一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法
【专利摘要】本发明涉及一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，包括：检测电池的电压和温度，判断是否满足充电的条件；判断电池是否达到快速充电的要求，未达要求则先对电池进行小电流的预充电，直到电池满足快速充电的条件；进入恒流恒压交替充电第一阶段，若电池电压达到预设电压上限值，则进入停充、负脉冲充电第一阶段；进入恒流恒压交替充电第二阶段，若电池电压再次达到预设电压上限值，则进入停充、负脉冲充电第二阶段；进入恒流恒压交替充电第三阶段，直到电池电压达到预设电压上限值，则进入停止充电第三阶段；快速充电阶段完成后进入恒压补足充电阶段。本方法可以提高充电效率，缩短充电时间，延长电池寿命。
【专利说明】一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电动汽车充电【技术领域】，涉及一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法。
【背景技术】
[0002]当今世界环境、能源两大难题的日益突出，电动汽车以优越的环保和节能特性得到快速发展。车载数字式充电机作为电动汽车的重要组成部分，提供外接电源给汽车蓄电池充电，充电时间和电池寿命已经成为衡量电动汽车技术水平的重要标准。
[0003]数千安时以上大容量铅酸蓄电池多年来一直沿用分级恒流充电方式，即逐级降低充电电流，整个充电过程根据电池型号通常分为5-7级，末级电流一般设置为第一级电流的10%左右，转级控制的判据为蓄电池电压升至析气点。这种传统分级恒流充电方式在实用中存在一个现象:由于极化累积效应，每次转级(降低充电电流)后蓄电池电压很快又重新升至析气点而再次转级，致使第一级充电结束后在几分钟、甚至几十秒时间内就转入末级充电阶段。该现象导致的结果是:整个充电过程时间长，末级充电阶段电池电压长时间高于析气点而产生剧烈气体析出，充入的电能大部分损耗于溶液的电解水反应而非提高溶液密度/电池蓄能。因此，对既能提高能量利用效率，加快充电速度，又不影响铅酸蓄电池的使用寿命的新型充电技术的研究具有实际意义。
[0004]为解决传统分级恒流充电方式的缺点，有人提出了一种带压控脉冲的分级恒流充电方法。该充电方法在每级恒流充电阶段当蓄电池电压升至析气点时附加一段具有去极化作用的脉冲充放电过程，改善了传统的分级恒流充电方法的缺点，缩短了充电时间、提高了充电效率、电池析气量相对较少、对电池损伤小。但该方法还存在需要改善的地方:1、该充电方法的充电曲线与马斯定律中提到的最佳充电曲线有比较大的差距，在相同时间内，充入的电量较少，充电时间相对较长。2、该充电方法在脉冲放电阶段，负脉冲的幅值较小，正脉冲的幅值较大，在此过程中，电池的电压下降较慢，将会减小后一阶段的充电时间，电池充入的电量少，增加电池的充电时间。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，通过该方法能实现与最佳充电曲线相吻合，在同等时间内充入更多的电量，而且电池析气量少、对电池损害小。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]—种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，包括以下步骤:
[0008]101、电池充电系统初始化，包括DSP控制模块和BMS模块的初始化；
[0009]102、DSP控制模块通过电池管理系统读取电池的实时电压和温度信息；
[0010]103、根据102步骤检测到的电压和温度判断当前是否满足充电的条件；
[0011 ] 104、如果不满足充电条件，则反复读取电池的电压和温度，直到满足可充电条件为止；当满足充电条件时，则继续判断是否达到快速充电电压要求，这主要是针对长期不用的电池或新电池，如果一开始就进行快速充电，会影响电池的寿命；
[0012]105、如果未达到快速充电电压值，则采用小电流对电池进行预充电，直到满足快速充电条件；
[0013]106、当电池温度和电压都满足快速充电条件时，则进入恒流恒压交替充电第一阶段，此时电池极化现象不明显可以接受大的充电电流，因此该阶段恒流的时间可以相对设置长一些；
[0014]107、伴随着充电过程，电池的容量和电压都在不断升高，系统设置了相应的电压门限值，直到电压超过门限值，否则一直进行步骤106 ；
