一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法
2023-10-07 02:20:39 2
一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法
【專利摘要】本發明涉及一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，包括：檢測電池的電壓和溫度，判斷是否滿足充電的條件；判斷電池是否達到快速充電的要求，未達要求則先對電池進行小電流的預充電，直到電池滿足快速充電的條件；進入恆流恆壓交替充電第一階段，若電池電壓達到預設電壓上限值，則進入停充、負脈衝充電第一階段；進入恆流恆壓交替充電第二階段，若電池電壓再次達到預設電壓上限值，則進入停充、負脈衝充電第二階段；進入恆流恆壓交替充電第三階段，直到電池電壓達到預設電壓上限值，則進入停止充電第三階段；快速充電階段完成後進入恆壓補足充電階段。本方法可以提高充電效率，縮短充電時間，延長電池壽命。
【專利說明】一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電動汽車充電【技術領域】，涉及一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法。
【背景技術】
[0002]當今世界環境、能源兩大難題的日益突出，電動汽車以優越的環保和節能特性得到快速發展。車載數字式充電機作為電動汽車的重要組成部分，提供外接電源給汽車蓄電池充電，充電時間和電池壽命已經成為衡量電動汽車技術水平的重要標準。
[0003]數千安時以上大容量鉛酸蓄電池多年來一直沿用分級恆流充電方式，即逐級降低充電電流，整個充電過程根據電池型號通常分為5-7級，末級電流一般設置為第一級電流的10%左右，轉級控制的判據為蓄電池電壓升至析氣點。這種傳統分級恆流充電方式在實用中存在一個現象:由於極化累積效應，每次轉級(降低充電電流)後蓄電池電壓很快又重新升至析氣點而再次轉級，致使第一級充電結束後在幾分鐘、甚至幾十秒時間內就轉入末級充電階段。該現象導致的結果是:整個充電過程時間長，末級充電階段電池電壓長時間高於析氣點而產生劇烈氣體析出，充入的電能大部分損耗於溶液的電解水反應而非提高溶液密度/電池蓄能。因此，對既能提高能量利用效率，加快充電速度，又不影響鉛酸蓄電池的使用壽命的新型充電技術的研究具有實際意義。
[0004]為解決傳統分級恆流充電方式的缺點，有人提出了一種帶壓控脈衝的分級恆流充電方法。該充電方法在每級恆流充電階段當蓄電池電壓升至析氣點時附加一段具有去極化作用的脈衝充放電過程，改善了傳統的分級恆流充電方法的缺點，縮短了充電時間、提高了充電效率、電池析氣量相對較少、對電池損傷小。但該方法還存在需要改善的地方:1、該充電方法的充電曲線與馬斯定律中提到的最佳充電曲線有比較大的差距，在相同時間內，充入的電量較少，充電時間相對較長。2、該充電方法在脈衝放電階段，負脈衝的幅值較小，正脈衝的幅值較大，在此過程中，電池的電壓下降較慢，將會減小後一階段的充電時間，電池充入的電量少，增加電池的充電時間。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明的目的在於提供一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，通過該方法能實現與最佳充電曲線相吻合，在同等時間內充入更多的電量，而且電池析氣量少、對電池損害小。
[0006]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0007]—種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，包括以下步驟:
[0008]101、電池充電系統初始化，包括DSP控制模塊和BMS模塊的初始化；
[0009]102、DSP控制模塊通過電池管理系統讀取電池的實時電壓和溫度信息；
[0010]103、根據102步驟檢測到的電壓和溫度判斷當前是否滿足充電的條件；
[0011 ] 104、如果不滿足充電條件，則反覆讀取電池的電壓和溫度，直到滿足可充電條件為止；當滿足充電條件時，則繼續判斷是否達到快速充電電壓要求，這主要是針對長期不用的電池或新電池，如果一開始就進行快速充電，會影響電池的壽命；
[0012]105、如果未達到快速充電電壓值，則採用小電流對電池進行預充電，直到滿足快速充電條件；
[0013]106、當電池溫度和電壓都滿足快速充電條件時，則進入恆流恆壓交替充電第一階段，此時電池極化現象不明顯可以接受大的充電電流，因此該階段恆流的時間可以相對設置長一些；
