鋰離子動(dòng)力電池脈沖快速充電實(shí)驗(yàn)研究

潘盛輝，丁修乘，郭毅鋒

(廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006)

鋰離子動(dòng)力電池脈沖快速充電實(shí)驗(yàn)研究

潘盛輝，丁修乘，郭毅鋒

(廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006)

為了滿足電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池快速高效充電的要求，根據(jù)馬斯三定律提出了一種大電流帶負(fù)脈沖充電方法作為電池的快速充電方式。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了帶負(fù)脈沖形式的大電流脈沖充電是一種能明顯減小極化效應(yīng)、縮短充電時(shí)間、快速高效的充電方式，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了放電負(fù)脈沖的幅值和寬度最佳值。結(jié)合放電負(fù)脈沖參數(shù)值對(duì)10 Ah/3.2 V鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，在充電量不低于90%的前提下，比常規(guī)大電流恒流充電速度提高了32.85%，達(dá)到了快速高效充電的目的。

鋰離子動(dòng)力電池；負(fù)脈沖；快速充電

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源，其性能直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程、使用壽命等問(wèn)題。鋰離子動(dòng)力電池的性能和使用壽命與動(dòng)力電池的充電方法有著密切的關(guān)系，選擇合理的快速充電方法對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的使用有著十分重要的意義[1]。目前恒流充電、恒壓充電[2]、分段式恒流恒壓充電[3]等方法廣泛運(yùn)用在充電設(shè)備中。這些充電方法，所設(shè)定的充電電流相對(duì)較小，整個(gè)充電過(guò)程所需的時(shí)間較長(zhǎng)，不能很好地起到快速充電的作用。為了實(shí)現(xiàn)快速充電，應(yīng)采用大電流方式進(jìn)行充電，但是簡(jiǎn)單的大電流充電不能使電池達(dá)到充滿狀態(tài)，同時(shí)還會(huì)損傷電池、縮短電池使用壽命。因此，本文根據(jù)電池快速充電基本理論，結(jié)合充放電實(shí)驗(yàn)，提出了大電流帶負(fù)脈沖充電方法，以實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池的快速充電。

1 脈沖快速充電基本理論

鋰離子動(dòng)力電池充電過(guò)程總是受到其電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的極化效應(yīng)的影響，主要極化表現(xiàn)為電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆極化等。由于極化效應(yīng)的存在，電池本身固有的可接受充電電流按一定形式衰減，因此使得鋰離子動(dòng)力電池?zé)o法接受長(zhǎng)時(shí)間大電流充電，從而表現(xiàn)為充電速度減慢。

根據(jù)美國(guó)學(xué)者馬斯研究所得理論，電池在充電過(guò)程中適當(dāng)?shù)耐３浠虼箅娏鞣烹姡梢允钩潆娝俣鹊玫礁纳疲涮岢龅鸟R斯三定律為快速充電提供了重要的理論依據(jù)。

第一定律：對(duì)于任意給定的放電電流，電池充電接受率與放電容量的平方根成反比。即：

式中：α為充電接受率；C為放電容量；K為常數(shù)；I0為充電初始電流。

由式(1)可知，電池放電深度不同，充電時(shí)的可接受能力發(fā)生變化。由式(2)可知，電池的放電深度越深，充電時(shí)可接受更大的初始電流值。

第二定律：對(duì)于任意給定放電深度，電池的充電接受率與放電電流的對(duì)數(shù)成正比。即：

由式(3)可知，電池放電率不同，充電時(shí)的可接受能力發(fā)生變化。由式(4)可知，電池的放電電流越大，充電時(shí)電池對(duì)于電流的接受能力就越強(qiáng)。

第三定律：電池經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各種放電率下接受電流之和。即：

馬斯三定律揭示了充電時(shí)蓄電池對(duì)電流的可接受能力與放電量之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)馬斯三定律的分析可知，在鋰離子動(dòng)力電池充電的過(guò)程中，進(jìn)行一定深度的放電，可以提高電池的充電電流接受能力，從而加快電池的充電速度。

