電動汽車電池組快速充電研究

引言

隨著全球氣候惡化, 全人類在討論如何應(yīng)對氣候變化, 節(jié)能減排、尋找新能源是減少環(huán)境破壞的重要途徑. 目前全球汽車保有量已達(dá)10 億, 汽車尾氣是加劇環(huán)境惡化的重要因素, 為此, 許多企業(yè)機(jī)構(gòu)正在研發(fā)無污染的電動汽車, 而電動汽車動力電池是其中最核心的部分, 是重點(diǎn)研究的方向.

目前, 大多數(shù)電動汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均采用鋰離子電池組作為其動力電池. 鋰離子電池有很多優(yōu)點(diǎn), 與傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫電池相比, 鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大, 鋰離子電池的能量密度很高, 它的容量是同重量的鎳氫電池的1. 5~ 2 倍, 而且具有很低的自放電率, 另外, 鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”, 不含鉛、鎘等有毒物質(zhì), 因此成為電動車用電池的首選.

大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián), 以獲得較高的輸出電壓, 但是, 鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區(qū)別的. 在電池組中, 各單體鋰離子電池在生產(chǎn)制造中必然存在個體差異, 在使用中老化程度也不一樣, 若不在充電過程中采取措施, 這種差異將被累積甚至擴(kuò)大, 導(dǎo)致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴(yán)重縮短. 另外, 由于電池組容量較大, 采用傳統(tǒng)的充電方式效率低, 充電時間長, 嚴(yán)重阻礙了電動汽車的推廣.

因此, 快速有效安全可靠的充電系統(tǒng)是目前電動汽車行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù).

1 傳統(tǒng)鋰離子電池充電方式研究

不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素. 合適的充電方式不僅能夠最大限度的發(fā)揮電池的容量, 而且可以延長電池的使用壽命. 這種影響主要體現(xiàn)在三個方面:

(1) 電壓的影響. 一方面, 在充電過程中要嚴(yán)格控制電池電壓不能超過充電限制電壓, 超過充電限制電壓稱為過充, 輕微過充多次會導(dǎo)致電池容量減小, 電池發(fā)生變形, 過充嚴(yán)重時會直接導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸. 另一方面, 在充電結(jié)束后, 應(yīng)使電池電壓盡量接近滿充電壓, 否則會導(dǎo)致電池容量大大降低.

(2) 電流的影響. 鋰離子電池可接受的充電電流是有限的, 若充電電流高于這個上限值, 會造成電池中電解液發(fā)生析氣反應(yīng), 大量發(fā)熱, 使電池溫度急劇上升.

(3) 溫度的影響. 鋰離子電池溫度過高, 會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng), 電池可能爆炸, 因此在充電過程中, 要及時監(jiān)測電池溫度情況并對其加以控制.

選擇合適的充電方法可以提高充電效率, 延長使用壽命. 鋰離子電池的充電方法有很多種, 常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/ 恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等.

1.1 恒定電壓充電法

恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進(jìn)行充電. 在這個過程中, 充電電流滿足公式: I =（U – E）/R(式中: I 為充電電流, U 為充電電壓, E 為電池電壓, R 為充電回路電阻) .

在充電初期, 由于電池電勢較低, 因此充電電流較大, 隨著充電過程的進(jìn)行, 電池電勢逐漸升高, 充電電流逐漸減小. 恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,而且充電電流比較接近可接受充電電流, 具有一定的自適應(yīng)性, 但在充電初期電流比較大, 有可能造成電池溫度上升過快, 對電池帶來不利影響.

1.2 恒定電流充電法

恒定電流充電法是指在充電過程中全程以恒定不變電流進(jìn)行充電. 鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降, 而充電電流保持不變, 若充電電流較大, 在恒流充電后期可能出現(xiàn)充電電流超過可接受電流而導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng), 但若充電電流太小, 就會延長充電時間, 降低充電效率.

以上兩種方法都比較簡單, 也都有很多不足之處. 恒壓充電初期電流過大而恒流充電后期電流過大, 因此, 可采用先恒流后恒壓的充電方法以克服這兩種方式在這兩個階段的弊端.

1.3 恒流/恒壓充電法

這種充電方法將充電過程分為三個階段. 如圖1 所示.

(1) 預(yù)充階段. 接通直流電源后, 當(dāng)檢測到電池時, 充電芯片啟動, 進(jìn)入預(yù)充過程, 在此期間充電控制器以較小的電流給電池充電, 使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài).

(2) 恒流充電階段. 在充電初期, 充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電, 一般鋰電池大多選用標(biāo)準(zhǔn)充電速率. 恒流充電時, 電池電壓將緩慢上升, 一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓, 恒流充電終止, 進(jìn)入恒壓充電過程.

(3) 恒壓充電階段. 在恒壓充電過程中, 充電電流逐漸衰減, 當(dāng)監(jiān)測到充電電流降到設(shè)置值以下, 或滿充時間超時轉(zhuǎn)入頂端截止充電, 此時充電控制器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量, 一般情況下, 該過程可以延長電池5% ~ 10% 的使用時間.