[0015]108、如果电池电压超过了门限值，则进入停充、负脉冲充电第一阶段，此阶段主要目的是去除电池全部欧姆极化和部分浓差极化，同时电池电压下降，为下一阶段的快速充电做好准备；
[0016]109、在108步骤中，当电压下降到设定值后，则进入恒流恒压交替充电第二阶段，根据当前的极化程度，适当调整恒流和恒压充电的时间，以便充入更多的电量；
[0017]110、同步骤107 —样，直到电池电压超过系统设定的门限值，否则一直进行步骤109 ；
[0018]111、当电池电压再次达到设定的门限值，则进入停充、负脉冲充电第二阶段，该步骤的作用和108相同；
[0019]112、在111步骤中，当电压再次下降到设定值后，则进入恒流恒压交替充电第三阶段，根据当前的极化程度，适当调整恒流和恒压充电的时间，以便充入更多的电量；
[0020]113、同107步骤一样，直到电池电压超过系统设定的门限值，否则一直进行步骤112 ；
[0021 ] 114、当电池电压达到门限值后，则进入停止充电第三阶段，对电池停止充电一段时间；
[0022]115、当停止充电第三阶段结束后，则进入恒压充电阶段，保证电池充入100 %的电量;
[0023]116、当充电电流小于0.1A后自动转入浮充阶段，补充蓄电池自放电所消耗的能量;
[0024]117、电池充满电时，充电结束。
[0025]进一步，在步骤104中，长期不用的电池或新电池，如果一开始就进行快速充电，会影响电池的寿命，为避免这一问题需要先对蓄电池进行小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行恒流恒压交替快速充电。
[0026]进一步，在步骤106、108中，恒流恒压交替充电第一阶段，此时电池极化现象不明显可以接受大的充电电流，因此该阶段恒流充电的时间设置长一些，但每次恒流恒压充电的周期是固定的；当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充、负脉冲充电第一阶段，进入该阶段前，需要停充一段时间，之后对电池进行定周期、定占空比的负脉冲充电；当电池电压下降到预设值后，停充一段时间，随后进入下一个充电阶段。
[0027]进一步，在步骤109、111中，恒流恒压交替充电第二阶段，此时电池的极化现象相对比较明显，应适当减小恒流的充电时间，当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充、负脉冲充电第二阶段，进入该阶段前，同样需要停充一段时间；之后对电池进行定周期、定占空比的负脉冲充电，该周期与第一停充阶段相同，负脉冲的占空比适当增大；当电池电压下降到预设值后，停充一段时间，随后进入下一个充电阶段。
[0028]进一步，在步骤112、114中，恒流恒压交替充电第三阶段，此时电池的极化现象比较严重，恒压充电的时间设置长一些，当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充第三阶段，随后进入补足充电阶段。
[0029]进一步，在步骤117中，充电结束的判断采用多种方法混合式判断策略，结合蓄电池最高充电温度、两端最大电压、最长充电时间和蓄电池两端变化电压-△ V共同判断是否充满，从而保证电池在充满电时能够及时停充，即使在充电过程中发生异常情况也能够及时切断电源，从而达到保护蓄电池的作用。
[0030]本发明的有益效果在于:在本发明所述方法中，在给电池充电前，根据检测其电压、温度等信息判断是否满足快速充电要求，从而延长电池寿命。快速充电分为三个阶段，每个阶段都包括恒流恒压交替充电和负脉冲放电，根据各个阶段的极化程度，设定相应的恒流恒压充电的时间比，使充电曲线最大程度接近最佳电流充电曲线。在保证电池安全、无损的前提下，短时间内充入更多的电量。本发明提出的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法具有充电效率高，充电时间短，延长电池寿命、快速、无损的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0032]图1为带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法的流程图；
[0033]图2为实施例中充电机结构示意图；
[0034]图3为实施例中充电电流和电压曲线。
【具体实施方式】
[0035]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0036]在本实施例中，蓄电池选用松下铅酸蓄电池(LC_X12100)，8节串联，电压96V，容量 30AH。
