1、第 28卷第 7期 2011年 7月機(jī) 電 工 程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol28No7Jul2011收稿日期 :20101123:( , 男 , , E-:com :電動(dòng)汽車車載鋰電池分段充電策略研究陳超 , 謝瑞 , 何湘寧*(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院 , 浙江 杭州 310027摘要 :為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車 (EV 車載鋰電池快速充 、 放電 , 研究了電動(dòng)汽車鋰電池分段充電策略 , 給出了充電拓?fù)鋱D 。 通過(guò)監(jiān)控電池 端電壓和電流 , 采用了恒流 、 恒壓和涓流 3種充電方式結(jié)合的方法 , 控制功率變換器對(duì)電池進(jìn)行智能充電 。

2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 利用分 段充電方法可以在 30min 內(nèi)使電池端壓達(dá)到額定值 , 并通過(guò)恒壓充電使電池迅速得以充滿 。 該研究為提高車載電池充電效率 、 縮 短充電時(shí)間和保證充電安全奠定了基礎(chǔ) 。關(guān)鍵詞 :電動(dòng)汽車電池 ; 充電電路 ; 充電方法 ; 控制方法 中圖分類號(hào) :TM9106文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A文章編號(hào) :10014551(2011 07088704Research of multi-stage charging method for on-boardlithium battery of electric vehiclesCHEN Chao , XIE Rui , HE Xiang

3、-ning(College of Electrical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China Abstract :In order to achieve the fast charging and discharging of the on-board lithium battery of electric vehicles (EV , the multi-stage charging method of the EV lithium battery was investigated and the chargin

4、g circuit topology was presentedThe method combined three char-ging methods (constant-current method , constant-voltage method and low-current method was used to control a power converter by monito-ring the battery voltage and current for intelligent fast chargingThe experimental results indicate th

5、at the battery voltage can reach the rated value in 30minutes as being charged by the system , then the battery will soon be fully charged by using the constant-voltage methodThe re-search lays the foundation for the improvement of the charging efficiency and the charging security of the on-board ba

6、tteriesKey words :electric vehicles (EV battery ; charging circuits ; charging methods ; control0引 言從 20世紀(jì) 90年代初起 , 世界各大汽車集團(tuán)公司 都在電動(dòng)汽車上投入了較大的資金 , 并研制出多種電 動(dòng)汽車及電動(dòng)汽車概念車 , 如 Ford 的 Think city , GM 的 EV1, Toyota 的 RAV4、Prius 和 FCEV , Honda 的 EV , 再如 Plus 、 Insight 和 FCX2V3等 1-3。 國(guó)內(nèi)在國(guó)家 電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)啟動(dòng)后 , 全國(guó)各地

7、也掀起了一 股研制和開發(fā)電動(dòng)汽車的熱潮 。 電動(dòng)汽車內(nèi)部的儲(chǔ)能 元件 (即車載電池 的快速充 、 放電問(wèn)題一直是掣肘電動(dòng)汽車發(fā)展的主要瓶頸之一 。 目前已經(jīng)研究出來(lái)的充電方式有恒流充電 、 恒壓充電 、 浮充充電和脈沖充電 等 。 恒流與恒壓充電 , 前者易出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象損壞電池 , 后者的充電效率太低 ; 浮充充電只能針對(duì)剩余容量較 大的電池 ; 而脈沖充電由于充電后期所需的電流很小 , 開關(guān)導(dǎo)通占空比很低 , 控制難以實(shí)現(xiàn) 。 因此用現(xiàn)有充 電策略對(duì)電池充電效率均很低 , 如比亞迪電動(dòng)汽車 F3DM 完全充滿需 6h , 而針對(duì)不同電池需要有不同的 充電策略 , 所以選擇最有應(yīng)用前景的電池并