這種充電方法中, 為避免電流過大, 電池溫度過高, 在恒流階段, 通常采用較小的充電電流進(jìn)行充電, 充電效率仍然不高. 為提高充電效率, 可采用變流充電法.

1. 4 變流充電法

鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降, 若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線(圖2中曲線1) 以上會導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng), 影響電池壽命.

理想化的充電過程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值. 如圖2 中曲線2 為變流充電電流曲線. 圖2 中可以看出, 在充電初期, 充電電流較大, 效率較高, 克服了恒流/ 恒壓充電階段初期充電電流設(shè)置較小的缺點(diǎn), 隨著充電繼續(xù), 充電電流逐步減小, 因此, 可以將其原有的恒流充電階段用分段恒流充電的過程來代替, 達(dá)到提高充電效率.

在變流充電階段, 通過對電池狀態(tài)進(jìn)行檢測,確定起始的電流進(jìn)行恒流充電, 同時對電池狀態(tài)進(jìn)行檢測, 當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時, 結(jié)束該分段, 調(diào)整電流值, 進(jìn)入下一分段,直至電池狀態(tài)達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時, 終止變流充電,進(jìn)入恒壓充電, 以確保電池完全充滿.

變流充電法的主要困難在于確定各階段恒流充電電流值, 選取適當(dāng)?shù)膮?shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù).
在變流充電法中, 通過提高初始階段的充電電流來實現(xiàn)快速充電的目的. 但實際上, 充電電流過大會造成電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象而縮短壽命. 為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應(yīng), 研究人員通過對不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進(jìn)行比較, 提出了間歇充電和脈沖充電的方法.

1. 5 間歇充電法

間歇充電法是指在充電一段時間后增加一段間歇時間, 減少極化現(xiàn)象. 在間歇階段, 電解液析氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時間得以重新化合,可以有效的減緩電池內(nèi)電壓升高, 消除歐姆極化,減小內(nèi)阻, 使電池在接下來的充電過程中能夠接受更多的電量.

1. 6 脈沖充電法

在脈沖充電過程中, 在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎(chǔ)上, 用脈沖電流對電池充電, 充電電流時有時無, 充電狀態(tài)和暫停狀態(tài)相互交替. 脈沖充電方式有正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電兩種方式, 在正脈沖充電方式中, 正脈沖空閑時間內(nèi), 電解液中的離子自由擴(kuò)散, 減小了極化的加劇; 在正負(fù)脈沖充電方式中, 正脈沖空閑時間內(nèi)加上了負(fù)脈沖, 電解液中的離子受反向作用力向相反方向運(yùn)動, 有效的抑制了極化現(xiàn)象.

2 本文采用的充電方式

對以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點(diǎn)相比較可以看出, 每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn). 電動汽車電池組對充電過程要求很高, 既要要求安全充電, 盡可能延長電池使用壽命, 又必須滿足快速充電的特點(diǎn),快速、高效、安全、長使用壽命這幾項指標(biāo)都必須達(dá)到, 綜合每一種充電方法的優(yōu)點(diǎn), 本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進(jìn), 提出了限壓變流脈沖充電方法.

限壓變流脈沖充電方法的特點(diǎn)是, 將恒流/恒壓充電方式的恒流充電階段改為變流脈沖充電,這一階段電流的大小符合變流充電的特點(diǎn), 初期電流較大, 盡量逼近充電可接受電流, 以保證電池獲得足夠電流, 同時,采用脈沖式充電電流, 有效抑制極化效應(yīng), 減緩電池內(nèi)壓升高, 減小內(nèi)阻. 后期采用恒壓充電方式, 以獲得過充電量.

3 研究電池組均衡充電的意義

電動汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓. 由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中電池特性必然存在差異, 造成這種差異的原因有: 在生產(chǎn)過程中, 由于加工工藝等原因, 同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異; 使用過程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡; 不同電池之間的放電情況存在差異, 長時間累積, 造成電池狀態(tài)的不平衡. 長期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡, 從而影響整個電池組的實際容量, 縮短壽命, 造成浪費(fèi), 增大成本.

