铅酸蓄电池超大电流尖峰脉冲充电控制方法

摘要

铅酸蓄电池超大电流尖峰脉冲充电控制方法，采用多个转充电容分时对电池组放电的“微阶段细化控制”方法获取可控超大电流，根据超大电流充电过程中尖峰脉冲的谐波分析得出电池组的荷电状态、超电压、过电势及内阻等动态参数；并通过谐波分析最终得出单极性尖峰脉冲的电流峰值与最小间歇时间，进而控制超大电流的输出。消除了电池组的浓度差极化，避免了铅酸蓄电池电流充电的析氢、析氧等现象，既保证了电池的寿命，又大大减少充电时间，经试验充电效果为在极短时间内(9-15分钟)完成铅酸蓄电池容量的80％。

说明书

技术领域

本发明属于蓄电池充电技术领域，涉及到一种控制方法，特别是铅酸 蓄电池超大电流尖峰脉冲充电控制方法。

背景技术

随着电动汽车的不断发展与普及，对大功率蓄电池的安全、快速充电 越来越受到相关科研人员的重视。铅酸蓄电池作为至今仍在广泛应用的动 力蓄电池之一，其内部构造不断改进，相关理论不断发展，且制造成本低 廉，研究铅酸蓄电池的超大电流快速充电问题无疑具有非常重要的显示意 义。由于铅酸蓄电池经过长时间的大电流充电会产生析气现象，且电池极 板间的欧姆极化、电化学极化及浓度差极化等现象是限制大电流快速充电 的技术瓶颈所在，且严重影响了铅酸蓄电池的使用寿命。国内外针对上述 问题出现了多种电池理论模型与充电方法，如：

方法一：当前低速电动汽车普遍采用的2-5kW车载充电机多采用分段 控制策略，充电过程包括浮充、恒压、恒流等充电阶段，采用较低的充电 率(0.3C左右)，电流较小，充电完成时间大概在4-8小时，缺点是充电时 间长，与燃油汽车加油的时间无法相比，而且大功率充电所需电能直接从 电网获取，对电网冲击影响很大，也是制约电动汽车发展的主要瓶颈之一。

方法二、快速充电控制算法，缺点是超大电流的实现及控制受到限制， 初期充电容量不能达到理论目标，而且为了克服电池的极化及析气等现象， 采用了阶段负脉冲或长时间充电间歇控制，时间利用率及能量利用率偏低， 一般采用析气电压门控法控制负脉冲或充电间歇，会造成极化积累效应， 影响电池的使用寿命。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，设计了铅酸蓄电池超大电流尖峰脉 冲充电控制方法，可以实现高效、快速、无损地对电池组充电，可以动态 调控单电量充电脉冲电流峰值，消除充电过程中出现的极化、析气等现象， 使得电池组所能接受的充电电流曲线上移，接受能力增强，可以提高充电 效率，最终达到快速充电的目的，经试验，在极短时间内(9-15分钟)可 以充到电池组容量的80％。

本发明所采用的具体技术方案是：铅酸蓄电池超大电流尖峰脉冲充电 控制方法，关键是：所述的方法包括以下步骤：

a、以开关式恒流源对超大电流峰值输出单元中A、B、C通道的第一 转充电容、第二转充电容和第三转充电容充电，中心处理单元监测第一转 充电容、第二转充电容和第三转充电容的端电压突变曲线和电流曲线，通 过谐波分析法分别解算出第一转充电容、第二转充电容和第三转充电容的 等效串联电阻ESR；

