CN113370840B - 一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法 - Google Patents

一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池充电技术领域，针对目前不同电压等级的低速电动车需要匹配对应电压等级的充电机所导致的充电机规格参数各异，品种繁多且不兼容的弊端，公开了一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，该算法可以减少充电机厂家在硬件上和软件上的设计工作量，极大地降低了材料成本和人工成本，有利于充电机的标准化和市场推广应用，同时，该算法符合马斯可接受充电电流曲线定律，适用于多种锂离子电池，能够使充电机自动识别不同低速电动车上的电池电压等级和额定容量，并按照预设的充电流程和策略，在电池温升受控的情况下使充电能量最大化，充电效率最优，具有较高的实用价值。

Description

一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法
技术领域
本发明涉及锂离子电池充电技术领域，特别涉及一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法。
背景技术
在日益发展的出行时代，电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、低速电动汽车正以前所未有的速度风靡大江南北，凭借价格亲民、灵巧便利、节能环保等特点，低速电动车作为出行代步工具逐步占据了三四线城市郊区以及农村地区的广大市场，走进了千家万户的日常生活之中。传统的低速电动车普遍使用铅酸蓄电池，但铅酸蓄电池体积大，极板易硫酸盐化导致使用寿命短，维护成本高，因此现阶段低速电动车的动力源已经由铅酸蓄电池逐渐替换成了锂离子电池，电池容量一般不低于10Ah，电度数一般在1～10KWh，工作电压等级主要有24Vdc、36Vdc、48Vdc、60Vdc、72Vdc、84Vdc以及96Vdc等几种，充电方式主要是带通信协议的握手充电，即按照电池管理系统(BMS)请求的电压和电流进行输出。交流充电机分为内置式和外置式两种，都是将外面220Vac交流市电转换成合适的直流电后对车载动力电池进行充电。
交流充电机内部电气拓扑由整流电路(AC/DC)、直流变换电路(DC/DC)以及电压环和电流环反馈调节电路三部分组成，其中直流变换电路是将交流电整流输出的311Vdc高压降压变换到合适的直流电压平台去匹配不同低速电动车的电压等级；电压环和电流环反馈调节电路则是用来调节和稳定充电机的输出电压及输出电流，实现恒流恒压充电模式。
目前，不同电压等级的低速电动车需要匹配对应电压等级的充电机，不然轻则可能会造成充电不进或者充电机损坏的后果，重则可能引发电池或充电机爆炸燃烧的安全事故。另外，车用锂离子电池也有多种，比如磷酸铁锂电池、三元电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池等，不同的电池，其电压平台和伏安特性曲线也不尽相同，导致充电控制算法也要具体情况具体分析，所有这些都会额外增加充电机厂家在硬件上和软件上的设计工作量，包括在硬件上针对不同电压等级需要对晶体管、磁芯、线径、线匝、匝比、原边电感和气隙等参数进行重新选型和设计，在软件上针对不同电池类型需要对充电控制算法进行重新优化和设计，极大地增加了材料成本和人工成本，不利于充电机的标准化和市场推广应用。
充电机之所以能对电池充电，是因为它的输出电压要比电池总压高，这时，充电机就属于“电源”，电池成了“负载”。市场上现有的充电机一般都属于简单的恒流恒压型充电机或恒压限流型充电机，只能执行简单的恒流或限流，然后再恒压的充电过程，不能实现智能化充电，更不能自动识别电池的电压和容量规格。
锂离子电池的额定电压平台比较低，磷酸铁锂电池只有3.2Vdc，三元电池、锰酸锂电池和钴酸锂电池也只有3.6～3.7Vdc，因此要达到低速电动车的工作电压平台，就需要把若干电池进行串联成组，才能满足实际应用要求。但由于制作工艺以及后期电池老化等原因，即使是同批次、同型号的电池，也存在容量、内阻等方面的差异，从而造成电池组在充电过程中出现部分电池过充而部分电池未充满的现象，即浅充浅放现象，最终导致的后果就是低速电动车的续航里程严重缩短，驾乘人员行车体验严重降低。
锂离子电池不同于铅酸蓄电池，它的工作过程需要电池管理系统(BMS)保驾护航，防止电池出现过充电、过放电、过温、过流和短路等伤害性故障，BMS对电池的保护是基于“极端单体电池保护法”，即BMS在充电过程中根据充电电压最高、充电电流最大、温度最高的单体电池进行电池组的充电保护，在放电过程中根据放电电压最低、放电电流最大、温度最高的单体电池进行电池组的放电保护。另外，锂离子电池的充电特性曲线符合马斯定律，即锂离子电池接受充电电流的能力随着充电过程的进行将会越来越低，因此，为了满足电池充电容量最大化的需求，充电机在输出充电电流时必须根据电池温升和极端单体电压实时调整充电电流，采取分阶段恒流的充电策略，以使电池组的SOC更大，充电效率更高。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，旨在使充电机能够自动识别不同低速电动车上的电池电压等级，并按照预设的充电控制算法执行充电流程，在控制电池温升的情况下极大地提高充电效率。