和其他電池相比, 鋰離子電池幾乎沒有耐過充的能力, 在電池荷電狀態(tài)已滿時, 若繼續(xù)充電,電池的電壓將繼續(xù)升高. 電壓過高會造成鋰離子在負(fù)極積累, 解析出金屬鋰, 使電池的蓄電能力喪失, 而且這一過程是不可逆的, 同時, 電解液發(fā)生電解, 析出氫氣和氧氣, 伴隨著大量熱量的產(chǎn)生,電池溫度逐漸升高, 氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸.因此, 鋰電池切不可過充電, 否則會給電池造成致命的損壞或造成安全事故. 實驗數(shù)據(jù)證明, 過充電將嚴(yán)重減少電池的充電循環(huán)次數(shù).
因此, 在對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時, 不能通過過充的方式使各單體電池達(dá)到性能均衡. 若以容量大的電池充滿為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量小的電池過充電, 損害電池; 若以容量小的電池充滿為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電, 這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài). 同樣在放電過程中, 若以容量大電池放電結(jié)束為依據(jù), 必然導(dǎo)致容量小的電池過放, 若以容量小的電池放電結(jié)束為依據(jù), 容量大的電池的電量還將剩余大部分電量,不能得到充分利用. 電動汽車電池組需要頻繁的充放電, 隨著充放電次數(shù)的增多, 將形成惡性循環(huán), 各電池的不均衡將加劇, 造成整個電池組性能明顯惡化
.為應(yīng)對以上問題, 就要在充電過程中, 通過某種方法, 使充電完成時電池組的所有電池都能充滿電, 達(dá)到均衡狀態(tài), 實現(xiàn)均衡控制.

4 電池組充電均衡控制研究

目前均衡控制的方法, 按照能耗主要分能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式.

能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來實現(xiàn)均衡. 常使用的方法是電流分流法. 分流法是將每一個電池并聯(lián)一個分流電阻, 并通過開關(guān)進(jìn)行控制, 在充電過程中, 當(dāng)某個電池電壓偏高時, 其分流開關(guān)閉合, 電池進(jìn)行分流. 這種方法結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn), 缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率, 能效低, 而且產(chǎn)生熱量比較大. 電動汽車需要考慮能效的問題, 否則無法大規(guī)模推廣, 顯然, 這種均衡方法不適用. 能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種, 一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充, 另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化. 常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法, 利用變壓器將能量補(bǔ)充給饑餓的電池, 有開關(guān)式、共享式、獨(dú)立式三種結(jié)構(gòu), 線圈能量轉(zhuǎn)換法對充電電流進(jìn)行均衡, 充電速率很快, 但在大量電池串聯(lián)充電時, 其缺點(diǎn)就突顯出來了, 這時需要大量的變壓器, 磁場損耗大, 均衡設(shè)備的體積很大, 效率變低. 因此, 這種方法對電動汽車電池組充電也不適用.

能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進(jìn)行傳遞, 在充電過程中, 電池組中容量低的電池端電壓會比其他電池高, 這時容量低的電池會對容量高的電池充電. 常用的有電容法和電感法.

電容式均衡電路是通過MCU 控制開關(guān)的切換, 先由電壓最高的電池向電容充電, 充滿后切換開關(guān), 由電容向電壓低的電池充電, 并多次重復(fù)這個過程. 這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積可以做的很小, 缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開關(guān)器件, 損耗大, 需要的時間也較長, 因此不適宜電動汽車電池組充電.

電感式相鄰均衡電路的原理是每一個電池都并聯(lián)一個電感, 檢測比較相鄰兩個電池B1、B2 的電壓, 若B1 電壓較高, 由MCU 控制PWM 輸出信號的占空比來控制開關(guān)器件, 使B1 能量儲存在電感, 并對公共電容充電, 然后將能量傳送給B2;反之, 若B2 電壓較高, PWM 輸出的占空比變化,使能量由B2 流向B1. 這種均衡電路的特點(diǎn)是效率高, 速度快, 體積小, 缺點(diǎn)是控制算法比較復(fù)雜.

通過對以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較, 本文認(rèn)為電感式均衡電路較適用于電動汽車電池組充電均衡. 電動汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點(diǎn), 因此, 本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路( 如圖3) , 實現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移,達(dá)到均衡的目的.

系統(tǒng)中, 及時檢測電池組中各電池的狀態(tài)信息, 送入MCU 中, 通過算法處理, 控制PWM 的輸出, 驅(qū)動開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷. 當(dāng)某個電池電壓較高時, 相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通, 電池將能量儲存到相應(yīng)的電感中, 當(dāng)開關(guān)斷開后, 能量轉(zhuǎn)移到下游的電池, 多余能量轉(zhuǎn)移到公共電容上并回饋給充電電路.

5 鋰離子電池組充電電路設(shè)計

在以上研究的基礎(chǔ)上, 本文設(shè)計了一種基于限壓變流脈沖充電方法的具有均衡功能的充電系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用MCU 進(jìn)行控制, 對電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣, 送入MCU 中, 并通過一定的算法, 控制PWM 輸出信號的占空比, 控制脈沖充電電流, 控制均衡電路的開關(guān)器件, 實現(xiàn)均衡充電, 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下.


6 總結(jié)

本文在通過對多種傳統(tǒng)充電方式的研究, 綜合各種方式的優(yōu)點(diǎn), 提出了限壓變流脈沖充電方式, 使實際充電電流接近充電可接受電流, 縮短充電時間, 并有效防止極化, 快速、高效、安全. 同時,應(yīng)對電池組中單個電池狀態(tài)不均衡的問題, 進(jìn)行了均衡控制研究, 使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移, 保證在充電結(jié)束時各電池達(dá)到均衡狀態(tài), 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).