電動汽車智能快速充電技術(shù)研究

張哲宇　陳凱強　金俊凱

摘? 要：針對電動汽車鋰離子動力電池快速充電問題，本文基于PWM控制技術(shù)設(shè)計了一套脈沖式快速智能充電電路，該電路以STM32單片機為核心，可根據(jù)被充電電池特性，采用變倍率的脈沖充電方法，充電過程中能及時檢測被充電電池的狀態(tài)并實時調(diào)整充電脈沖的寬度，從而實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池的智能快速充電。

關(guān)鍵詞：智能快速充電;PWM脈沖充電;充電樁電路;檢測狀態(tài);STM32單片機

中圖分類號：TM910.6;TM461.3? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）23-0030-03

Research on Intelligent and Fast Charging Technology of Electric Vehicle

ZHANG Zheyu，CHEN Kaiqiang，JIN Junkai

（Zhejiang University Ningbo Institute of Technology，Ningbo? 315100，China）

Abstract：Aiming at the fast charging problem of lithium-ion power battery for electric vehicle，a pulse-type fast intelligent charging circuit is designed based on PWM control technology. The circuit takes STM32 single chip computer as the core. According to the characteristics of the charged battery，a variable-rate pulse charging method is adopted，which can detect the status of the charged battery in time and adjust the width of the charging pulse in real time during the charging process，so as to realize the fast and intelligent charging of lithium-ion iron phosphate batteries.

Keywords：intelligent fast charging;PWM pulse charging;charging pile circuit;detection status;STM32 single chip computer

0? 引? 言

生活水平的提高，人們的出行生活越來越多地依賴于汽車，以致汽車擁有量不斷增加，從而加重了車尾氣造成的環(huán)境污染，另外汽車數(shù)量的增多也使石油等資源的利用度劇增，嚴重造成這些能源的緊缺。這種現(xiàn)象嚴重違背了當代汽車發(fā)展中的“節(jié)能環(huán)?！敝黝}。因此，電動汽車因具有較高的性能、較低的尾氣排放和較好的續(xù)航能力等優(yōu)點受到眾人的青睞[1]。

因此，如何快速高效而且低損地為動力電池充電不僅對電動汽車的發(fā)展具有重要意義，而且是對電動汽車發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。本文以電動汽車以鋰離子動力電池為分析對象，研究如何改進其快速充電方法。

1? 鋰離子電池充電特性分析

在蓄電池恒流充電過程中，由于其容量的限制，只能充到某個確定的數(shù)值。超出這一數(shù)值，電解液就會分解產(chǎn)生氣體，并引起電池的溫度升高，降低電池的充電速度。

由于電池的基本特性，充電過程中電池接受的電流量會逐漸減少。這意味著如果用恒定電流I0充電，就會產(chǎn)生氣體。根據(jù)馬斯三定律，當前電流的大小取決于電池可以接受的電流大小，而充電量的大小取決于電池的深度和電流。如果我們使用短時間的大電流放電方法，可以減少電池容量的大量損失，而且還可以增加充電過程中接受的電流。這些與釋放的電量和放電時間相比相對較小，其充電電量和充電時間，突破了充電電流接受曲線的理論限制。以這種方式，可以獲得恒定電流充電曲線，即接受電流仍然可以保持大電流。

磷酸鐵鋰電池充電方法的選擇很重要。這是電路的基本點，所有的電路設(shè)計都需要在電池周圍進行部署。不同的充電方式會有很大差異，充電效果會有所不同，而且對電池性能的影響會有所不同，選擇最合適的充電方法，應(yīng)該考慮電池的充電頻率，放置點的放大倍數(shù)等因素。

充電時，磷酸鐵鋰電池的電壓隨時間變化特性曲線如圖1所示。

由圖1中可以看到，電池開始充電時會產(chǎn)生強烈的電化學反應(yīng)，表現(xiàn)在OA段，在這個階段，電池兩端的活性物質(zhì)反應(yīng)劇烈，充電率高，接近100%。電壓上升得非?？臁ｋS著電池主要反應(yīng)和副反應(yīng)同時進行，電化學反應(yīng)逐漸達到平衡，可以看到AB段速度開始放慢。但是并不代表著電壓就趨于平穩(wěn)，它還是一個緩慢上升的過程，在此階段，充電的速率逐漸降低。隨著充電時間的增長，電池中的化學反應(yīng)有可能會析出氣體，這會導(dǎo)致電壓繼續(xù)升高，如圖中BC段，電壓升高趨勢還在增加。當充電至電池快要達到飽和狀態(tài)時只剩下副作用和自放電反應(yīng)，電池的端電壓升至最高到達CD段，這時如果停止充電，電池的極化會減弱至消失，電池的端電壓就會像圖中DE部分一樣先有所下降再趨于平衡。

2? 三段脈沖式充電法

本文所采用的方法為三段脈沖式充電法，將充電分成三段進行，第一階段，先采用恒定的周期性電流脈沖對電池進行快速充電，短時間內(nèi)能為電池充入較多的電量，當充電進行到一定階段后，進入第二階段，采用恒定電壓進行脈沖充電，可以保證電池不會過充，保證電池的性能和壽命，當電池容量接近飽和時，進入第三階段，采用涓流脈沖充電，即以很小的脈沖對進行充電，使電池達到飽和且不會使電池產(chǎn)生過充現(xiàn)象，三段脈沖式充電法充電曲線如圖2所示。