[0014]107、伴隨著充電過程，電池的容量和電壓都在不斷升高，系統設置了相應的電壓門限值，直到電壓超過門限值，否則一直進行步驟106 ；
[0015]108、如果電池電壓超過了門限值，則進入停充、負脈衝充電第一階段，此階段主要目的是去除電池全部歐姆極化和部分濃差極化，同時電池電壓下降，為下一階段的快速充電做好準備；
[0016]109、在108步驟中，當電壓下降到設定值後，則進入恆流恆壓交替充電第二階段，根據當前的極化程度，適當調整恆流和恆壓充電的時間，以便充入更多的電量；
[0017]110、同步驟107 —樣，直到電池電壓超過系統設定的門限值，否則一直進行步驟109 ；
[0018]111、當電池電壓再次達到設定的門限值，則進入停充、負脈衝充電第二階段，該步驟的作用和108相同；
[0019]112、在111步驟中，當電壓再次下降到設定值後，則進入恆流恆壓交替充電第三階段，根據當前的極化程度，適當調整恆流和恆壓充電的時間，以便充入更多的電量；
[0020]113、同107步驟一樣，直到電池電壓超過系統設定的門限值，否則一直進行步驟112 ；
[0021 ] 114、當電池電壓達到門限值後，則進入停止充電第三階段，對電池停止充電一段時間；
[0022]115、當停止充電第三階段結束後，則進入恆壓充電階段，保證電池充入100 %的電量;
[0023]116、當充電電流小於0.1A後自動轉入浮充階段，補充蓄電池自放電所消耗的能量;
[0024]117、電池充滿電時，充電結束。
[0025]進一步，在步驟104中，長期不用的電池或新電池，如果一開始就進行快速充電，會影響電池的壽命，為避免這一問題需要先對蓄電池進行小電流充電，使電池電壓上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時再進行恆流恆壓交替快速充電。
[0026]進一步，在步驟106、108中，恆流恆壓交替充電第一階段，此時電池極化現象不明顯可以接受大的充電電流，因此該階段恆流充電的時間設置長一些，但每次恆流恆壓充電的周期是固定的；當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充、負脈衝充電第一階段，進入該階段前，需要停充一段時間，之後對電池進行定周期、定佔空比的負脈衝充電；當電池電壓下降到預設值後，停充一段時間，隨後進入下一個充電階段。
[0027]進一步，在步驟109、111中，恆流恆壓交替充電第二階段，此時電池的極化現象相對比較明顯，應適當減小恆流的充電時間，當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充、負脈衝充電第二階段，進入該階段前，同樣需要停充一段時間；之後對電池進行定周期、定佔空比的負脈衝充電，該周期與第一停充階段相同，負脈衝的佔空比適當增大；當電池電壓下降到預設值後，停充一段時間，隨後進入下一個充電階段。
[0028]進一步，在步驟112、114中，恆流恆壓交替充電第三階段，此時電池的極化現象比較嚴重，恆壓充電的時間設置長一些，當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充第三階段，隨後進入補足充電階段。
[0029]進一步，在步驟117中，充電結束的判斷採用多種方法混合式判斷策略，結合蓄電池最高充電溫度、兩端最大電壓、最長充電時間和蓄電池兩端變化電壓-△ V共同判斷是否充滿，從而保證電池在充滿電時能夠及時停充，即使在充電過程中發生異常情況也能夠及時切斷電源，從而達到保護蓄電池的作用。
[0030]本發明的有益效果在於:在本發明所述方法中，在給電池充電前，根據檢測其電壓、溫度等信息判斷是否滿足快速充電要求，從而延長電池壽命。快速充電分為三個階段，每個階段都包括恆流恆壓交替充電和負脈衝放電，根據各個階段的極化程度，設定相應的恆流恆壓充電的時間比，使充電曲線最大程度接近最佳電流充電曲線。在保證電池安全、無損的前提下，短時間內充入更多的電量。本發明提出的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法具有充電效率高，充電時間短，延長電池壽命、快速、無損的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0032]圖1為帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法的流程圖；
[0033]圖2為實施例中充電機結構示意圖；
[0034]圖3為實施例中充電電流和電壓曲線。
【具體實施方式】