2 脈沖快速充電實(shí)驗(yàn)研究

電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池對(duì)充電過(guò)程要求嚴(yán)格，要求在保證充電安全和不影響使用壽命的前提下實(shí)現(xiàn)快速、節(jié)能、高效充電。本文結(jié)合馬斯三定律，在恒流恒壓充電過(guò)程中加入放電負(fù)脈沖電流，用以減小充電過(guò)程中的極化效應(yīng)，提高電池大電流充電接受能力，從而提高充電速率，縮短充電時(shí)間。

2.1 鋰離子動(dòng)力電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

鋰離子動(dòng)力電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用Stropower動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)XP-EVBT-BS-100-150，最大容量為100 V/150 A。該測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)量和記錄電流、電壓、溫度等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集和最小記錄周期為250 ms。測(cè)試系統(tǒng)提供了編寫電池測(cè)試程序的環(huán)境，測(cè)試程序最大可設(shè)200階段。電池測(cè)試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池測(cè)試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

本文中被測(cè)電池為國(guó)產(chǎn)某公司10 Ah/3.2 V磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池的充電上限電壓為3.65 V，放電下限電壓為2.5 V。電池的性能和循環(huán)使用壽命、安全性與溫度有著密切的聯(lián)系，因此在電池充放電過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制其溫度。電池溫度的變化是由本身內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)所造成的，溫度的測(cè)量應(yīng)采集電池內(nèi)部溫度。但由于電池外圍結(jié)構(gòu)和封裝的限制，內(nèi)部溫度的采集比較困難。因此，本文選用多點(diǎn)采集電池外部溫度求平均值的方法來(lái)確定電池的溫度。

2.2 脈沖快速充電法參數(shù)實(shí)驗(yàn)

為了體現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池脈沖充電的快速性和可行性，進(jìn)行了一些對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將電池所有電量完全放電后，分別以10、18 A電流恒流充電，18 A充電電流加入幅值為5 A放電電流進(jìn)行充電的結(jié)果如圖2所示。

圖2 帶放電負(fù)脈沖的充電效果曲線

從圖2中可知，加入放電負(fù)脈沖的充電方式，對(duì)充電效果和充電時(shí)間有明顯的改善。10 A恒流充電，在電池達(dá)到截止電壓時(shí)，所能充進(jìn)的電量為10.585 Ah，充電所用時(shí)間為3 820 s；18 A恒流充電，充進(jìn)的電量為9.261 Ah，所用時(shí)間為1 854 s；而加入放電脈沖的充電方式則能充入電量為10.253 Ah，所用時(shí)間為2 565 s。比較三種充電方式可知：18 A恒流充電方式電池電壓在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了充電截止電壓，表明過(guò)大的充電電流會(huì)使得電池的極化效應(yīng)加劇，不利于電池對(duì)大電流的接受；加入反向放電脈沖的充電方式，可以減緩極化效應(yīng)，提高電池對(duì)大電流的接受能力，使電池達(dá)到截止電壓的時(shí)間延長(zhǎng)了38.35%，充入電量增加了10.71%；加入反向放電脈沖的充電方式與10 A恒流充電方式比較，充電時(shí)間縮短了32.85%，但充入電量減少了3.14%。

為了驗(yàn)證三種充電方法實(shí)際充入的電量，進(jìn)行了相同方式下的放電實(shí)驗(yàn)。以10 A電流恒流放電，直至電池電壓為2.5 V，得到的放電數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同充電方式在相同放電條件下的放電情況統(tǒng)計(jì)

從表1可知，加入放電負(fù)脈沖的充電方式雖然比10 A恒流充電方式少充入3.14%電量，但實(shí)際放電量相當(dāng)，而加入放電負(fù)脈沖的充電方式放電效率高于10 A恒流充電方式。說(shuō)明加入放電負(fù)脈沖的充電方式在確保充電電量的前提下可以有效地縮短充電時(shí)間，提高充電速率。

