电动汽车铅酸蓄电池智能充电及其策略

陈 浩，郭利进，李 辉

(天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387)

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)［1］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［2］，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

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

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。

图1 充电控制策略示意图

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［3］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。

图2 系统结构图

2.2 功率变换电路

由于系统电路功率约在150 W，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220 V，50 Hz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［4］开始工作并停止充电，以实施保护。

图3 功率变换电路

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［5］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。

图4 辅助电源

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［5］。

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。

图5 控制流程图

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。

［1］谢爽，中国铅酸蓄电池标准化的现状及展望［J］.蓄电池，2011(2):83－86.

［2］杨亚丽，马晓军，曾凡果，袁文涛.基于模糊控制的军用铅酸蓄电池充电技术控制［J］.装甲兵工程学院学报，2011(1):79－82.

［3］钱江，凌朝东.智能型的铅酸蓄电池管理系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009(1):56－57.

［4］杨森，刘一兵.基于MSP430单片机的车辆蓄电池报警器设计［J］.自动化与仪器仪表，2010(3):39－41.

［5］胡永华，杨金明.基于AVR的铅酸蓄电池管理系统设计［J］.微计算机信息，2010(5):55 －56.