[0035]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0036]在本實施例中，蓄電池選用松下鉛酸蓄電池(LC_X12100)，8節串聯，電壓96V，容量 30AH。
[0037]如圖1所示，本發明的一實施例的帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法的流程圖，具體包含步驟如下:
[0038]首先定義以下參數量:
[0039]1_一最大充電電流20A，Ilp—負脈衝充放電電流O?20A，Ves「恆壓充電電壓117.6V，Vf—浮充電壓108V，Vmin—最低充電電壓84V，U —電池充電電壓，I—電池充電電流，C一電池的溫度，T1 一恆流恆壓交替充電周期，T2—負脈衝放電周期，'一放電電壓下限值96V, Vh—充電電壓上限值117V。
[0040]步驟101:對整個充電系統初始化，包括DSP控制模塊230和BMS模塊227的初始化；
[0041]步驟102:DSP控制模塊230通過電池管理系統227讀取充電電壓U、充電電流I和電池溫度C等信息；
[0042]步驟103:根據檢測到的電壓和溫度判斷是否滿足充電的條件；
[0043]步驟104:如果不滿足充電條件，則反覆讀取電池的電壓和溫度，直到滿足可充電條件為止。當滿足充電條件時，則繼續判斷是否達到設定的快速充電電壓Vmin，這主要是針對長期不用的電池或新電池，如果一開始就進行快速充電，會影響電池的壽命；
[0044]步驟105:如果未達到快速充電電壓84V，則用0.05C對電池進行涓流充電，直到滿足快速充電條件；
[0045]步驟106、107、108:當電池溫度和電壓都滿足快速充電條件時，則進入恆流恆壓交替充電第一階段，交替充電的周期設定為1110ms，初始充電電流設定為0.6C，即18A。一個周期T1內恆流充電的時間設定為730ms，恆壓充電的時間設定為370ms。隨著充電過程的進行，電壓不斷升高，當電壓達到最高限制電壓117V時，則進入負脈衝放電第一階段，放電脈衝周期T2取50ms,負脈衝放電時間為1ms,負脈衝電流值取18A。隨著放電過程的進行，電壓快速下降，當下降到設定的下限電壓96V時，則進入恆流恆壓交替充電第二階段。
[0046]步驟109、110、111:恆流恆壓交替充電第二階段與第一階段類似，交替充電的周期設定為1100ms，初始充電電流設定為0.4C，即12A。根據當前電池的極化程度，一個周期T1內恆流充電的時間設定為600ms,恆壓充電的時間設定為500ms。當電壓再次達到最高限定電壓117V時，則進入負脈衝放電第二階段，放電脈衝周期T2取50ms，負脈衝放電時間為1ms,負脈衝電流值取18A。隨著放電過程的進行，電壓快速下降，當下降到設定的下限電壓96V時，則進入恆流恆壓交替充電第三階段。
[0047]步驟112、113、114:恆流恆壓交替充電第三階段與前兩個階段同樣類似，交替充電的周期設定為1100ms，初始充電電流設定為0.3C，即9A。根據當前電池的極化程度，一個周期T1內恆流充電的時間設定為370ms，恆壓充電的時間設定為730ms。當電壓再次達到最高限定電壓Vh時，則進入停充第三階段，停止充電的時間設定為20s。
[0048]步驟115:隨後進入恆壓補足充電階段，恆壓充電電壓為VH。
[0049]步驟116:當充電電流小於0.1A後自動轉入浮充階段，補充蓄電池自放電所消耗的能量。
[0050]步驟117:根據最高充電溫度、兩端最大電壓、最長充電時間和蓄電池兩端變化電壓-AV共同判斷電池是否充滿，結束充電。
[0051]如圖2、圖3所示，本發明具體實施的充電機結構示意圖200:充電機結構主要包括功率主電路部分210、控制電路部分220、電池管理系統部分227、DSP控制單元230。
[0052]本發明具體實施例的充電電壓和電流曲線的變化規律如圖3所示，DSP控制單元230通過電池管理系統部分227獲取電池實時電壓、電流和溫度等信息。
[0053]本發明給電池充電前，通過檢測其電壓、溫度等信息判斷是否滿足快速充電要求，延長電池壽命。快速充電分為三個階段，每個階段都包括恆流恆壓交替充電和負脈衝放電，根據各個階段的極化程度，設定相應的恆流恆壓充電時間比，使充電曲線最大程度地接近最佳電流充電曲線。在保證電池安全、無損的前提下，短時間地充入更多的電量。
[0054]最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。
【權利要求】