为实现上述目的，本发明提出的自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，包括以下步骤：
识别电池电压等级阶段，采用5A的小电流对电池进行恒流充电，通过BMS对电池单体电压实时采集和监控，对电池单体的过压保护和过温保护分别设置一级、二级以及三级告警阈值，当BMS检测到电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值时，停止充电并记录本次充电容量和末端电池总压，连续多次对电池进行满充满放，记录每次的充电容量和末端电池总压，去掉其中的最高值和最低值，并计算平均值，得出电池的额定容量C和满充总压值；
均流充电阶段，BMS申请0.2C的充电电流对电池进行恒流充电；
降流充电阶段，根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流的大小；
恒压充电阶段，在均流和降流充电阶段，电池总压会逐渐升高，当电池总压达到所识别的满充总压值时，BMS将申请的充电电压调整为满充总压值对电池进行恒压充电，设定充电截止电流阈值为0.01C，当充电电流下降到充电截止电流阈值，或电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值，或电池单体最高温度达到过温保护三级告警阈值时，BMS申请充电电流降为0，结束充电。
进一步地，所述过压保护一级告警阈值小于所述过压保护二级告警阈值小于所述过压保护三级告警阈值；所述过温保护一级告警阈值小于所述过温保护二级告警阈值小于所述过温保护三级告警阈值。
进一步地，所述的根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流的大小包括：
当电池单体最高电压达到过压保护一级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.15C；当电池单体最高温度达到过温保护一级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降1A；当电池单体最高电压达到过压保护二级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.1C；当电池单体最高温度达到过温保护二级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降2A。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明提出的充电控制算法采用软启动的输出方法，缓慢抬高充电机的输出电压，通过软件测算充电机的输出电流，自动识别低速电动车的电池电压等级，经过几个充放电循环之后，充电机通过记录的样本数据就能够得到电池的额定容量，然后根据电池的电压等级和额定容量，按照既定的充电策略，参考充电过程中的电池温升和极端单体电压实时调整充电电流，实现电池充电能量的最大化；
2、本发明提出的充电控制算法符合马斯可接受充电电流曲线定律，适用于多种锂离子电池，电池温升受控，充电过程安全，整车续航里程得到了提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法的流程步骤图；
图2为本发明提出的一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法的识别电池电压等级阶段的流程图；
图3为本发明提出的一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法的均流充电阶段和恒压充电阶段的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法。
如图1至图3所示，在本发明一实施例中，该自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，为了兼容低速电动车不同的工作电压等级，充电机输出电压采用宽范围输出并可自动调节，电池管理系统(BMS)和充电机交互通信，实时申请充电电压和电流，BMS具体执行充电控制算法，包括以下步骤：
S100：识别电池电压等级阶段，采用5A的小电流对电池进行恒流充电，一般来说，低速电动车电池容量不会低于10Ah，最大可以到100Ah，因此首先采用5A小电流对电池恒流充电，这个电流对于最低10Ah容量的电池也只有0.5C的充电电流，不会对电池产生伤害，同时电池的极化效应也很小，可以将电池完全充满，通过BMS对电池单体电压实时采集和监控，对电池单体的过压保护和过温保护分别设置一级、二级以及三级告警阈值，一级属轻微告警并限功，二级属较严重告警并被动停机，三级属严重告警并主动停机，当BMS检测到电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值时，停止充电并记录本次充电容量和末端电池总压，连续多次对电池进行满充满放，记录每次的充电容量和末端电池总压，去掉其中的最高值和最低值，并计算平均值，得出电池的额定容量C和满充总压值；
