一种电动汽车充放电策略的研究

摘要：充电电池是电动汽车的核心部件，直接影响电动汽车的性能，而一种有效的充电方法可提高动力电池的寿命。设计了充电主电路及控制电路，针对铅酸蓄电池在PSCAD环境搭建了仿真电路模型，采用一种自恢复正负脉冲式充放电策略，验证了该充放电策略的有效性，对于其他种类的蓄电池也有借鉴意义。
关键词：蓄电池；充电策略；电动汽车

1 引言
    动力电池是电动汽车的主要能量来源，其性能好坏将直接影响电动汽车的行驶里程。而蓄电池寿命与充放电方法有密切关系。在蓄电池充电过程中，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，这两种因素都影响了充电速度和质量。消除它们的有效方法则是采用负脉冲，在电池两端瞬间放电以去除电极上的积电荷，从而改变蓄电池固有的指数曲线形式的充电特性，在恒流恒压充电过程中采用这种新式充电策略能提高蓄电池充电接受能力，并提高电动汽车的使用效率及续航能力。

2 最大充电电流的确定
    研究表明，若在充电过程中保持等量、微量的气体析出和稳定的温升，则充电曲线是一条指数曲线。蓄电池最大充电电流曲线如图1所示，这是一条自然接受曲线，若充电电流位于曲线的右侧，即充电电流大于可接受电流，则会导致电池内部产生电解水；若充电电流位于曲线左侧，此时的充电电流均为充电的可接受电流。

3 充电站主电路设计
    充电机功能模块包括输入整流电路和功率变换电路。充电站主电路结构图如图2所示。

    该充电机采用全控电力电子元器件为控制核心，如图3所示，控制电路采用达到功率因数正弦波电流的双闭环控制，电流内环是按电压外
环输出的电流指令进行电流控制，电压外环是控制三相电压型PWM整流器直流侧电压。

    该电路可实现正负脉冲间歇工作方式充放电，也可实现恒流充放电。脉冲充放电时，充电脉冲幅值、时间、间歇时间均可设定。脉冲充电时，正脉冲充电产生的电池极化由放电负脉冲及时消除，可减小电池极化电阻，提高蓄电池化成充放电效率。脉冲充电机主电路原理图如图4所示。

    三相380 V交流电源通过相控整流桥整流和LC滤波后得到直流电源。蓄电池充电时，通过控制两个IGBT模块V7，V8的间歇导通和关断来控制充电和放电脉冲的幅值和时间。V7导通，V8关断时，实现正脉冲恒流充电；V7关断，V8导通时，实现负脉冲恒流放电。正负脉冲占空比如图5所示。

    仿真波形如图6所示。可见，充电机输出电流约为300 A，符合对蓄电池进行快速充电的要求。另外，在对蓄电池进行充电实验时设置了如图7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、电流及脉冲大小比较。

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方法和分阶段恒流脉冲充电方法进行对比实验，来验证充电效率。采用分阶段恒流脉冲充电方法时，每个阶段充电过程按照“正脉冲充电→停止充电→负脉冲放电→停止放电→正脉冲充电”循环过程进行。随着充电的进行，充电电流逐阶段减小。
    目前市面上大多充电设备采用分阶段恒流恒压充电方法。根据蓄电池的充电要求，充电初期采用0．5 C(30 A)充电电流进行恒流充电。当充电电压到达14．6 V后，采用恒压充电，直至充满。表1为未使用脉冲时的充电数据。

    充电初期采用0．6 C(36 A)充电电流进行恒流脉冲充电。然后分阶段减小充电电流，以降低充电过程中的出气率。表2为使用脉冲后的充电数据。

5 结论
    采用传统直流充电模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和两种脉冲充电的效率进行测定和比较可知，采用脉冲充电能有效增大电池充电效率，缩短充电时间，并减少析气反应。脉冲充电过程中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，当脉冲充放电时间比为10，脉冲放电电流为0．1 mA时，充电效率最高。可知，这种新式的充电策略对缩短充电时间确实有效，而对其他种类的蓄电池同样具有借鉴意义。