1.一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:包括以下步驟: 101、電池充電系統初始化，包括DSP控制模塊和BMS模塊的初始化； 102、DSP控制模塊通過電池管理系統讀取電池的實時電壓和溫度信息； 103、根據102步驟檢測到的電壓和溫度判斷當前是否滿足充電的條件； 104、如果不滿足充電條件，則反覆讀取電池的電壓和溫度，直到滿足可充電條件為止；當滿足充電條件時，則繼續判斷是否達到快速充電電壓要求； 105、如果未達到快速充電電壓值，則採用小電流對電池進行預充電，直到滿足快速充電條件；106、當電池溫度和電壓都滿足快速充電條件時，則進入恆流恆壓交替充電第一階段，此時電池極化現象不明顯可以接受大的充電電流，因此該階段恆流的時間可以相對設置長一些； 107、伴隨著充電過程，電池的容量和電壓都在不斷升高，系統設置了相應的電壓門限值，直到電壓超過門限值，否則一直進行步驟106 ； 108、如果電池電壓超過了門限值，則進入停充、負脈衝充電第一階段，此階段主要目的是去除電池全部歐姆極化和部分濃差極化，同時電池電壓下降，為下一階段的快速充電做好準備； 109、在108步驟中，當電壓下降到設定值後，則進入恆流恆壓交替充電第二階段，根據當前的極化程度，適當調整恆流和恆壓充電的時間，以便充入更多的電量； 110、同步驟107—樣，直到電池電壓超過系統設定的門限值，否則一直進行步驟109 ； 111、當電池電壓再次達到設定的門限值，則進入停充、負脈衝充電第二階段，該步驟的作用和108相同； 112、在111步驟中，當電壓再次下降到設定值後，則進入恆流恆壓交替充電第三階段，根據當前的極化程度，適當調整恆流和恆壓充電的時間，以便充入更多的電量； 113、同107步驟一樣，直到電池電壓超過系統設定的門限值，否則一直進行步驟112； 114、當電池電壓達到門限值後，則進入停止充電第三階段，對電池停止充電一段時間； 115、當停止充電第三階段結束後，則進入恆壓充電階段，保證電池充入100%的電量； 116、當充電電流小於0.1A後自動轉入浮充階段，補充蓄電池自放電所消耗的能量； 117、電池充滿電時，充電結束。
2.根據權利要求1所述的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:在步驟104中，長期不用的電池或新電池，如果一開始就進行快速充電，會影響電池的壽命，為避免這一問題需要先對蓄電池進行小電流充電，使電池電壓上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時再進行恆流恆壓交替快速充電。
3.根據權利要求1所述的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:在步驟106、108中，恆流恆壓交替充電第一階段，此時電池極化現象不明顯可以接受大的充電電流，因此該階段恆流充電的時間設置長一些，但每次恆流恆壓充電的周期是固定的；當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充、負脈衝充電第一階段，進入該階段前，需要停充一段時間，之後對電池進行定周期、定佔空比的負脈衝充電；當電池電壓下降到預設值後，停充一段時間，隨後進入下一個充電階段。
4.根據權利要求1所述的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:在步驟109、111中，恆流恆壓交替充電第二階段，此時電池的極化現象相對比較明顯，應適當減小恆流的充電時間，當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充、負脈衝充電第二階段，進入該階段前，同樣需要停充一段時間；之後對電池進行定周期、定佔空比的負脈衝充電，該周期與第一停充階段相同，負脈衝的佔空比適當增大；當電池電壓下降到預設值後，停充一段時間，隨後進入下一個充電階段。
5.根據權利要求1所述的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:在步驟112、114中，恆流恆壓交替充電第三階段，此時電池的極化現象比較嚴重，恆壓充電的時間設置長一些，當電池的電壓達到預設的門限值時，則進入停充第三階段，隨後進入補足充電階段。
6.根據權利要求1所述的一種帶負脈衝的分段恆流恆壓交替充電方法，其特徵在於:在步驟117中，充電結束的判斷採用多種方法混合式判斷策略，結合蓄電池最高充電溫度、兩端最大電壓、最長充電時間和蓄電池兩端變化電壓-共同判斷是否充滿，從而保證電池在充滿電時能夠及時停充，即使在充電過程中發生異常情況也能夠及時切斷電源，從而達到保護蓄電池的作用。
【文檔編號】H01M10/44GK104269583SQ201410503793
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】黃智宇, 陳波, 徐正龍, 楊燾 申請人:重慶郵電大學