b、当超大电流峰值输出单元中A通道的第一转充电容的端电压达到设 定的电压峰值时，中心处理单元通过输出控制单元使超大电流峰值输出单 元中A通道的第二场效应管导通，则第一转充电容开始对电池组放电，当 B通道的第二转充电容的端电压达到设定的电压峰值时，中心处理单元通 过输出控制单元关断第二场效应管，使第一转充电容进入充电状态，同时 打开第四场效应管，使第二转充电容对电池组放电，当C通道的第三转充 电容的端电压达到设定的电压峰值时，中心处理单元通过输出控制单元关 断第四场效应管，使第二转充电容进入充电状态，同时打开第六场效应管， 第三转充电容开始对电池组放电，当A通道的第一转充电容的端电压达到 设定的电压峰值时，第二场效应管导通，则第一转充电容开始对电池组放 电，如此循环给电池组充电，同时中心处理单元监测电池组的端电压突变 曲线、实际可接受充电电流曲线、温度，通过谐波分析法解算出电池组的 充电内阻；

c、中心处理单元根据步骤a得到的等效串联电阻ESR、步骤b得到的 电池组充电内阻及实际可接受充电电流峰值分别得出第一转充电容、第二 转充电容和第三转充电容的实际充电电压峰值，并通过输出控制单元将实 际充电电压峰值反馈给超大电流峰值输出单元，使第一转充电容、第二转 充电容和第三转充电容的端电压达到实际充电电压峰值后再对电池组进行 充电；

d、当充入电池组电量和放电单元单次放电量比值达到设定值时，中心 控制单元通过输出控制单元输出信号使放电单元中的第七场效应管和第八 场效应管导通，第九场效应管和第十场效应管截止，则第一放电电容和第 二放电电容并联，电池组以尖峰脉冲放电，放电能量被存储在第一放电电 容和第二放电电容中，电池组恢复浓差极化后，中心处理单元通过输出控 制单元输出信号给放电单元，使第七场效应管和第八场效应管截止，第九 场效应管和第十场效应管导通，第一放电电容和第二放电电容串联，所储 电能反充回电池组；

e、反充完成后进行短暂间歇，电池组既不充电也不放电，中心处理单 元监测电池组的荷电状态，并计算和修正电池组容量、表征效率，由此更 新最大可接受充电电流峰值，并根据表征效率趋势和电池组端压变化峰值 接近气析电压程度，更新充电电流峰值和间歇时间，当表征效率减小同时 电池组端压变化峰值接近气析电压时，减小充电电流峰值并增大间歇时间 直至表征效率恢复到设定范围，当表征效率增大同时电池组端压变化峰值 远离气析电压时，增大充电电流峰值并减小间歇时间直至表征效率恢复到 设定范围，同时计算在新的充电电流峰值下，充电/放电比例为恒值时，步 骤b需循环的次数；

f、在间歇时，中心处理单元根据监测到的电池组的温度，计算温升速 率，当监测温度高于设定温度时，在步骤e的基础上再次增大间歇时间， 直至温度恢复到正常范围，当监测温度低于设定温度时，在步骤e的基础 上再次减小间歇时间，保证温度在正常范围内即可，同时中心处理单元根 据监测到的放电前后电池组端压变化计算去极化程度，修正步骤b需循环 的次数。

g、重复步骤a～f，直至步骤e所监测的电池组的荷电状态达到电池组 容量的80％为止。

本发明的有益效果是：采用“微阶段细化控制”方法，利用多个转充 电容分时对电池组放电形成尖峰充电电流脉冲，每个脉冲精细控制电流峰 值为当前时刻可接收最大电流，其放电曲线微阶段按指数规律衰减，实现 “马斯最佳充电”最佳拟合，实现高效、快速、无损地对电池组充电，可 以动态调控单电量充电脉冲电流峰值，消除充电过程中出现的极化、析气 等现象，使得电池组所能接受的充电电流曲线上移，接受能力增强，可以 提高充电效率，最终达到快速充电的目的，经试验，在极短时间内(9-15 分钟)可以充到电池组容量的80％。采用电容放电法，损失电能通过极性 变换，可以反充到充电回路，节约了电能。