8、針對(duì)該電 池設(shè)計(jì)高效安全的充電策略就顯得十分必要 。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要包括鉛酸電池 、 鎳氫電池和鋰電池 3種 4-6。 鋰蓄電池具有體積小 、 質(zhì)量能量比高 、 質(zhì)量功率比 高 、 電壓高 、 環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn) , 它的能量密度可以達(dá) 到鎘鎳蓄電池的 15 3倍 ,鋰蓄電池單元蓄電池的平 均電壓為 36V , 相當(dāng)于 3個(gè)鎳鎘蓄電池串聯(lián)起來(lái)的電 壓值 , 因此它能夠減少蓄電池組的數(shù)目 , 從而可以降低 因單元蓄電池電壓差所造成的蓄電池故障發(fā)生的概率 , 因而可以延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命 , 這對(duì)電動(dòng)汽車而言 具有很大的意義7。 鋰電池?zé)o記憶效應(yīng) , 其自放電率很低 , 穩(wěn)定性好 , 不使用時(shí)

9、內(nèi)部基本不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 。 此外 , 由于內(nèi)部不含有害重金屬 , 具有很好的環(huán)保性 。鋰電池的缺點(diǎn)是在強(qiáng)烈碰撞或高溫中易發(fā)生爆 炸 。 為了解決這個(gè)問(wèn)題 , 磷酸鐵鋰電池應(yīng)運(yùn)而生 。 磷 酸鐵鋰電池經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全測(cè)試 , 即使在最惡劣的交 通事故中也不會(huì)產(chǎn)生爆炸 , 而且有很強(qiáng)的耐高溫特性 , 是所有動(dòng)力電池中最有應(yīng)用前景的一種 。基于以上分析 , 本研究采用磷酸鐵鋰電池作為充 電測(cè)試對(duì)象 , 利用電力電子功率變換器 , 通過(guò)分段充電 策略 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的安全快速充電 。1電動(dòng)汽車充電裝置總體設(shè)計(jì)11基本要求由于鋰電池是車載動(dòng)力電池中最有應(yīng)用前景 , 較之鎳氫電池和鉛酸電池具有明顯優(yōu)勢(shì)

10、, 且磷酸鐵鋰電 池已經(jīng)基本解決了鋰電池不穩(wěn)定易爆炸的缺點(diǎn) , 故該 電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 主要是針對(duì)鋰電池 。 具體來(lái)說(shuō) , 系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn) :(1 能對(duì)電池進(jìn)行快速充電 , 能通過(guò)電池管理系 統(tǒng)檢測(cè)出電池充電時(shí)的初始容量 , 并做出相應(yīng)的判斷 , 選擇合適的充電方法8。(2 能有效進(jìn)行電壓 、 電流和溫度的采樣 , 通過(guò)反 饋環(huán)節(jié)將電壓或電流穩(wěn)定在額定的范圍內(nèi) , 保證充電 電流最大的同時(shí)電池安全可靠9。(3 通過(guò)保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性 , 當(dāng)溫 度或者電流超過(guò)額定最大值時(shí) , 保護(hù)電路能迅速切斷 相應(yīng)的開關(guān)元件 。 12系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo) 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示 :

11、(1 輸入電源 :交流單相 , 相電壓 220V ; (2 輸出直流電壓 :0V 62V 可調(diào) , 電壓顯示 ; (3 輸出直流電流 :0A 60A 可調(diào) , 電流顯示 ; (;(5 自動(dòng)檢測(cè)整個(gè)電池組的充電電流 , 過(guò)流時(shí)能 迅速進(jìn)入保護(hù) ;(6 可由用戶靈活設(shè)定充電電流的額定值和最大 值 ,充電電壓的額定值和最大值 , 并能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié) , 自動(dòng)控制充電過(guò)程 。 13充電方法的選擇充電初期電池端壓較低 , 所以可以采用恒流充電 以提高充電速度 , 當(dāng)電池電壓達(dá)到了額定最大值時(shí) , 轉(zhuǎn) 為恒壓充電 ,從而避免過(guò)充 。 最后采用浮充充電使電 池達(dá)到滿充狀態(tài) , 當(dāng)充電電流低于 002C 時(shí)停止