[0037]如图1所示，本发明的一实施例的带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法的流程图，具体包含步骤如下:
[0038]首先定义以下参数量:
[0039]1_一最大充电电流20A，Ilp—负脉冲充放电电流O?20A，Ves「恒压充电电压117.6V，Vf—浮充电压108V，Vmin—最低充电电压84V，U —电池充电电压，I—电池充电电流，C一电池的温度，T1 一恒流恒压交替充电周期，T2—负脉冲放电周期，'一放电电压下限值96V, Vh—充电电压上限值117V。
[0040]步骤101:对整个充电系统初始化，包括DSP控制模块230和BMS模块227的初始化；
[0041]步骤102:DSP控制模块230通过电池管理系统227读取充电电压U、充电电流I和电池温度C等信息；
[0042]步骤103:根据检测到的电压和温度判断是否满足充电的条件；
[0043]步骤104:如果不满足充电条件，则反复读取电池的电压和温度，直到满足可充电条件为止。当满足充电条件时，则继续判断是否达到设定的快速充电电压Vmin，这主要是针对长期不用的电池或新电池，如果一开始就进行快速充电，会影响电池的寿命；
[0044]步骤105:如果未达到快速充电电压84V，则用0.05C对电池进行涓流充电，直到满足快速充电条件；
[0045]步骤106、107、108:当电池温度和电压都满足快速充电条件时，则进入恒流恒压交替充电第一阶段，交替充电的周期设定为1110ms，初始充电电流设定为0.6C，即18A。一个周期T1内恒流充电的时间设定为730ms，恒压充电的时间设定为370ms。随着充电过程的进行，电压不断升高，当电压达到最高限制电压117V时，则进入负脉冲放电第一阶段，放电脉冲周期T2取50ms,负脉冲放电时间为1ms,负脉冲电流值取18A。随着放电过程的进行，电压快速下降，当下降到设定的下限电压96V时，则进入恒流恒压交替充电第二阶段。
[0046]步骤109、110、111:恒流恒压交替充电第二阶段与第一阶段类似，交替充电的周期设定为1100ms，初始充电电流设定为0.4C，即12A。根据当前电池的极化程度，一个周期T1内恒流充电的时间设定为600ms,恒压充电的时间设定为500ms。当电压再次达到最高限定电压117V时，则进入负脉冲放电第二阶段，放电脉冲周期T2取50ms，负脉冲放电时间为1ms,负脉冲电流值取18A。随着放电过程的进行，电压快速下降，当下降到设定的下限电压96V时，则进入恒流恒压交替充电第三阶段。
[0047]步骤112、113、114:恒流恒压交替充电第三阶段与前两个阶段同样类似，交替充电的周期设定为1100ms，初始充电电流设定为0.3C，即9A。根据当前电池的极化程度，一个周期T1内恒流充电的时间设定为370ms，恒压充电的时间设定为730ms。当电压再次达到最高限定电压Vh时，则进入停充第三阶段，停止充电的时间设定为20s。
[0048]步骤115:随后进入恒压补足充电阶段，恒压充电电压为VH。
[0049]步骤116:当充电电流小于0.1A后自动转入浮充阶段，补充蓄电池自放电所消耗的能量。
[0050]步骤117:根据最高充电温度、两端最大电压、最长充电时间和蓄电池两端变化电压-AV共同判断电池是否充满，结束充电。
[0051]如图2、图3所示，本发明具体实施的充电机结构示意图200:充电机结构主要包括功率主电路部分210、控制电路部分220、电池管理系统部分227、DSP控制单元230。
[0052]本发明具体实施例的充电电压和电流曲线的变化规律如图3所示，DSP控制单元230通过电池管理系统部分227获取电池实时电压、电流和温度等信息。
[0053]本发明给电池充电前，通过检测其电压、温度等信息判断是否满足快速充电要求，延长电池寿命。快速充电分为三个阶段，每个阶段都包括恒流恒压交替充电和负脉冲放电，根据各个阶段的极化程度，设定相应的恒流恒压充电时间比，使充电曲线最大程度地接近最佳电流充电曲线。在保证电池安全、无损的前提下，短时间地充入更多的电量。
