恒流/恒壓充電法 - 電動(dòng)汽車電池組快速充電的研究

　　1.3恒流/恒壓充電法

　　這種充電方法將充電過程分為三個(gè)階段.如圖1所示.

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　　(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(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(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.

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　　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(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)?a target="_blank">參數(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(shí)現(xiàn)快速充電的目的.但實(shí)際上,充電電流過大會(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(duì)電池充電,充電電流時(shí)有時(shí)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(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.

　　2本文采用的充電方式

　　對(duì)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(dòng)汽車電池組對(duì)充電過程要求很高,既要要求安全充電,盡可能延長(zhǎng)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(zhǎng)使用壽命這幾項(xiàng)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(shí),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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間累積,造成電池狀態(tài)的不平衡.長(zhǎng)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(gè)電池組的實(shí)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(shí),若繼續(xù)充電,電池的電壓將繼續(xù)升高.電壓過高會(huì)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(shí),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(huì)給電池造成致命的損壞或造成安全事故.實(shí)驗(yàn)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(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí),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(dòng)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(gè)電池組性能明顯惡化

　　.為應(yīng)對(duì)以上問題,就要在充電過程中,通過某種方法,使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電,達(dá)到均衡狀態(tài),實(shí)現(xiàn)均衡控制.