12、充 電 , 如圖 1所示 。圖 1動(dòng)力電池三階段充電法該方法既提高了充電效率 , 又避免電池由于過(guò)充 而損壞 , 最后通過(guò)浮充方式使電池達(dá)到滿充 , 可以提高 電池的使用壽命 , 最大限度地利用了電池的容量 。 14充電電路總體框架該系統(tǒng)包含兩個(gè)主要部分 , 充電主電路和充電控 制回路如圖 2所示 。 三相整流和全橋 DC-DC 變換器 組成了充電主回路 , 控制回路主要由 DSP 、 擴(kuò)展 RAM 、 IGBT 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 、 IGBT 溫度監(jiān)測(cè)電路 、 三相電流電 壓監(jiān)控電路 、 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)電路等構(gòu)成 。 充電 系統(tǒng)在工作時(shí) ,控制回路對(duì)主電路進(jìn)行檢測(cè)與反饋控 制 , 維持充電電

13、壓和電流處于合理范圍內(nèi) , 實(shí)現(xiàn)對(duì)電池 組的安全 、 快速和智能充電 。圖 2動(dòng)力電池充電電路框圖·888·機(jī)電 工 程 第 28卷2充電主電路設(shè)計(jì)電路輸入為三相 220V 交流市電 , 本研究采用單相橋式不控整流模塊 , 將輸入交流電轉(zhuǎn)化為直流 ; 其輸 出端的電容可以穩(wěn)定直流母線電壓 , 同時(shí)濾除高頻干 擾信號(hào) 。 采用這種整流模塊可以在縮小變換器的體積 同時(shí)得到更高的功率密度 。 DC-AC-DC 環(huán)節(jié)包括全橋 逆變器和單相整流模塊 。 本研究通過(guò)檢測(cè)充電電流和 充電電壓進(jìn)行電壓和電流負(fù)反饋以控制 IGBT 開關(guān)的 開通和關(guān)斷 , 從而實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓的輸出 。 最后輸

14、出 的直流電經(jīng)過(guò) LC 濾波后為電池充電 。圖 3動(dòng)力電池充電主電路拓?fù)湓撟儞Q器由于采用了不控整流模塊 , 比普通整流 電路體積更小 , 集成度更高 , 而且功率密度較高 。 通過(guò) 由全橋逆變器將整流輸入的直流電逆變?yōu)榻涣麟?, 經(jīng) 過(guò)變壓器降壓后由整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成動(dòng)力電池 所需的直流電 ,這樣在得到所需的額定電壓或電流的 直流源的同時(shí) , 還能保證濾除電網(wǎng)輸入的或由開關(guān)器 件產(chǎn)生的紋波 (高頻干擾信號(hào) , 使供給電池的直流電 較為理想 。 同時(shí)變壓器使電網(wǎng)與電池之間實(shí)現(xiàn)電氣隔 離 , 充電過(guò)程更為安全可靠 , 供電質(zhì)量也得到提高 。 又 因?yàn)槭褂玫墓β书_關(guān)較少 ,故控制容易實(shí)現(xiàn) , 快

15、速性較 好 , 電壓和電流的可調(diào)范圍很寬 , 每個(gè)開關(guān)管承受的關(guān) 斷電壓比一般的單管 DC-DC 變換電路小 , 這樣有利于 該電路應(yīng)用于大功率場(chǎng)合 。3控制策略系統(tǒng)的充電控制由 DSP2812芯片實(shí)現(xiàn) , 包括對(duì)蓄電池的電流電壓和溫度采樣進(jìn)行分析和處理 , 輸出控 制信號(hào) , 實(shí)時(shí)調(diào)整電路開關(guān) IGBT 的占空比 , 控制充電 電流大小 ,判斷恒流充電轉(zhuǎn)恒壓充電的轉(zhuǎn)換時(shí)刻等 。 控制的流程如圖 3所示 。充電開始時(shí)刻 , 先檢測(cè)電池參數(shù) , 若電池端電壓低于 給定最小值 (電壓過(guò)低 , 則進(jìn)入涓流充電模式 , 并實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)電池的端電壓 , 直到電壓達(dá)到給定值 。 當(dāng)端電壓等于 的標(biāo)準(zhǔn) , 立

