關(guān)于快速充電技術(shù)的探討

　　隨著(zhù)各種蓄電池的廣泛使用，快速充電技術(shù)已經(jīng)引起人們的廣泛重視。傳統的充電方法充電時(shí)間過(guò)長(cháng)，且由于充電過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)單而會(huì )使蓄電池壽命縮短，因此已經(jīng)面臨淘汰。相應的，一些新的快速充電方法開(kāi)始涌現，并已應用于生產(chǎn)實(shí)踐中。同時(shí)，充電電源的發(fā)展也非常迅速，在大功率充電領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源發(fā)展迅速，已經(jīng)開(kāi)始逐步替代傳統的相控電源。本文中從快速充電原理、充電方法、充電電源以及充電控制的實(shí)現等角度，對快速充電技術(shù)進(jìn)行了探討。

　　1 快速充電原理

　　蓄電池的種類(lèi)很多，目前應用最廣的主要是密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池。這2種蓄電池的充放電原理都是一樣的，即都是通過(guò)化學(xué)反應產(chǎn)生正負離子形成電流。

　　電池在充放電的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生氧氣，在密封式蓄電池中，這些正極產(chǎn)生的氧氣可以通過(guò)隔膜和氣室被負極吸收，整個(gè)化學(xué)反應形成一個(gè)循環(huán)的反應形式。就密封式電池而言，它的內壓有限，因此負極的吸收速度也是有限的。如果充電電壓過(guò)高，正極產(chǎn)生氧氣的速度過(guò)快，負極的吸收速度跟不上氧氣的產(chǎn)生速度，長(cháng)時(shí)間之后必然造成電池失水，從而誘發(fā)電池的微短路硫酸化等失效現象，損害電池的質(zhì)量，縮短其使用壽命。同時(shí)高速率充電時(shí)電池的極化會(huì )造成電池內部壓力上升，電池溫度上升，電池內阻升高，這不僅會(huì )縮短電池壽命，而且有可能對電池造成永久性傷害。蓄電池的這一化學(xué)反應原理是研究制定快速充電方法的根本。一方面，快速充電要盡量加快電池的化學(xué)反應，使充電速度得到最大的提高;另一方面，又要保證負極的吸收能力，使其能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能消除電池的極化現象。

　　提高蓄電池的化學(xué)反應速度有2種方式，一是改進(jìn)蓄電池的結構以降低其內阻和提高反應離子的擴散速度，二是改進(jìn)蓄電池的充電方法。本文中對充電方法作了重點(diǎn)論述。

　　2 充電方法

　　不同種類(lèi)的蓄電池，具有不同的充放電曲線(xiàn)，其相應的充電方法也有很大的不同。在研究具體的充電方法時(shí)，要考慮到這一點(diǎn)以選擇合適的方法。 以鉛酸蓄電池為例，傳統的充電方法（恒流充電或恒壓充電）由于本身的弊端，已基本被淘汰?，F行的充電方法大都是使其充電曲線(xiàn)盡可能地模擬蓄電池的最佳充電曲線(xiàn)。 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯（J.A.MAS）提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線(xiàn)，即任一時(shí)刻蓄電池能接受的充電電流為 I=I0expAt 式中：I0為初始充電電流;A為充電接受比;t為充電時(shí)間。

　　圖1示出蓄電池的最佳充電曲線(xiàn)?？梢钥闯?，充電電流隨時(shí)間按指數規率下降。

　　圖1 蓄電池的最佳充電曲線(xiàn)

　　1）如果充電電流工作在N區，則電流過(guò)大，會(huì )導至溫升，在充電電壓過(guò)高時(shí)會(huì )有大量氣體析出，會(huì )對電池造成損壞。

　　2）如果充電電流工作在M區，是可接受的，但充電時(shí)間不能達到最短。

　　3）如果充電電流沿著(zhù)曲線(xiàn)軌道變化，是理想的充電狀態(tài)。實(shí)驗證明，如果充電電流按這條曲線(xiàn)變化，可以大大縮短充電時(shí)間，并且對電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。這條充電曲線(xiàn)即為最佳充電曲線(xiàn)。

　　分級定流充電法和脈動(dòng)式充電法的基本思想就是使其充電曲線(xiàn)盡可能地模擬最佳充電曲線(xiàn)。圖2是分級定流充電法中三級充電法的充電曲線(xiàn)圖，圖3是脈動(dòng)式充電曲線(xiàn)圖。在目前蓄電池充電機的市場(chǎng)中，分級定流充電法得到了廣泛地應用。脈動(dòng)式充電法大多數是采用脈沖充電法和分級定流充電法相結合的方法，將充電過(guò)程曲線(xiàn)分為幾段，每段分別采取恒流脈沖充電或恒壓脈沖充電。