超大电流峰值输出单元电路设计采用间接控制峰值电流方法，通过转 充电容对电池直接放电获取超大电流，超大电流的直接检测控制是很难的， 本电路中通过对转充电容预充电压并对电池组放电，在已知转充电容ESR (其中包含开关等效电阻)、电池组内阻时，其充入电池组的电流峰值是确 定的。而转充电量计算是通过转充电容端压变化量和容值精确获得。电路 设计降低了超大电流检测和控制的复杂性，提高了转换效率。

为保障超大电流脉冲连续输出，电路设计为多通道模式，由CA、CB、 CC和QA、QB、QC构成三组转充通道，以提高超大电流峰值脉冲输出频 率。电路构成不限于三组。

转充电容的预充电路为BUCK变换可控开关恒流电路，由全控开关器 件Q(QA1、QB1、QC1)、续流二极管D(DA、DB、DC)和电感L(LA、 LB、LC)(同时兼作滤波)组成，并利用软件控制Q通断来控制转充电容的 充电电流和端电压，根据超大电流峰值需求动态调整对转充电容的充电电 流大小。

通过多组转充电容充电电路，解决了超大电流峰值对直流母线的冲击， 大幅度平缓电流输出，降低直流母线电流峰值和谐波，同时也降低对电源 系统最大功率的要求。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明中超大电流峰值输出单元和放电单元的电路原理图。

附图中，1代表超大电流峰值输出单元，2代表中心处理单元，3代表 输出控制单元，4代表电池组，5代表放电单元，DC Pool代表开关式恒流 源，GND代表地，QA1代表第一场效应管，QA2代表第二场效应管，QB1 代表第三场效应管，QB2代表第四场效应管，QC1代表第五场效应管，QC2 代表第六场效应管，Q3代表第七场效应管，Q4代表第八场效应管，Q5代 表第九场效应管，Q6代表第十场效应管，LA代表第一电感，LB代表第二 电感，LC代表第三电感，L代表第四电感，DA代表第一二极管，DB代表 第二二极管，DC代表第三二极管，CA代表第一转充电容，CB代表第二 转充电容，CC代表第三转充电容，C28代表第一放电电容，C42代表第二 放电电容。

具体实施方式

铅酸蓄电池超大电流尖峰脉冲充电控制方法，关键是：所述的方法包 括以下步骤：

a、以开关式恒流源DC Pool对超大电流峰值输出单元1中A、B、C 通道的第一转充电容CA、第二转充电容CB和第三转充电容CC充电，中 心处理单元2监测第一转充电容CA、第二转充电容CB和第三转充电容 CC的端电压突变曲线和电流曲线，通过谐波分析法分别解算出第一转充电 容CA、第二转充电容CB和第三转充电容CC的等效串联电阻ESR；

b、当超大电流峰值输出单元1中A通道的第一转充电容CA的端电压 达到设定的电压峰值时，中心处理单元2通过输出控制单元3使超大电流 峰值输出单元1中A通道的第二场效应管QA2导通，则第一转充电容CA 开始对电池组4放电，当B通道的第二转充电容CB的端电压达到设定的 电压峰值时，中心处理单元2通过输出控制单元3关断第二场效应管QA2， 使第一转充电容CA进入充电状态，同时打开第四场效应管QB2，使第二 转充电容CB对电池组4放电，当C通道的第三转充电容CC的端电压达 到设定的电压峰值时，中心处理单元2通过输出控制单元3关断第四场效 应管QB2，使第二转充电容CB进入充电状态，同时打开第六场效应管QC2， 第三转充电容CC开始对电池组4放电，当A通道的第一转充电容CA的 端电压达到设定的电压峰值时，第二场效应管QA2导通，则第一转充电容 CA开始对电池组4放电，如此循环给电池组4充电，同时中心处理单元2 监测电池组4的端电压突变曲线、实际可接受充电电流曲线、温度，通过 谐波分析法解算出电池组4的充电内阻；