16、刻進(jìn)入恒流充電模式 恒流充電階段 ,對(duì) 圖 3動(dòng)力電池充電控制框圖反饋的電壓值與額定的最大充電電壓進(jìn)行比較 , 當(dāng)檢測(cè)到的電壓到達(dá)額定最大值時(shí) , 進(jìn)入恒壓充電模式 , 這樣可 以保證鋰電池不過(guò)充 ,從而避免損壞電池 。 恒壓充電階 段 , 本研究通過(guò)檢測(cè)電池溫度 , 保證充電安全 , 若溫度過(guò) 高 , 則停止充電 。 當(dāng)充電電流小于 0. 02C 時(shí) , 充電完成 。4實(shí)驗(yàn)與分析本研究對(duì)鋰電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn) , 電池標(biāo)稱容量 15Ah (1C , 標(biāo)稱電壓 32V , 充電最大電壓 365V , 放 電終止電壓 20V 。 以 10C (15A 恒流充電至電池 端壓達(dá)到 365V , 再恒壓充

17、電至充電電流小于 002C (03A 為止 。 本研究分別通過(guò)示波器采集恒流充電 波形 , 恒壓充電階段波形 , 測(cè)試裝置保護(hù)功能 , 由波形 軟件 WaveStar 生成圖像 。 充電過(guò)程中電池端壓會(huì)有 所升高 , 充電停止靜置 15min 后即回復(fù)原值 。本研究首先將鋰電池放電至端壓為 22V , 先進(jìn) 行涓流充電 ,使端壓上升至 26V , 然后進(jìn)行恒流充 電 。 與其他充電方式相比 , 恒流充電的效率最高 , 而由 于該過(guò)程中電池電壓未超過(guò)最大電壓 , 不存在過(guò)充的 危險(xiǎn) , 較純恒流充電方式更為安全 。 恒流充電過(guò)程中 電壓 、 電流波形如圖 4所示 。當(dāng)電池端壓達(dá)到 365V 時(shí)

18、, 轉(zhuǎn)入恒壓充電 , 恒壓 充電時(shí) , 電流線性下降 , 電壓維持不變 。 通過(guò)這種方式 可避免電池過(guò)充 , 充電效率也能得到保證 , 波形圖如圖 5所示 。由恒壓充電轉(zhuǎn)換為涓流充電時(shí)刻的波形如圖 6所 , 0C ·988·第 7期 陳 超 , 等 :電動(dòng)汽車車載鋰電池分段充電策略研究當(dāng)電池端壓高于給定時(shí) , 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)延時(shí) , 端壓仍然 高于給定值 , 則迅速進(jìn)入保護(hù) , 停止給電池充電 , 波形 圖如圖 7所示 。圖 7鋰電池充電保護(hù)瞬時(shí)電壓與電流波形圖本研究通過(guò)定時(shí)采樣 , 獲得鋰電池電壓電流充電 特性曲線 ,如圖 8所示 , 其中縱軸為電壓和電流 , 電壓 單位為 V

19、 /格 , 電流為 5A /格 , 橫軸為充電時(shí)間 。 其充 電特性曲線基本符合理想的鋰電池分段充電特性曲 線 ,恒流充電階段電壓線性上升 , 恒壓充電階段電流線 性下降 , 最后進(jìn)入浮充階段 , 電流降為 002C (03A 表示充電結(jié)束 。 據(jù)特性圖可得 , 電壓達(dá)到額定值的時(shí) 間約為 30min ,達(dá)到滿充狀態(tài)也僅 80min , 遠(yuǎn)低于常規(guī) 充電方法 , 且經(jīng)過(guò)浮充充電后 , 電池端電壓穩(wěn)定為額定 值 , 充電質(zhì)量理想 , 因而證明鋰電池在較短的時(shí)間內(nèi)獲 得了理想的充電效果 。圖 8鋰電池充電電壓與電流特性圖本研究通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他充電方式的相關(guān) 參數(shù) , 可以得到如表 1所示的充