3? 鋰離子電池快速充電電路設(shè)計與仿真

本電路采用MATLAB完成動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真。電源部分仿真如圖3所示，將220V/50Hz電壓輸入經(jīng)過全橋整流變壓可以得到大概320V左右的電壓，通過反激電路中的IGBT可以接入生成的脈沖信號，使得輸出的是交流信號，之后再連上變壓器，通過變壓器變換分成兩個輸出的電壓，再經(jīng)過一次整流橋可以將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后經(jīng)過BUCK電路變換后分別可以輸出42V和5V電壓[2]。

反激式DC-DC變換器的IGBT由PI調(diào)節(jié)器輸出脈沖控制，將直流變?yōu)榻涣?，在負載端子處保持1p.u電壓（380Vrms，50Hz）。能實現(xiàn)所選電力電子設(shè)備的橋接。串聯(lián)RC緩沖電路與各開關(guān)裝置并聯(lián)。當模型被離散化時，閉合導(dǎo)通可以產(chǎn)生不同的緩沖電壓。對于大多數(shù)應(yīng)用，此處的二極管和晶閘管的內(nèi)部電感長應(yīng)設(shè)為零[3]。

PWM控制模塊，主要功能是閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)脈沖。在constant中設(shè)定5表示5V電壓，在將后面部分電路降下的5V電壓轉(zhuǎn)換成信號進行對比，經(jīng)過PI控制調(diào)節(jié)器，設(shè)定參數(shù)Kp=1，Ki=5，用傳遞函數(shù)建立線性系統(tǒng)模型，乘一個比例系數(shù)，將參數(shù)放入PWM波生成模塊中，再輸出給IGBT管，進行控制開關(guān)的通斷[4]。

最后可以看到結(jié)果：一系列整流降壓后輸出的兩部分電壓波形在一點的時間之后逐漸趨于穩(wěn)定，如圖4所示。其中5V電壓出現(xiàn)波動是因為紋波干擾。

4? 快速充電系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于PWM技術(shù)的蓄電池智能快充控制系統(tǒng)設(shè)計，采用STM32對系統(tǒng)的控制，采用三段脈沖式充電法對電池進行充電。并且通過檢測蓄電池的當前狀態(tài)來改變充電的電壓、和電流大小，且實時監(jiān)控當前溫度，避免電池過熱而導(dǎo)致電池壽命減短甚至發(fā)生爆炸，當電池溫度過高，就會發(fā)出警報并停止充電，而且通過檢測當前狀態(tài)把電池當前的實時數(shù)據(jù)反饋到屏幕上[5]。

根據(jù)圖5電池最佳可接受充電電流曲線與圖2三段脈沖式充電法曲線對比可知，三段脈沖式充電法更加貼近電池最佳可接受充電電流曲線，所以此方法能有效地提高蓄電池充電的速度。

系統(tǒng)主程序設(shè)計流程如圖6所示，基于PWM技術(shù)的蓄電池智能快充控制系統(tǒng)，使用ADC的DMA采樣原理，采集電池的電流、電壓和溫度信息，反饋到顯示屏上。通過PWM調(diào)節(jié)占空比，從而控制MOS管的開關(guān)與頻率，闡述了該程序的設(shè)計思路及軟件設(shè)計及其講解，軟件通過流程圖給出直觀的運作方式，通過大量的資料表明，本設(shè)計方式可以使充電速度高于傳統(tǒng)的充電方式，大約比傳統(tǒng)的恒壓恒流方式充電節(jié)省20%以上的充電時間，所以本設(shè)計的充電方式既可以節(jié)省充電時間又可以延長蓄電池壽命。

5? 結(jié)? 論

本文針對目前充電方法充電時間長、嚴重影響電池壽命、效率低下等缺點，深入分析國內(nèi)外充電控制技術(shù)，結(jié)合馬斯三定律，提出了基于PWM控制的新型三段脈沖式充電法，系統(tǒng)通過ADC實時檢測蓄電池當前狀態(tài)而采取三種不同的充電方式的控制策略，以實現(xiàn)快速、高效、綠色充電的設(shè)計目標。本文提出了一種使用STM32芯片控制的基于PWM技術(shù)的蓄電池智能快充控制系統(tǒng)設(shè)計方法，采用單片機內(nèi)置高精度12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)采集電池實時電壓功能，利用PWM控制脈沖占空比，并采用高精度熱敏電阻實時采集溫度，并且實時反饋當前蓄電池的狀態(tài)。

參考文獻：

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[2] 郭亮.電動車用蓄電池充電技術(shù)的進展 [J].電池，2002（4）：245-246.

[3] 湯才剛，朱紅濤，李莉，等.基于PWM的逆變電路分析 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（1）：159-160+163.

[4] 徐麗香.大宇DVD機開關(guān)電源工作原理分析 [J].電子世界，2005（10）：62-63.

[5] WANG H，XIAO J. Delivering discontinuous innovation through modularity：The case of Chinese electric vehicle industry [C]// Picmet 11：Technology Management in the Energy Smart World. IEEE，2011：1-7.

作者簡介：張哲宇（1997-），男，漢族，江蘇泰州人，學士學位，本科，研究方向：電機控制;陳凱強（1996-），男，漢族，廣東清遠人，學士學位，本科，研究方向：電機控制;金俊凱（1996-），男，漢族，浙江溫州人，學士學位，本科，研究方向：電機控制。