c、中心处理单元2根据步骤a得到的等效串联电阻ESR、步骤b得到 的电池组4充电内阻及实际可接受充电电流峰值分别得出第一转充电容 CA、第二转充电容CB和第三转充电容CC的实际充电电压峰值，并通过 输出控制单元3将实际充电电压峰值反馈给超大电流峰值输出单元1，使第 一转充电容CA、第二转充电容CB和第三转充电容CC的端电压达到实际 充电电压峰值后再对电池组4进行充电；

d、当电池组4端电压和放电单元5端电压的比值达到设定值时，中心 控制单元2通过输出控制单元3输出信号使放电单元5中的第七场效应管 Q3和第八场效应管Q4导通，第九场效应管Q5和第十场效应管Q6截止， 则第一放电电容C28和第二放电电容C42并联，电池组4以尖峰脉冲放电， 放电能量被存储在第一放电电容C28和第二放电电容C42中，电池组4恢 复浓差极化后，中心处理单元2通过输出控制单元3输出信号给放电单元5， 使第七场效应管Q3和第八场效应管Q4截止，第九场效应管Q5和第十场 效应管Q6导通，第一放电电容C28和第二放电电容C42串联，所储电能 反充回电池组4；

e、反充完成后进行短暂间歇，电池组4既不充电也不放电，中心处理 单元2监测电池组4的荷电状态，并计算和修正电池组4容量、表征效率， 由此更新最大可接受充电电流峰值，并根据表征效率趋势和电池组4端压 变化峰值接近气析电压程度，更新充电电流峰值和间歇时间，当表征效率 减小同时电池组4端压变化峰值接近气析电压时，减小充电电流峰值并增 大间歇时间直至表征效率恢复到设定范围，当表征效率增大同时电池组4 端压变化峰值远离气析电压时，增大充电电流峰值并减小间歇时间直至表 征效率恢复到设定范围，同时计算在新的充电电流峰值下，充电/放电比例 为恒值时，步骤b需循环的次数；

f、在间歇时，中心处理单元2根据监测到的电池组4的温度，计算温 升速率，当温度高于设定温度而温升速率大于等于零时，在步骤e的基础 上再次增大间歇时间，直至温度恢复到正常范围，当温度低于设定温度而 温升速率小于零时，在步骤e的基础上再次减小间歇时间，保证温度在正 常范围内即可；

g、重复步骤a～f，直至步骤e所监测的电池组4的荷电状态达到电池 组4容量的80％为止。

所述的步骤d中充入电池组4电量和放电单元5单次放电量比值设定 值的范围为(50～200)：1，通过极化电压进行调整。

所述的超大电流峰值输出单元1包括并联连接的A通道、B通道、C 通道，A通道还包括第一场效应管QA1、第一二极管DA、第一电感LA， 第一场效应管QA1的漏极与开关式恒流源DC Pool连接，第一场效应管 QA1的源极与第一电感LA连接，第一电感LA的另一端与第二场效应管 QA2的漏极连接，第二场效应管QA2的源极与电池组4的正极连接，第一 二极管DA的负极与第一场效应管QA1的源极连接，第一二极管DA的正 极与地GND连接，第一转充电容CA的一端与第二场效应管QA2的漏极 连接，第一转充电容CA的另一端与地GND连接，B通道还包括第三场效 应管QB1、第二二极管DB、第二电感LB，第三场效应管QB1的漏极与开 关式恒流源DC Pool连接，第三场效应管QB1的源极与第二电感LB连接， 第二电感LB的另一端与第四场效应管QB2的漏极连接，第四场效应管QB2 的源极与电池组4的正极连接，第二二极管DB的负极与第三场效应管QB1 的源极连接，第二二极管DB的正极与地GND连接，第二转充电容CB的 一端与第四场效应管QB2的漏极连接，第二转充电容CB的另一端与地 GND连接，C通道还包括第五场效应管QC1、第三二极管DC、第三电感 LC，第五场效应管QC1的漏极与开关式恒流源DC Pool连接，第五场效应 管QC1的源极与第三电感LC连接，第三电感LC的另一端与第六场效应 管QC2的漏极连接，第六场效应管QC2的源极与电池组4的正极连接， 第三二极管DC的负极与第五场效应管QC1的源极连接，第三二极管DC 的正极与地GND连接，第三转充电容CC的一端与第六场效应管QC2的 漏极连接，第三转充电容CC的另一端与地GND连接，电池组4的负极与 地GND连接。