20、電方式特性對(duì)比結(jié)論 。表 1充電方式特性對(duì)比 充電 方式 充電 時(shí)間 功率 損耗 控制 難度 充電 質(zhì)量 安全性充電終 止時(shí)刻 恒流充 電方式 1h高易差低較難判斷 恒壓充 電方式 大于 6h 較高 易 好 高充電電流 小于 002C 脈沖充 電方式2h 低 難 較好 高較難判斷 分段充 電方式80min 低 較易 好 高充電電流 小于 002C5結(jié)束語(yǔ)本研究通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車電池的比較 , 選擇磷酸鐵鋰電池作為充電對(duì)象 。 并在分析眾多充電拓?fù)浜统潆?方法的基礎(chǔ)上 , 設(shè)計(jì)出一種快速可靠的分段充電策略 :充電初期采用恒流充電以提高充電效率 ; 當(dāng)電池端電壓達(dá)到了充電最大值時(shí) , 轉(zhuǎn)為恒壓充電 ,

21、 從而避免過(guò) 充 ; 最后采用浮充充電使電池達(dá)到滿充狀態(tài) 。 本研究 運(yùn)用該充電策略 , 以 DSP 芯片作為控制電路核心 , 實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)電池端電壓和電流 , 通過(guò)運(yùn)算比較反饋信號(hào)對(duì) 功率變換器主電路進(jìn)行控制 , 使其實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的分段 充電 。 實(shí)驗(yàn)表明 :分段充電策略比恒流充電方式更為 安全 , 不會(huì)過(guò)充 ; 比恒壓與浮充方式更為高效 ; 比脈沖 方式更易于控制 , 且可靠性更高 。 它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸 鐵鋰電池的高效安全充電 , 且充電質(zhì)量理想 , 具有很好 的應(yīng)用前景 。頁(yè) 3胡興柳 基于重復(fù) 模糊控制的逆變電源控制系統(tǒng)研究 J 電力電子技術(shù) , 2009, 43(3 :57-594王雪丹

22、 , 任繼偉 , 張曉曦 復(fù)合控制算法在逆變器中的應(yīng) 用 J 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào) , 2009, 14(4 :99-1025LI Ming-zhu , HE Zhong-yi , YAN XingAnalysis and De-sign of Repetitive Controlled Inverter System with High Dy-namic Performance C /IPEMC'06Beijing :sn, 2006:1-56HARA S , YAMAMOTO YStability of repetitive control sys-tems C /Proceedin

23、gsof IEEE 24th Conference on Decision and ControlFort Lauderdale :sn, 1985:326-3277ZHANG Kai , KANG Yong , XIONG Jian , et alDirect re-petitive control of SPWM inverter for UPS purpose J IEEE Transactions on Power Electronics , 2003, 18(3 : 784-7928BUSO S , FASOLO SUninterruptible power supply multi

24、-loop control employing digital predictive voltage and currentregulators J IEEE Transactions on Industrial Applica-tions , 2001, 37(6 :1846-18549BUSO S , MATTAVELLI PDigital Control in Power Elec-tronics M Morgan Claypool Publishers , 200610游志青 基于重復(fù)控制技術(shù)的數(shù)字式逆變電源的研究 D 南京 :南京航空航天大學(xué)電氣工程學(xué)院 , 200311張 凱 ,

25、康 勇 , 熊 建 , 等 基于狀態(tài)反饋控制和重復(fù) 控制的逆變電源研究 J 電力電子技術(shù) 2000, 34(5 : 9-1112BUSO S , FASOLO SUninterruptible power supply multi-loop control employing digital predictive voltage and current regulators J IEEE Transactions on Industrial Appli-cations , 2001, 37(6 :1846-185413BODE G H , LOH P C , NEWMAN M J , et alAn Im-proved Robust Predictive Current Regulation Algorithm C /PEDS2003Singapore :sn, 2003:1058-1063編輯 :李 輝 (上接第 890頁(yè) 參考文獻(xiàn) (References :1CHAN C CThe state of the art of electric and hybrid vehi-cles J IEEE , 2002, 90(2 :1-