基于智能变脉冲充电的电动汽车快速充电方法

上官安琪

（国网天津市电力公司城西供电分公司，天津 300000）

0 引 言

目前，电动汽车受到了广泛的关注，同时电动汽车快速充电的研究成为了焦点。电动汽车对电池充电速度的要求较高，传统充电方式的效率低且费时达不到要求。因此，快速充电的新方法不断被研发，其主要研究的不止是提高充电速度，还有延长电池寿命的问题。快速充电指车载电池的50%额定容量充满只需10 ～20 min。对于310 V 和120 Ah 的小型电动汽车来说，在充电10 min 到电池电量50%的情况下，充电功率将会超过120 kW，充电电流会超过360 A。电动大中客车等充电功率将更大[1-2]。

目前，传统的充电方式主要包括恒定电流、恒定电压、先恒定电流再恒定电压等，其优点是线路控制简单，执行简便。但是，充电时间过长，充电方式单一，如果充电控制不当，会对电瓶造成伤害，从而缩短电瓶的使用寿命。近年来，国内外提出了许多创新的充电方式，解决传统充电方式充电速度慢、安全性能低等问题，包括等级式恒定电流充电方式、脉冲式充电方式、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电方式以及变电压间歇充电方式等[3-4]。为使其充电电流更接近蓄电池的可接受充电电流曲线，大多数方法都基于传统方法建立弥补传统计费方式不足的新型计费方式，引入模糊控制技术，并利用其优势对非线性系统进行多输入多输出的处理，超越传统常规的控制方法，解决电池充电过程中的时变性、干扰性等问题[5]。

1 电动汽车铅酸蓄电池充电方法研究

1.1 传统充电方法

1.1.1 恒流充电法

恒定电流充电方法是调整充电装置的输出电压或调整电池串联的电阻，使充电电流始终保持恒定状态。恒流充电方式较常用于蓄电池的试验和使用过程中，采用直流发电机，硅整流装置，使电流稳定的实现变得更加便捷。这种充电方法的优势是操作简便，更易于控制。但是，恒流充电方式中的电流曲线与蓄电池可接受充电电流曲线差异较大，充电初期电流相对较小，充电结束时电流相对较大，整个过程中充电时间较长，气体析出较多，充电效率较低。

1.1.2 恒压充电法

恒压充电法保持恒压充电模式下的电压不变，电流则逐渐降低。该方式与其他方式相比，与蓄电池组所能接受的充电电流曲线更为接近，因此控制起来也更为简便。同时，整个过程所产生的气体非常少，速度更快，效率也比横流充电的方式要高一些，其缺点在于充电起始时刻的电压难于掌握。若电压过高，则起始电流很大，容易损坏电池，若电压过低，则延长了充电时间，效率降低。

此外，恒压限流充电、先恒流后恒压充电、阶段充电等多种充电方式相结合的恒压充电方式和恒流充电方式等方法可以在恒压充电的初期避免过大的电流困扰。在横流充电过程中，电流较大的缺陷成功被克服。

1.2 快速充电方法

当按某一定值的电流充电时，该电流仅供电池吸收而不会析出无用的气体，此时的充电流曲线叫做蓄电池可接受充电指数曲线。当电流超过指数曲线时，只会使气体产生量增加，不会提高效率；反之，当电流低于指数曲线时，只增加充电时间，也不能提高效率。现在的快充方式大多是基于蓄电池的可接受充电电流曲线进行设计，提高充电速度的同时尽可能地限制出气量的理论。

1.2.1 变电流间歇充电法

变电流间歇充电法将恒定电流充电阶段改为将完全放电式电池充电时间大幅缩减的变电流间歇式充电方式。该充电法提升充电速度、缩短充电时间、提高充电效率的同时限制充电电压，是实现交替充电阶段蓄电池不受损害的必要条件。

1.2.2 变电压间歇充电法

变压间歇式充电方式与蓄电池所能接受的充电电流曲线较为一致，按照指数规律自然降低每一恒压充电阶段的充电电流。在充电过程中，间断性停止充电和再化合后，具有一定的时间吸收水解反应中产生的氧气，使电瓶内压降低，提高充电速度。

1.2.3 慢脉冲快速充电

慢脉冲快速充电方式以恒大电流和恒小电流反复循环的方式对电池进行充电，直至电池开始少量析气。在慢脉冲充电模式中，正脉冲加速浓差极化的消散，并在充电过程中降低极化程度，通过维持高电场推动离子运动方向。同时，在慢脉冲电过程中，先用慢脉冲电横流充电，待充电电压升至一定范围后，再用慢脉冲电恒压充电，通过合理选择充电参数，将充电电流降至最小，从而有效降低气量。慢脉冲快速充电方式不仅可以提高充电速度，而且有助于延长铅蓄电池的寿命，因此其在快速充电方法的研究中受到广泛的关注。