2.2.1 放電負(fù)脈沖幅值實(shí)驗(yàn)

鋰離子動(dòng)力電池在大電流恒流充電過(guò)程中，適當(dāng)?shù)募尤敕烹娯?fù)脈沖可以有效地消除或抑制電池的極化效應(yīng)。放電負(fù)脈沖的幅值是關(guān)鍵的參數(shù)之一，為了探尋合適的負(fù)脈沖幅值，采用了不同負(fù)脈沖幅值進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)在完全放電的情況下，電池的電壓為2.85 V。充電電流為18 A，放電負(fù)脈沖幅值分別設(shè)為-7、-5和-3 A，進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)如圖3、圖4和表2所示。

圖3 不同幅值放電負(fù)脈沖充電效果曲線

圖4 不同幅值放電負(fù)脈沖充電截段效果

表2 不同幅值放電負(fù)脈沖充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2可知，放電負(fù)脈沖幅值為-5 A的充電方式，在充電時(shí)間上沒(méi)有放電負(fù)脈沖幅值為-3 A的充電方式短，在改善電池極化效應(yīng)的效果上沒(méi)有放電負(fù)脈沖幅值為-7 A的充電方式好，但就其充電時(shí)的溫升、放電容量以及放電效率上都是三種方式中最好的。其原因是，該幅值的放電脈沖在一定程度上很好地平衡了電池充放電過(guò)程。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)測(cè)試電池，放電負(fù)脈沖幅值為-5 A的充電方式為最佳選擇。

2.2.2 放電負(fù)脈沖寬度實(shí)驗(yàn)

充電過(guò)程中加入適當(dāng)時(shí)間的負(fù)脈沖，可以有效地消除或抑制極化效應(yīng)，延長(zhǎng)大電流充電持續(xù)的時(shí)間。因此放電負(fù)脈沖的脈沖寬度也是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。放電負(fù)脈沖寬度的設(shè)定，要考慮到電池本身的化學(xué)反應(yīng)速度。放電脈沖寬度過(guò)窄，電池還未來(lái)得及反應(yīng)，放電脈沖就已結(jié)束，這樣就不能起到改善電池極化效應(yīng)的目的。放電脈沖寬度過(guò)寬，雖能達(dá)到改善電池極化效應(yīng)的目的，但是增加了整體的充電時(shí)間，這與快速充電的原則相違背。因此，放電脈沖寬度具體設(shè)定，是研究脈沖快速充電的重要內(nèi)容。

根據(jù)馬斯三定律原理，結(jié)合電池手冊(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)采用18 A充電電流，充電脈沖寬度為50 s，分別用脈沖寬度為5、6、7、8、9 s對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)[4]。同時(shí)為了驗(yàn)證實(shí)際充電電量，每次充電結(jié)束后靜置3 h再對(duì)電池進(jìn)行恒流放電實(shí)驗(yàn)。充放電實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如圖5、圖6和表3所示。

圖5 不同放電脈沖寬度下充電效果曲線

圖6 不同放電脈沖寬度下充電截段效果

表3 不同放電脈沖寬度下充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表3可知，當(dāng)放電負(fù)脈沖小于7 s時(shí)，充電到達(dá)截止電壓的時(shí)間、負(fù)脈沖放電前后電壓降以及充入電量隨放電脈沖寬度增加而增加。這是由于充電過(guò)程中，放電脈沖時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)電池極化效應(yīng)改善越明顯，同時(shí)整個(gè)充電過(guò)程溫升也就越低。當(dāng)放電負(fù)脈沖大于7 s時(shí)，放電脈沖寬度逐漸增加，充電到達(dá)截止電壓的時(shí)間隨著增加，但負(fù)脈沖放電前后電壓降以及充入電量并不是隨之增加。這是因?yàn)橐欢ǚ档姆烹娯?fù)脈沖對(duì)改善電池極化效應(yīng)是有限的，放電脈沖寬度過(guò)寬將導(dǎo)致累計(jì)放電時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)累計(jì)放出電量隨之增多，從而表現(xiàn)出充電時(shí)間長(zhǎng)但充入電量少的現(xiàn)象；另外隨著大電流充電時(shí)間增加，電池的溫升也逐漸增加。因此，放電脈沖寬度從5 s增加到9 s的過(guò)程中，電池充電時(shí)間是隨寬度的增加而逐漸變長(zhǎng)，電池充電過(guò)程的溫升、充入的電量、負(fù)脈沖放電前后的電壓降以及放電容量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算，綜合充電時(shí)間、充入電量、溫升、放電容量以及放電效率等因素，選擇放電脈沖寬度為7 s最為合適。