所述的放电单元5还包括第四电感L，第九场效应管Q5的漏极依次串 联第一放电电容C28和第四电感L后与电池组4的正极连接，第九场效应 管Q5的源极与第十场效应管Q6的漏极连接，第十场效应管Q6的源极串 联第二放电电容C42后与地GND连接，第七场效应管Q3的漏极与电池组 4的正极连接，第七场效应管Q3的源极与第十场效应管Q6的源极连接， 第八场效应管Q4的漏极与第九场效应管Q5漏极连接，第八场效应管(Q4) 的源极与地GND连接。

实验方法：室温条件下，先对两个标称24V200AH牵引铅酸蓄电池组 进行充电至满，然后静置1小时使电池组4的温度、电池内电解液浓度、 电池的极化程度恢复到正常范围内，然后对这两个电池组4进行阻性负载 恒流放电(25A)，当两个电池组4的端电压都为20.4V(单格电压为1.7V， 1.7x12＝20.4V)时放电终止，记录时间并计算初始放电容量(Ah)，并分别作 为样本一和样本二进行如下实验：

采用本方法分别对两个电池组4充电5分钟，然后静置0.5小时以上， 使电池组4的温度、电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围 内，然后对两个电池组4进行阻性负载恒流放电(25A)放电，当两个电池组 4的端电压都为20.4V(单格电压为1.7V，1.7x12＝20.4V)时放电终止，记录 放电时间，计算其放电量(Ah)，再静置0.5小时以上，使电池组4的温度、 电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围内；

采用本方法分别对两个电池组4充电10分钟，然后静置0.5小时以上， 使电池组4的温度、电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围 内，然后对两个电池组4进行阻性负载恒流放电(25A)放电，当两个电池组 4的端电压都为20.4V(单格电压为1.7V，1.7x12＝20.4V)时放电终止，记录 放电时间，计算其放电量(Ah)，再静置0.5小时以上，使电池组4的温度、 电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围内；

采用本方法分别对两个电池组充电15分钟，然后静置0.5小时以上， 使电池组4的温度、电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围 内，然后对两个电池组4进行阻性负载恒流放电(25A)放电，当两个电池组 4的端电压都为20.4V(单格电压为1.7V，1.7x12＝20.4V)时放电终止，记录 放电时间，计算其放电量(Ah)，再静置0.5小时以上，使电池组4的温度、 电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围内；

采用本方法分别对两个电池组充电20分钟，然后静置0.5小时以上， 使电池组4的温度、电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围 内，然后对两个电池组4进行阻性负载恒流放电(25A)放电，当两个电池组 4的端电压都为20.4V(单格电压为1.7V，1.7x12＝20.4V)时放电终止，记录 放电时间，计算其放电量(Ah)，再静置0.5小时以上，使电池组4的温度、 电池内电解液浓度、电池的极化程度恢复到正常范围内，然后分别测量两 个电池组4的端电压；

充电实验的结果和分析：

样本一初始放电容量178AH，设定温度43℃，实验结果如表1所示：

表1

样本二初始放电容量191AH，设定温度43℃，实验结果如表2所示：

表2

由表1和表2的数据可知，利用本方法在9-15分钟内即可恢复电量的 80％，而且在这段时间内，同等规格的电池组4初始放电容量越大，充电 速度越快。