一种高效自恢复电动汽车充电策略的实现

王义军，候超

（东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012）

一种高效自恢复电动汽车充电策略的实现

王义军，候超

（东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012）

电动汽车充电方法直接影响动力电池的寿命，采用了一种高效、自恢复正负脉冲式充放电策略，设计了脉冲式充电站主电路及控制电路，针对铅酸蓄电池在PSCAD环境搭建了仿真电路，验证了该充电策略的有效性，对于其他种类的蓄电池也有借鉴意义。

蓄电池；充电策略；电动汽车；PSCAD

动力电池是电动汽车的主要能量来源，动力电池的性能好坏将直接影响电动汽车的性能，而蓄电池的寿命和充放电方法有着很密切的关系。在铅酸蓄电池充电的过程中，电荷堆积在电池电极上产生反向电压，具体表现为电池内阻增加；同时，随着电池的使用，电池内部电极上附着的硫化物也会增多，造成电池内阻增大。这两种因素影响其充电速度与质量。消除其最有效方法是采用负脉冲充电方法，在电池两端瞬间放电来去除电极上堆积的电荷，并改变蓄电池固有的指数曲线形式的充电特性，从而提高电动汽车的使用效率及续航能力。

1 高效自恢复式充电策略

现阶段常规的充电方法有恒流充电、恒压充电及两者相结合的方式。蓄电池在充电过程中，当充电电流接近固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，能够消除正极板上的气体，并使氧气在其负极板上被吸收，可以提高蓄电池充电的接受能力。也就是说在其充电过程中加入了负脉冲，从而提高充电速度并缩短充电时间，此过程还可以降低电池内部温度、压力和阻抗，减少能量损耗，使电能更有效地转化为化学能且储存起来。由此，在恒流恒压充电过程中采用此高效自恢复式充电策略能够提高蓄电池的充电效率及其充电接受能力[1]。

2 最大充电电流的确定

在蓄电池充电过程中，并非任何情况下任意大小的充电电流都会接受。研究表明，若在充电过程中保持等量、微量的气体析出及稳定的温升，则充电曲线会是一条指数曲线。即：

根据式(1)，蓄电池最大的充电电流曲线是一条自然接受曲线，若充电电流位于曲线右侧，也就是当充电电流大于可接受电流时，会导致电池内部产生电解水；若充电电流位于曲线左侧，此时的充电电流则为充电可接受电流[2]。

3 充电站主电路设计

充电机的功能模块包含输入整流电路及功率变换电路。充电站主电路的结构框图如图1所示。

图1 一般的充电站主电路结构图

该充电机采用了全控电力电子元器件为控制核心，如图2所示，控制电路采用了达到功率因数正弦波电流双闭环的控制，电流内环的作用是按电压外环输出的电流来进行电流控制，电压外环的作用则是控制三相电压型PWM整流器直流侧的电压。

图2 控制电路模型

该电路可以实现正负脉冲间歇式的充放电，也可以实现其恒流充放电。当用脉冲充放电时，脉冲幅值、时间及间歇时间均可设定。脉冲充电时，正脉冲产生的电池极化则由放电负脉冲及时消除，可减小电池极化的电阻，来提高蓄电池充放电的效率。

脉冲充电机的主电路如图3、图4所示,三相AC 380 V电源通过相控的整流桥整流及LC滤波后得到了直流电源。蓄电池充电时，会控制两个IGBT模块T7、T8的间歇导通与关断来控制充电及放电脉冲的幅值、时间。T7导通、T8关断时，会实现正脉冲恒流充电。T7关断、T8导通时，会实现负脉冲恒流放电。

图3 三相整流电路

图4 逆变及功率变换电路

仿真波形如图5～图7所示。

图5 整流前三相电源波形

图6 逆变器相电压相电流波形

图7 逆变器输出电流波形

由图7可以看出，充电机输出电流为300 A左右，符合其对蓄电池进行快速充电的要求。

另外，在对蓄电池进行充电的实验时设置了如图8所示的主程序流程图，其他部分为通用程序，不再给出。主程序用来完成对蓄电池充电电压、充电电流及脉冲的大小比较[3]。

图8 主程序流程图

4 充电参数选择

通过对一组蓄电池(12 V 60 Ah 5只电池)分别采用分阶段恒流恒压充电及分阶段恒流脉冲充电方法来进行对比实验，并验证充电效率，实验数据见表1、表2。采用分阶段恒流脉冲充电时，每个阶段的充电过程按“正脉冲充电—停止充电—负脉冲放电—停止放电—正脉冲充电”的循环过程进行。随着充电的进行，充电电流会逐阶段减小。

（1）分阶段恒流恒压充电

目前市面上大多数充电设备均采用此种充电方法。根据蓄电池的充电需求，充电初期采用0.5fffd53(30 A)充电电流进行恒流充电。当充电电压达到14.6 V后，采用恒压充电，直到充满[4]。

表1 未使用脉冲时的充电数据

表2 使用脉冲后的充电数据

（2）分阶段恒流脉冲充电

5 总结

（1）采用传统的直流充电方式对铅酸蓄电池进行充电，其充电效率较低，通过对传统直流充电及脉冲充电的效率测定和比较，采用脉冲充电能有效地提高电池充电效率，从而缩短充电时间，并减少其析气反应。

（2）脉冲充电过程中的脉冲电流大小和充放电时间比是影响充电效率的两大因素，采用合适的脉冲电流及占空比是提高其充电效率的有效方法。

由此可知，这种高效、自恢复式的充电策略对缩短充电时间确实有效，而且对其他种类的蓄电池同样具有借鉴意义。

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]郑铁军，刘建政.大功率PWM整流器的设计[J].电测与仪表，2011(2)：2-3.

[3]罗书克，张元敏.正脉冲式电动汽车快速充电站的研究[J].电源技术，2011(3)：1-3.

[4]余风，张志华.铅酸蓄电池脉冲充电技术研究[J].船电技术，2010 (6)：2-3.

Realization of a kind of high efficientself-recovery electric vehicle charging strategy

WANG Yi-jun,HOU Chao

The charging method of electric vehicle can directly influence the life of power battery,so a kind of high efficientself-recovery positive and negative pulse type charge and discharge strategy was adopted.Themain circuit and control circuitof the pulse type charge station were designed,and for the lead-acid battery，the simulation circuit was built in PSCAD environment.The effectiveness of the charge strategy was verified,and the strategy could also be used for other kinds ofbatteries.

battery;charge strategy;electric vehicle;PSCAD

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0881-02

2013-11-18

王义军(1969—)，男，吉林省人，硕士，教授，主要研究方向为电力系统及自动化。