S200：均流充电阶段，BMS申请0.2C的充电电流对电池进行恒流充电，0.2C理论充电时间为5h，电池电量可达到满电量的70％～80％；
S300：降流充电阶段，根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流的大小；
S400：恒压充电阶段，在均流和降流充电阶段，电池总压会逐渐升高，当电池总压达到所识别的满充总压值，则BMS将申请的充电电压调整为满充总压值对电池进行恒压充电，设定充电截止电流阈值为0.01C，当充电电流下降到充电截止电流阈值，或电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值，或电池单体最高温度达到过温保护三级告警阈值时，BMS申请充电电流降为0，结束充电。
具体地，所述过压保护一级告警阈值小于所述过压保护二级告警阈值小于所述过压保护三级告警阈值；所述过温保护一级告警阈值小于所述过温保护二级告警阈值小于所述过温保护三级告警阈值。
具体地，所述的根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流大小的策略包括：
当电池单体最高电压达到过压保护一级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.15C；当电池单体最高温度达到过温保护一级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降1A；当电池单体最高电压达到过压保护二级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.1C；当电池单体最高温度达到过温保护二级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降2A。
具体地，本发明针对目前不同电压等级的低速电动车需要匹配对应电压等级的充电机所导致的充电机规格参数各异，品种繁多且不兼容的弊端，提出了一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，该算法可以减少充电机厂家在硬件上和软件上的设计工作量，极大地降低了材料成本和人工成本，有利于充电机的标准化和市场推广应用。同时，该算法符合马斯可接受充电电流曲线定律，适用于多种锂离子电池，能够使充电机自动识别不同低速电动车上的电池电压等级和额定容量，并按照预设的充电流程和策略，在电池温升受控的情况下使充电能量最大化，充电效率最优，具有较高的实用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
识别电池电压等级阶段，采用5A的小电流对电池进行恒流充电，通过BMS对电池单体电压实时采集和监控，对电池单体的过压保护和过温保护分别设置一级、二级以及三级告警阈值，当BMS检测到电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值时，停止充电并记录本次充电容量和末端电池总压，连续多次对电池进行满充满放，记录每次的充电容量和末端电池总压，去掉其中的最高值和最低值，并计算平均值，得出电池的额定容量C和满充总压值；
均流充电阶段，BMS申请0.2C的充电电流对电池进行恒流充电；
降流充电阶段，根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流的大小；
恒压充电阶段，在均流和降流充电阶段，电池总压会逐渐升高，当电池总压达到所识别的满充总压值时，BMS将申请的充电电压调整为满充总压值对电池进行恒压充电，设定充电截止电流阈值为0.01C，当充电电流下降到充电截止电流阈值，或电池单体最高电压达到过压保护三级告警阈值，或电池单体最高温度达到过温保护三级告警阈值时，BMS申请充电电流降为0，结束充电。
2.根据权利要求1所述的自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，其特征在于，所述过压保护一级告警阈值小于所述过压保护二级告警阈值小于所述过压保护三级告警阈值；所述过温保护一级告警阈值小于所述过温保护二级告警阈值小于所述过温保护三级告警阈值。
3.根据权利要求1所述的自适应不同低速电动车电压等级的充电控制算法，其特征在于，所述的根据电池单体设定的过压保护和过温保护一级、二级以及三级告警阈值，阶梯式地调整充电电流的大小包括：
当电池单体最高电压达到过压保护一级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.15C；当电池单体最高温度达到过温保护一级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降1A；当电池单体最高电压达到过压保护二级告警阈值时，BMS调整充电电流为0.1C；当电池单体最高温度达到过温保护二级告警阈值时，BMS进入阶梯线性降流过程，温度每升高1℃，申请电流降2A。
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