2.3 脈沖快速充電法充電效果分析

選取10 Ah/3.2 V鋰離子動(dòng)力電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，按完全充電狀態(tài)電池的實(shí)際放電量為基準(zhǔn)，用10 A電流進(jìn)行不同深度放電，使電池處于不同荷電狀態(tài)(SOC)。采用放電負(fù)脈沖幅值為-5 A，寬度為7 s的帶負(fù)脈沖充電方式進(jìn)行充電，分別記錄充電時(shí)間和放電量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同荷電狀態(tài)下充電效果統(tǒng)計(jì)

由表4可知，放電負(fù)脈沖幅值為-5 A，寬度為7 s的帶負(fù)脈沖充電方式在不同SOC狀態(tài)下，充電時(shí)間隨SOC增加而減少，符合真實(shí)變化情況。從放電容量看，放電容量變化甚微，說(shuō)明該充電方式適應(yīng)于不同SOC條件下的充電。

在SOC為零時(shí)，該充電方式在確保充電容量和放電容量達(dá)到要求的前提下，比10 A恒流充電在時(shí)間上縮短了1 255 s，充電速度提高了32.85%。

3 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：鋰離子動(dòng)力電池在大電流充電過(guò)程中加入適當(dāng)?shù)姆烹娒}沖，可以有效地減緩極化效應(yīng)，提高電池充電過(guò)程中大電流的接受率，從而縮短充電時(shí)間，加快充電速度。本文以10 Ah/3.2 V鋰離子動(dòng)力電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，確定放電脈沖幅值為-5 A，放電寬度為7 s的帶負(fù)脈沖充電方式對(duì)電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明該方法在不到44min的時(shí)間內(nèi)，使電池電量達(dá)到90%以上，充電速度比常規(guī)大電流充電提高了32.85%。

[1]何秋生,徐磊,吳雪雪.鋰電池充電技術(shù)綜述[J].電源技術(shù)，2013，37(8):1464-1466.

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[3]王鴻雁,李廣凱,江政昕,等.鋰離子電池快速充電方法研究[J].電源技術(shù)，2012，36(11):1616-1619.

[4]郭毅鋒,王志福,黃麗敏.礦用鉛酸動(dòng)力電池帶負(fù)脈沖放電的快速充電方法研究[J].煤礦機(jī)械，2012，33(9):75-77.

Experimental study on pulse fast charging of lithium-ion battery

In order to achieve the requirements for quickly and efficiently charging of lithium-ion battery used in electric vehicle,according to Mas three laws,the high current charging method with negative pulse was introduced as one of the fast charging methods.A great number of tests show this charging method can effectively eliminate polarization effects and shorten the charging time.The optimal value of the amplitude and the width for the discharge negative pulse is determined.The charging experiments were conducted for the 10 Ah/3.2 V lithium-ion battery by using the parameters of the discharge negative pulse.The results show that the speed increases by 32.85% compared with conventional high-current constant current charging in 90%of the amount of charge provided, achieving the purpose of fast and efficient charge.

lithium-ion battery;negative pulse;fast charge

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1172-04

2015-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51407038)；廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFBA019241)；廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(13-051-38，2013KFMS02)

潘盛輝(1971—)，男(侗族)，廣西壯族自治區(qū)人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)與控制、新能源汽車技術(shù)。