[0054]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:包括以下步骤: 101、电池充电系统初始化，包括DSP控制模块和BMS模块的初始化； 102、DSP控制模块通过电池管理系统读取电池的实时电压和温度信息； 103、根据102步骤检测到的电压和温度判断当前是否满足充电的条件； 104、如果不满足充电条件，则反复读取电池的电压和温度，直到满足可充电条件为止；当满足充电条件时，则继续判断是否达到快速充电电压要求； 105、如果未达到快速充电电压值，则采用小电流对电池进行预充电，直到满足快速充电条件；106、当电池温度和电压都满足快速充电条件时，则进入恒流恒压交替充电第一阶段，此时电池极化现象不明显可以接受大的充电电流，因此该阶段恒流的时间可以相对设置长一些； 107、伴随着充电过程，电池的容量和电压都在不断升高，系统设置了相应的电压门限值，直到电压超过门限值，否则一直进行步骤106 ； 108、如果电池电压超过了门限值，则进入停充、负脉冲充电第一阶段，此阶段主要目的是去除电池全部欧姆极化和部分浓差极化，同时电池电压下降，为下一阶段的快速充电做好准备； 109、在108步骤中，当电压下降到设定值后，则进入恒流恒压交替充电第二阶段，根据当前的极化程度，适当调整恒流和恒压充电的时间，以便充入更多的电量； 110、同步骤107—样，直到电池电压超过系统设定的门限值，否则一直进行步骤109 ； 111、当电池电压再次达到设定的门限值，则进入停充、负脉冲充电第二阶段，该步骤的作用和108相同； 112、在111步骤中，当电压再次下降到设定值后，则进入恒流恒压交替充电第三阶段，根据当前的极化程度，适当调整恒流和恒压充电的时间，以便充入更多的电量； 113、同107步骤一样，直到电池电压超过系统设定的门限值，否则一直进行步骤112； 114、当电池电压达到门限值后，则进入停止充电第三阶段，对电池停止充电一段时间； 115、当停止充电第三阶段结束后，则进入恒压充电阶段，保证电池充入100%的电量； 116、当充电电流小于0.1A后自动转入浮充阶段，补充蓄电池自放电所消耗的能量； 117、电池充满电时，充电结束。
2.根据权利要求1所述的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:在步骤104中，长期不用的电池或新电池，如果一开始就进行快速充电，会影响电池的寿命，为避免这一问题需要先对蓄电池进行小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行恒流恒压交替快速充电。
3.根据权利要求1所述的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:在步骤106、108中，恒流恒压交替充电第一阶段，此时电池极化现象不明显可以接受大的充电电流，因此该阶段恒流充电的时间设置长一些，但每次恒流恒压充电的周期是固定的；当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充、负脉冲充电第一阶段，进入该阶段前，需要停充一段时间，之后对电池进行定周期、定占空比的负脉冲充电；当电池电压下降到预设值后，停充一段时间，随后进入下一个充电阶段。
4.根据权利要求1所述的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:在步骤109、111中，恒流恒压交替充电第二阶段，此时电池的极化现象相对比较明显，应适当减小恒流的充电时间，当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充、负脉冲充电第二阶段，进入该阶段前，同样需要停充一段时间；之后对电池进行定周期、定占空比的负脉冲充电，该周期与第一停充阶段相同，负脉冲的占空比适当增大；当电池电压下降到预设值后，停充一段时间，随后进入下一个充电阶段。
5.根据权利要求1所述的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:在步骤112、114中，恒流恒压交替充电第三阶段，此时电池的极化现象比较严重，恒压充电的时间设置长一些，当电池的电压达到预设的门限值时，则进入停充第三阶段，随后进入补足充电阶段。
6.根据权利要求1所述的一种带负脉冲的分段恒流恒压交替充电方法，其特征在于:在步骤117中，充电结束的判断采用多种方法混合式判断策略，结合蓄电池最高充电温度、两端最大电压、最长充电时间和蓄电池两端变化电压-共同判断是否充满，从而保证电池在充满电时能够及时停充，即使在充电过程中发生异常情况也能够及时切断电源，从而达到保护蓄电池的作用。
【文档编号】H01M10/44GK104269583SQ201410503793
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】黄智宇, 陈波, 徐正龙, 杨焘 申请人:重庆邮电大学