2 基于智能化变脉冲充电的快速充电模型

2.1 设计思路

文章提出的智能化变脉冲充电的快速充电方法是结合现阶段已运用的常规充电与快充方式，在充分考虑快速充电方式对电池寿命影响后，寻找到的快速充电的最优模式。文章拟采用理论研究与实验研究相结合的技术路线，在此基础上建立检测装置，验证理论研究所得出的结论，并修正研究结论，以有限元仿真为基础，研究不同传感器构造和参数变化对信号的影响，建立研究对象的数学模型。对已有的一般快速充电与常规充电原理进行对比和实验研究，对快速充电的一般方法进行试验和数据采集并进行比较，形成充电原理的分析报告，针对研究对象的可行性，给充电方法排序，为寿命检测参数研究提供指导。

2.2 模型建立

建立传感器和试样的有限元模型，研究传感器的结构参数对检测信号的影响，设计电池快速充电对电池寿命的检测方法和检测参数。同时，建立电池和电池组的数学模型，根据充电原理分析得出的结论，通过分析和比较充电试验原理产生的数据，分析电池性能，解析对应参数。

充电性能直接影响电池组寿命和充电时间充电器作为电动车的主要能量补充设备。为电池提供快速、高效、安全及合理的电力供应是设计电动汽车充电器的基本原则。另外，适合不同类型的动力电池，也需要考虑充电器的设计。

通过查阅资料和对比分析，设计出与传统充电器不同的智能化变脉冲充电的快速充电器控制系统，其采用的方式与连续电流充电和脉冲电流充电不同，具体的系统结构采用变脉式充电方式进行智能充电，如图1 所示。选择了包括充电脉冲、间歇性脉冲、放电脉冲（其时长分别由图1 中T1、T2、T3表示）在内的充电电流脉冲。

图1 充电电流脉冲

智能化变脉冲充电的快速充电器根据电池组端电压、充电电流、温度以及动态内阻等实时检测到的信息，遵循MAS 充电法则充电。消除被充电电池组电极化现象，利用智能控制算法调节充电电流的脉冲宽度、间歇时间、放电电流脉冲。智能化变脉冲充电的目标是保证电池组在提高充电速度和效率的同时，始终保持最佳的电流收纳状态。具体调整流程如下：首先使用较大的充电脉冲充电，当充电时间达到T1时，充电器停止充电，此时蓄电池的端电压逐渐升高。充电间歇时间达到T2，充电器就会不停的充电，而且反反复复地充电；降低充电脉冲占空比，在电压超过设定值U1时开始充电。电池停止充电，当端电压达到设定值U2。短暂停止充电使蓄电池的极化电压迅速降低，反复循环直至达到蓄电池组的充电终止电压U3，根据反馈电压调整输出脉冲占空比。

3 基于智能化变脉冲充电的快速充电仿真研究

通过利用MATLAB 软件中的Simulink 建立模拟平台，通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制策略实现对充电回路的控制，对PWM 整流器和快速脉冲充电器建立模拟平台，对提出的快速充电方法进行模拟验证。

3.1 铅酸蓄电池仿真模型建立

文章选取4 阶动态模型的铅酸蓄电池作为研究对象。模型将电池表述为等价的电路网络。电池的充放电过程十分复杂，许多参数都会影响模型中的各个变量，非线性特征表现十分明显。为了精确模拟该过程，文章选取铅酸蓄电池动态模型作为研究对象。

3.2 PWM 整流器仿真模型

文章选用了一种利用PWM调制策略的控制方式，输出电流采样后与参考电流进行比较，误差信号补偿放大，再通过PWM 调制产生占空比来驱动主功率电路中的开关器件。通过仿真，判断其拓扑结构和控制方式是否能满足指标要求。

3.3 基于智能化变脉冲充电的快速充电仿真模型

文章基于MATLAB 软件中的Simulink 环境、电池模拟模型和PWM 控制模型，建立的基于智能变脉冲充电的快速充电模拟模型如图2 所示。

图2 基于智能变脉冲充电的快充模拟模型

经过多次仿真结果验证，文章提出的智能化变脉冲充电快速充电方法可接受充电电流曲线相关指标得到很大的优化，起到了既提高充电效率又减少出气量的作用。

4 结 论

文章对电动汽车快速充电方法的研究现状进行了简要介绍，对传统和快速充电方法进行了分析，最后提出了基于智能化变脉冲充电的快速充电方法，建立了基于蓄电池4 阶动态电路模型和PWM 整流控制的MATLAB 仿真模型，对提高电动汽车充电效率同时减小对电池的影响起到了一定作用。