　　圖2 蓄電池的三級充電法

　　圖3 蓄電池的脈沖充電法

　　廈門(mén)大學(xué)的陳體銜教授近2年提出間歇充電法，其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的恒電流充電段采用最佳充電電流，獲得絕大部分充電量;充電后期采用定電壓充電，獲得過(guò)充電量，將電池恢復至完全放電態(tài)。圖4是采用變電流間歇充電法的電壓為6V、容量為4Ah的完全放電態(tài)電池（荷電態(tài)為0）的充電曲線(xiàn)。這一曲線(xiàn)形象地表明了變電流間歇充電的過(guò)程。

　　圖4 變電流間歇充電曲線(xiàn)

　　筆者以變流間歇充電為基礎，提出了變壓間歇充電法。這種充電方法是把變流間歇充電中的變流改為變壓，通過(guò)間歇停充，使蓄電池化學(xué)反應產(chǎn)生的氧氣有時(shí)間被重新化合吸收掉，從而減輕了蓄電池的內壓，使蓄電池可以吸收更多的電量。變壓充電更符合蓄電池的最佳充電曲線(xiàn)。這是因為：

　　1）蓄電池的容量在使用大電壓恒充后已經(jīng)得到很大的補充，再次充電時(shí)使用同樣的電壓恒充，電池本身的接受能力已有了一定的限制，充電效率會(huì )下降。采用降低一級的電壓進(jìn)行恒充，就等于是在電池已經(jīng)降低接受能力的情況下用最適宜此時(shí)接受 能力的電流充電，因此充電效果顯然是最好的。

　　圖5 蓄電池的等效模型

　　2）在研究充電動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以將電池近似地看為一個(gè)大 電容和一個(gè)小電阻，用圖5的簡(jiǎn)單模型表示。其中：U是充電電壓，IC是充電電流。 ICRs+UC=U 其中 IC=CdUC/dtUC=a+bexp（-t/T） 則 IC=dexp（-t/T） 其中：a，b，d為常數;T為時(shí)間常數，T=RsC。在恒壓充電期間，電池等效內阻Rs近似不變，則充電電流按指數規律衰減。 圖6是變壓間歇充電的曲線(xiàn)圖，和圖1相比較可以看到，這種充電曲線(xiàn)能夠充分模擬最佳充電曲線(xiàn)。試驗結果驗證，這種充電方法的確能夠有效地提高充電的速度和效率。

　　圖6 變電壓間歇充電曲線(xiàn)

　　3）從工程角度來(lái)看，恒壓控制更容易實(shí)現。

　　3 充電電源

　　目前市場(chǎng)上有許多充電集成電路，但大多是針對小功率充電器的，大功率充電器則需要自行設計相應的充電電源。傳統的充電電源主要是相控電源，因為包含工頻變壓器造成電源本身體積較大，且功率損耗也很大。開(kāi)關(guān)電源由于開(kāi)關(guān)頻率比較高，所以有體積小、重量輕、損耗小和效率高等特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展非常迅速，其應用也日益廣泛，有逐步取代傳統電源的趨勢。筆者根據系統的要求，設計了30kHz的高頻開(kāi)關(guān)電源作為充電電源。高頻電源中的損耗主要有導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、截止損耗和磁芯損耗，其中導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗占據很大的比重。為了有效地降低開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，選擇IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管。IGBT是一種新型復合器件，它集雙極型功率晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓型控制、輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單和元件容量大等優(yōu)點(diǎn)。功率開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路選用專(zhuān)用的IGBT驅動(dòng)集成電路EXB841，用于驅動(dòng)大容量、高速I(mǎi)GBT（容量在300A，1200V以下，頻率在40kHz以下）的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片;它由放大部分、過(guò)流保護部分和5V電源基準部分組成。過(guò)流保護部分實(shí)現過(guò)流檢測和延時(shí)保護功能，能夠提供+15V和-5V2種電壓，以滿(mǎn)足IGBT開(kāi)通時(shí)所需的正偏壓和關(guān)斷時(shí)所需的負偏壓。

　　在系統中，設計了移相式零電壓全橋逆變電路，其電路原理圖和波形圖見(jiàn)圖7。這種變換器是在恒頻變換器和移相控制諧振變換器兩者的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它利用變壓器的漏感和開(kāi)關(guān)管的寄生電容來(lái)實(shí)現零電壓;采用移相控制，每相橋臂的導通相差一個(gè)移相角。系統中采用的移相控制芯片是美國Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875。

