒng)的充電電路顯然難以控制，因此，也影響了快速充電的效果。為了能更有效地實現(xiàn)快速充電，必須使用先進的控制手段，我們利用單片機構(gòu)造了一個具有自動檢測功能的蓄電池充電實時控制系統(tǒng)。根據(jù)蓄電池快速充電的機理，對充電的電池進行實時的動態(tài)檢測，適時發(fā)出去極化脈沖及調(diào)整充電電流，力求以較高的充電平均電流進行充電，而且還能有效地抑制氣體的析出。從而達到快速充電的目的。

　　1 　電池快速充電的分段恒流控制

　　1. 1 　快速充電方法的選擇

　　增大充電電流，電池極板上單位時間內(nèi)恢復(fù)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(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng) （過充電） ，反之則不能有效縮短充電時間。

　　1. 2 　分段恒流充電控制方案

　　充電時間參數(shù)控制方法簡單 ,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一樣 ,如果單以充電時間來控制階段恒流充電的結(jié)束 ,容易導(dǎo)致電池過充電或延長充電時間。溫度參數(shù)控制方法的優(yōu)點是可實現(xiàn)電池溫度過高保護 ,但是由于環(huán)境和傳感器響應(yīng)時間延遲的影響，如果僅以電池溫度參數(shù)作為階段恒流充電終止判斷標(biāo)準(zhǔn) ,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方法 ,但其不足也是顯而易見的。

　　為了保證在各種情況下均能檢測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依據(jù) ,其控制流程如圖 1 所示。

　　T —電池溫度 ; T0—停充溫度 ; I0—恒流充電電流 ;t （ n）—第 n 次恒流充電的設(shè)定充電時間 ; I （ n）—第n 次恒流充電的設(shè)定電流值 ;U （ n）—第 n 次恒流充電的設(shè)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足 。3 個控制參數(shù)的具體控制策略如下 。

　　時間參數(shù)控制 :根據(jù)電池容量和充電電流 ,預(yù)先設(shè)定某段恒流充電的時間 ,當(dāng)充電時間達到設(shè)定值時 ,通過定時器發(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(shè)定某段恒流充電至可接受電流極的電池溫度值 ,根據(jù)溫度傳感器檢測的電池溫度來控制充電裝置。當(dāng)外界環(huán)境溫度較低 、設(shè)置的電池溫度較高時 ,采取控制溫升法 ,當(dāng)電池的溫升達到設(shè)定值時 ,溫控器使充電裝置停止充電 ,直到溫度下降至適當(dāng)值時 ,自動進入下一階段恒流充電 。

　　電壓參數(shù)控制：電池的電壓可以反映電池的充電情況 ,設(shè)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(dāng)電壓達到設(shè)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 　分段恒流充電試驗研究

　　根據(jù) 電 池 的 容 量 初 步 設(shè) 定 t （ n ）    、I （ n ） 和U （ n），進行充電試驗 ,充電過程中根據(jù)實際情況對 t （ n）、I （ n） 和 U （ n） 進行調(diào)整 ,然后再進行下充電試驗 。每次充電的電池初始狀態(tài)均為 3 h率完全放電[ 10 ],對各次試驗的充電時間 、充電效率和電池溫升等數(shù)據(jù)進行分析比較 ,從中選定充電時間短 、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 。

　　通過對試驗結(jié)果進行分析 ,可得出如下結(jié)論 :

　　（1） 各段恒流值 I （ n） 的梯度宜適當(dāng)減小 。對比電池溫升情況及各段恒流充電終止?fàn)顩r相近的幾次分段恒流充電過程發(fā)現(xiàn) ,對于充足電所用時間而言 ,5 段恒流充電的時間短 ,而 4 段恒流充電的時間短于 3 段恒流充電的時間。

　?。?） 設(shè)定各恒流段充電時間t （ n） 的作用不大 。用定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(dǎo)致充電可接受電流減小時 ,的恒流充電時間也隨之改變 。電池狀態(tài)的不確定使充電時間很難確定 。在試驗中常出現(xiàn)以下現(xiàn)象 : 某段恒流充電到了設(shè)定的充電時間 ,但充電電壓離終止電壓相差還很遠 ,這時 ,本試驗選擇了在該恒流值下繼續(xù)充電 ,直至充電電壓達到終止電壓 ; 某段恒流充電設(shè)定的充電時間還未到 ,但電池已大量析氣 ,且充電電壓已高于設(shè)定的終止電壓或電池溫度升至限定值。

　?。?） 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) 。

　?。?） 終止電壓參數(shù) U （ n） 對異常情況的自適應(yīng)性較差 。將不同恒流值下的終止電壓設(shè)為控制參數(shù) ,可自適應(yīng)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(dāng)電池的性能出現(xiàn)異常變化時 ,原來設(shè)定的終止電壓可能會過高或過低 ,導(dǎo)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。

　　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方案

　　根據(jù)分段恒流充電試驗的結(jié)果與分析 ,對分段恒流充電控制方案作了如下調(diào)整 :

　?。?） 采用容量梯度法確定階段恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)。通過理論分析和大量試驗研究 ,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(biāo)準(zhǔn)較為適宜 。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(shè)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(shè)定的充電終止容量梯度標(biāo)準(zhǔn)進行比較。

　　（2） 減小各段恒流值下降梯度 。通過試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 。如果降低充電電流后 ,達到充電終止容量梯度值的時間很短 （設(shè)定一個充電時間） ,則適當(dāng)增大電流下降的幅度 。

　　（3） 將電池溫度設(shè)為充電安全保障控制參數(shù) 。設(shè)置電池溫度限定值 ,在充電過程中 ,如果電池溫度達到了限定值 ,立即停止充電 。當(dāng)電池溫度降至正常溫度時 ,適當(dāng)減小充電電流繼續(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)境溫度進行檢測 ,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試驗研究

　　根據(jù)調(diào)整后的分段恒流充電方案進行充電試驗 ,為便于比較 ,采用與方案調(diào)整前的充電試驗所用同一型號電池 ,充電初始狀態(tài)完全一樣。調(diào)整方案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)整方案后的分段恒流充電試驗過程中 ,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(shè)定的程序自動進行，完全不需要人工干預(yù)，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方法。采用容量梯度法確定恒流充電終止標(biāo)準(zhǔn)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)動力電池的智能化快速充電控制。

　　綠色革命的一個重要體現(xiàn)是綠色交通。因此，很多國家都在致力于電動車的開發(fā)和研究。然而，蓄電池的快速充電依然是一個必不可少的課題。目前，市場上已出現(xiàn)了不少電動車和電動助力車、電動滑板車。根據(jù)的市場預(yù)測，2004年美國市場的需求量是500萬輛，中國的產(chǎn)品因為價廉物美而成為了主導(dǎo)產(chǎn)品。因此，肯定對快速充電器有一定的需求。隨著電動交通工具研究的深入和發(fā)展，可以預(yù)言，今后大、中、小各種容量的快速充電器將是商機無限。