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电动汽车充电技术和充电装置研究的进展


格雷创科技 / 2012-03-23

      随着国内外电动汽车技术的快速发展,在国家“十五”863电动汽车重大专项的推动下,电动汽车充电技术研究和充电装置研发引起了相关科技人员和产业界的高度关注并取得了重要进展。


     电动汽车充电技术研究取得的成果,充电装置实质上是充电控制装置与变流电路的结合体。各类变流电路拓扑已经相当成熟。在变流技术成熟的条件下,影响充电装置性能的主要因素是充电控制技术。


    电动汽车充电装置的设计不能完全照搬工业变流装置的设计规范、技术标准。否则,在充电过程中会造成电池组和电动汽车被烧毁的恶性事故。例如,国内某单位研制了一种与普通直流电源没有实质区别的电动汽车充电机,并将大功率直流电阻作为负载进行产品试验检测,虽主要检验指标全部达到“优良”,但在实际投入使用的一个月左右的时间内,有近半数的充电机发生故障且有一套锂离子电池组被烧毁。


    受变流技术(如真空管整流器、硒整流器、SCR整流器等)和变流控制技术的限制,分阶段恒流充电模式在很长一个时期内主导电池充电工艺。分阶段恒流充电模式无法与电池可接受的充电电流曲线吻合。充电过程始终在小于或大于电池可接受的充电电流的状态下进行。只有在极短的几个点上,充电电流与电池可接受充电电流相吻合。在小于电池可接受的充电能力时,延长了充电时间。在大于电池可接受充电能力时,充电过程会产生严重极化而伤害电池,使电池实际可接受充电电流快速下降,从而降低充电效率,延长充电时间。


    随着电力电子技术和变流控制技术的飞速发展,高精度可控变流技术的成熟和普及,分阶段恒流充电模式已经基本被充电电流和充电电压连续变化的恒压限流充电模式取代。若参数选择正确,恒压限流充电模式的充电电流最接近电池理论可接受充电电流曲线。直到目前,主导充电工艺的仍首推恒压限流充电模式。

 

    传统的恒压限流充电模式是基于假设充电过程中各单元的充电电压和充电接受能力相同为基础的。由于电池性能不一致的绝对性,传统的恒压限流充电模式只能应用在一致性好、串联数量少和允许一定程度过充电的电池系统中,如能够承受较大过充电的铅酸类电池。对于电动汽车采用的耐过充电能力十分有限的阀控密封电池(VRL)、锂离子Ni-MH类新型动力电池,传统的恒压限流充电模式是无法保障电池系统的充电安全和不受伤害的。VRL类电池的过充电虽无发生恶性安全事故的风险,但会对电池造成严重害。锂离子和Ni-MH类电池的过充电,则可能发生温度失控和燃烧爆炸的恶性事故。因此,传统的恒压限流模式不能简单应用于电动汽车充电装置。


    由80个锂离子电池单体组成的额定电压为288V电动汽车电池组在充电电流为40A时各电池单体电压的情况。
    额定充电电压:4. 20V×108=453. 6V;
    实际充电电压:354. 6V(平均充电电压为4.03V);
    电池单体最高电压:4. 37V/3号电池;
    电池单体最低电压:3. 89V/39号电池。


    若按传统的恒压限流充电模式,则电池组端电压与恒压值还差15. OOV,单体电池平均端电压只有4. 03V,充电电流还不会自动下降,充电电压将继续上升。但其中的3号电池单体充电电压已经超过了额定充电电压4. 20V,达到4. 37V,应减小充电电流,否则将引起安全问题。


    上面的例子说明,在充电后期,虽然电池组的端电压小于或等于额定恒压值,但个别单体电池电压已经超过了允许的恒压值。若对部分超过“恒压”值的电池端电压得不到有效控制,将不可避免地发生电池损坏和安全隐患。


    传统的恒压限流充电控制方法之所以在较长一段时间没有引起质疑,主要原因是大多数电池组的电池单体数量少。如汽车电池组长期使用的是12V和24V电池系统,电动叉车和电动运输车电池组标称大多为电压24V、36V、48V,部分大功率电动车辆的电压虽较高,但一般在96V以下。对于非密封可再补液的电池,由于电池单体个数较少,电池一致性引起的问题不突出。即使出现过压,也只是造成电解液的损失和缓慢的非易见衰变,无严重安全问题之虑。


    随着阀控密封铅酸类电池、全密封Ni-MH电池、锂离子类电池的出现和推广应用,充电过程单体电池端电压的均衡问题突显出来。源于电池性能不一致性和“恒压”控制的失效,电池损坏的恶性事故多次发生,甚至造成整车烧毁。
 

    电池系统的安全使用问题已经引起社会和电动汽车设计人员的高度关注。出于安全考虑,国家主管部门、汽车行业通过制定标准、法规对电动汽车用电池的耐过充、耐高温、一致性等指标提出更高、更严格的要求和制定更科学的检测规范。


    但是电池的不一致性是客观存在的,而且随着电池运行过程中的性能衰退,不一致性会加剧。近年出现的“基于典型单体电池参数”的安全充电技术路线和控制算法,为电动汽车充电过程中的安全管理、高效使用和延长寿命提出了简单、有效的充电控制技术路线。


    “基于典型单体电池参数”的安全充电技术的实质是对传统恒压限流模式的深化和完善。此项技术仍然遵循恒流限压的基本模式,但对充电过程中的充电电流和充电电压的调整,不是仅依赖于电池组的端电压,而是优先依据电池组中典型单体的参数,即电压最高、温度最高、温升最快等参数适时调整充电电流和充电电压,以此确保在充电过程中处于极端状态的电池单体电压、温度不超过规定值,使电池组充入最大的电量,又确保充电过程的安全。在充电过程中对充电电流和充电电压的调整遵循以下原则。
    对电压敏感类电池(代表是锂离子电池):主要考虑电池单体的最高电压和电池单体的最高温度值;以电池组的端电压作为参考。
    对温度敏感类电池(代表是Ni-MH电池):主要考虑电池单体(或模块)的最高温度、温升和电池单体的最高电压值;以电池组的端电压作为参考。
    通过监视充电过程和充电结束时电池组的端电压与额定充电电压差值的变化、典型单体电池的参数变化,可以准确判断电池组整体性能变化情况、落后电池准确定位和淘汰时机。

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