　　圖7 移相式零電壓開(kāi)關(guān)的全橋變換器結構（a）和控制波形（b）

　　同普通的全橋電路相比，電路中增加了一個(gè)諧振電感Lr，在4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)了一個(gè)電容Ci（i=1，2，3，4），Ci含開(kāi)關(guān)器件的寄生電容。開(kāi)關(guān)管的控制波形如圖7（b）所示。其中的3，1，4，2段即死區時(shí)間，除死區時(shí)間外，電路中總是有2個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導通，共有4種組合：2和3，3和1，1和4，4和2;周而復始地工作。其中的2和3，1和4組合為全橋逆變電路，輸出能量;3和1，4和2不輸出能量。調節這2類(lèi)組合的時(shí)間比例，即調節移相角，就可以實(shí)現輸出信號的調節。電路的諧振發(fā)生在4種組合相互轉換的死區時(shí)間內，每一開(kāi)關(guān)周期有4次。

　　逆變電路參數的不同，使相位超前的橋臂開(kāi)關(guān)S1和S2容易實(shí)現零電壓導通，而相位滯后的橋臂開(kāi)關(guān)S3和S4不太容易實(shí)現零電壓導通。這就要求相應電感的選取要符合一定的條件，以滿(mǎn)足系統諧振的要求。

　　進(jìn)行了電源移相控制測試試驗（圖8）。試驗結果表明，在負載一定的情況下，移相控制角由0～180°的調整，可以線(xiàn)性地調整電源輸出電壓。當移相控制角為0°時(shí)，電源輸出電壓為0，充電電源停止輸出電流;當移相控制角為180°時(shí)，電源輸出電壓和輸入電壓基本一致，此時(shí)充電電源的輸出電壓最大。

　　經(jīng)過(guò)功率變換器后的輸出波形見(jiàn)圖9（a），通過(guò)高頻變壓器后的波形與其相同。經(jīng)整流輸出后的波形如圖9（b），是移相控制角為90°，變換器前置直流電壓50V時(shí)的情況，這種情況下的輸出電壓波形接近占空比為50%的方波。

　　圖8 移相控制角與輸出功率和輸出電壓的關(guān)系 （a）功率變換器輸出波形（變壓器次級輸出波形）（b）電源高頻整流輸出波形

　　圖9 測試試驗中的輸出波形

　　4 模糊控制器結構設計

　　系統采用了變壓間歇充電法，可以適時(shí)轉變充電及其間歇過(guò)程。系統通過(guò)實(shí)時(shí)控制其充電間歇過(guò)程采集蓄電池端電壓。當蓄電池達到預定的停充電壓時(shí)，停止充電并間歇預定的時(shí)間，然后系統調整進(jìn)入下一階段的充電過(guò)程。恒壓充電過(guò)程，采用筆者提出的模糊控制方法，即在每一個(gè)恒壓階段，根據輸入變量的變化進(jìn)行模糊推理，決定輸出變量的變化量，使充電電壓保持恒定。

　　模糊控制器的基本結構見(jiàn)圖10。選擇蓄電池端電壓的誤差e和誤差變化率e?作為模糊控制器的輸入量，選擇移相控制角作為輸出變量。系統通過(guò)實(shí)時(shí)采集蓄電池的端電壓，計算出誤差和誤差變化率，經(jīng)折算后判斷其所處的狀態(tài)，進(jìn)行模糊推理，再經(jīng)清晰化，獲得控制量U，通過(guò)調整移相控制角的大小，即可調整充電電壓的大小。整個(gè)設計過(guò)程包括3個(gè)部分：精確模糊化，模糊推理和控制量的清晰化。

　　圖10 蓄電池模糊控制器的基本結構圖

　　關(guān)于精確模糊化，在此作一說(shuō)明。本系統選定蓄電池端電壓Ud的誤差e（e=Ur，Ur為給定電壓）及誤差變化率e 作為模糊控制器的輸入變量，移相控制角作為模糊控制器的輸出語(yǔ)言變量。由于誤差和誤差變化率實(shí)際變化范圍很大，需將它們轉換到固定區域內。端電壓在充電過(guò)程中總處于上升階段，因此e的變化范圍只選正半部分;考慮到誤差變化率在接近出氣點(diǎn)時(shí)數值很大，模糊語(yǔ)言變量可以考慮再增加PVL（正向非常大的變化）。因此e的語(yǔ)言變量選 PS，PM，PL，PVL;e? 的語(yǔ)言變量選NS，ZE，PS，PM，PL，PVL。再根據實(shí)際情況，確定輸入語(yǔ)言變量的量化因子，輸出語(yǔ)言變量的比例因子和隸屬函數。

　　5 結束語(yǔ)

　　快速充電方法的確定與充電效果有著(zhù)密切的關(guān)系，在設計充電系統時(shí)，需要根據充電對象和系統要求確定合適的充電方法，同時(shí)根據系統要求選擇相應的充電集成電路，或者設計相應的充電電源和充電電路。