什么樣的充電方式最好？電動(dòng)汽車電池組快速充電研究

隨著全球氣候惡化, 全人類在討論如何應(yīng)對(duì)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(wú)污染的電動(dòng)汽車, 而電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(méi)有“記憶效應(yīng)”, 不含鉛、鎘等有毒物質(zhì), 因此成為電動(dòng)車用電池的首選。

大功率的電動(dòng)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(gè)體差異, 在使用中老化程度也不一樣, 若不在充電過(guò)程中采取措施, 這種差異將被累積甚至擴(kuò)大, 導(dǎo)致整個(gè)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(shí)間長(zhǎng), 嚴(yán)重阻礙了電動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)電池的使用壽命. 這種影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:

(1) 電壓的影響. 一方面, 在充電過(guò)程中要嚴(yán)格控制電池電壓不能超過(guò)充電限制電壓, 超過(guò)充電限制電壓稱為過(guò)充, 輕微過(guò)充多次會(huì)導(dǎo)致電池容量減小, 電池發(fā)生變形, 過(guò)充嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(huì)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(gè)上限值, 會(huì)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(guò)高, 會(huì)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(guò)程中, 要及時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度情況并對(duì)其加以控制。

選擇合適的充電方法可以提高充電效率, 延長(zhǎng)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(guò)程中以恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電. 在這個(gè)過(guò)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(shì)較低, 因此充電電流較大, 隨著充電過(guò)程的進(jìn)行, 電池電勢(shì)逐漸升高, 充電電流逐漸減小. 恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)快, 對(duì)電池帶來(lái)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(guò)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(shí)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(guò)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(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間, 降低充電效率。

以上兩種方法都比較簡(jiǎn)單, 也都有很多不足之處. 恒壓充電初期電流過(guò)大而恒流充電后期電流過(guò)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(gè)階段的弊端。

1.3 恒流/恒壓充電法 這種充電方法將充電過(guò)程分為三個(gè)階段. 如圖1 所示。

(1) 預(yù)充階段. 接通直流電源后, 當(dāng)檢測(cè)到電池時(shí), 充電芯片啟動(dòng), 進(jìn)入預(yù)充過(guò)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(duì)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(shí), 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(guò)程。

(3) 恒壓充電階段. 在恒壓充電過(guò)程中, 充電電流逐漸衰減, 當(dāng)監(jiān)測(cè)到充電電流降到設(shè)置值以下, 或滿充時(shí)間超時(shí)轉(zhuǎn)入頂端截止充電, 此時(shí)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(guò)程可以延長(zhǎng)電池5% ~ 10% 的使用時(shí)間。

這種充電方法中, 為避免電流過(guò)大, 電池溫度過(guò)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(shí)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(huì)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(guò)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(guò)程來(lái)代替, 達(dá)到提高充電效率。

在變流充電階段, 通過(guò)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),確定起始的電流進(jìn)行恒流充電, 同時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè), 當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時(shí), 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(shí), 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(guò)提高初始階段的充電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電的目的. 但實(shí)際上, 充電電流過(guò)大會(huì)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(guò)對(duì)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(shí)間后增加一段間歇時(shí)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(shí)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(lái)的充電過(guò)程中能夠接受更多的電量。

1. 6 脈沖充電法 在脈沖充電過(guò)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(duì)電池充電, 充電電流時(shí)有時(shí)無(wú), 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(shí)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(shí)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(dòng), 有效的抑制了極化現(xiàn)象。