動力驅動系統鋰電池單體充電特性的實驗分析

毛鵬軍，丁月華，張松泓，張亞龍

(河南科技大學農業工程學院，河南洛陽471003)

動力驅動系統鋰電池單體充電特性的實驗分析

毛鵬軍，丁月華，張松泓，張亞龍

(河南科技大學農業工程學院，河南洛陽471003)

對動力驅動系統單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，通過對單體18650鋰電池充電曲線以及相關數據的分析，得出了單體18650鋰電池在充電后期(恒壓階段)所充入的容量占總容量的比例很小，而且所用的時間很長，充電效率很低的結論。所以對充電時間進行了限制，以不同倍率的電流進行1 h的充電，記錄下電池的端電壓、容量和時間，得出以0.5C倍率的電流對單體18650電池進行充電，充電效率最好。

18650鋰電池;充電特性;充電時間

近年來隨著世界各國私家車數量的增加，我們所面臨的能源短缺、環境污染等問題也日益嚴峻[1]，因此環保型車輛的研究成為汽車工業可持續發展的一個重大研究方向。目前，發展新能源電動汽車是現在世界汽車發展的一種趨勢[2-3]。鋰電池由于容量大、充放電壽命長、無記憶效應、自放電率低和無污染等優點，在越來越多的電動車上得到廣泛的應用[4-5]。

電動車的能源研究大部分集中在電池的特性研究上，電池的特性研究包括充電特性以及放電特性研究。為了進一步了解鋰電池的充電特性，本文對單體18650鋰電池的充電特性進行了一系列研究。

1　18650鋰電池概述及實驗設計

1.118650鋰電池概述

18650電池分為鋰離子電池和氫鎳電池，本文只對鋰離子電池進行了研究。本實驗對神火3 800 mAh/3.7 V的單節18650鋰電池進行充電特性實驗。電池部分技術參數如下：標稱電壓3.7 V，標稱容量3 000 mAh，鋰電池直徑18.0mm，高度65.0mm。在室溫(25℃)下進行實驗，充電截止電壓4.2 V，放電截止電壓2.75 V。

1.218650鋰電池充電實驗設計

根據18650鋰電池的特性及馬斯最佳充電電流曲線，本實驗采用“恒流-恒壓”的充電方式，既避免了恒流充電法后期過充電的現象，又避免了恒壓充電法前期充電電流過大的現象。

本實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，充電電流值控制在標稱容量值以內。在充電初始階段，先采用小電流對電池進行預充電，然后采用較大的恒流對電池進行快速充電，當電池電壓接近其額定電壓時，充電方式采用恒壓方式，由于充電機的功率恒定，這樣會使充電電流漸漸減小，最后對電池進行涓流充電，直到達到額定電壓為止[6-7]。單體18650鋰電池“恒流-恒壓”的充電方式曲線如圖1所示。在“恒流-恒壓”的充電之前，先采用小電流對18650鋰電池進行預充電處理，對有可能發生過放現象的電池進行修復保護。然后再進入“恒流-恒壓”的充電模式，首先采用大電流進行恒流充電，縮短了充電時間；再采用恒壓充電，當電池達到充電的終止電壓后，采用恒壓法充電，確保電池充滿電。由于在恒壓階段中所充入的容量占總容量的比例很小，而且所用的時間較長，充電效率很低，所以對充電時間進行了限制。實驗以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流進行1小時的充電，記錄充電過程中的時間、電壓、電流、容量的變化，從而分析電池的充電特性，找到最佳充電電流。

圖1　18650鋰電池“恒流-恒壓”的充電方式曲線

2　單體18650鋰電池充電特性實驗及分析

2.1單體18650鋰電池充電時電壓與時間的關系

實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流對單體18650鋰電池進行1小時的充電，記錄充電過程中的電壓隨時間的變化，對單體18650鋰電池5次循環充放電實驗。對實驗結果進行預處理，將實驗結果進行數據處理，處理結果如圖2所示。

圖2　鋰電池端電壓與充電時間的關系

由圖2可知，不同充電電流倍率下單體18650鋰電池端電壓與充電時間的關系：以不同充電倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流進行充電，電壓隨著充電時間的增加不斷增大。在初始一定階段，電壓隨著充電時間的變化急劇增長；當進行充電一定時間后，進入恒流轉為恒壓的過渡時期，電壓增長減緩，最后趨于穩定。其中，在0.2C充電倍率充電時，單體18650鋰電池充電截止電壓所用的時間最長，在1C充電倍率充電時，單體18650鋰電池充電截止電壓所用的時間最短。實驗結果表明，隨著充電電流的增加，單體18650鋰電池達到充電截止電壓所用的時間就越短。

2.2單體18650鋰電池充電時容量與時間的關系

實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C)的電流對單體18650鋰電池進行1小時的充電，記錄充電過程中的容量隨時間的變化，對單體18650鋰電池5次循環充放電實驗。對實驗結果進行預處理，將實驗結果進行數據處理，處理結果如圖3所示。

由圖3可知，不同充電電流倍率下單體18650鋰電池充電容量與充電時間的關系：在充電的初始階段，鋰電池充入的容量基本一致。在充電的中間階段，充入的容量與時間幾乎成正比(簡稱“充容速率”)，而且充電電流越大充容速率也就越大。由鋰電池容量與充電時間的結果可以看出，以0.2C倍率的電流充電，充電1 h能達到鋰電池標稱容量的70%；以0.4C倍率的電流充電，充電1 h能達到鋰電池標稱容量的95%；以0.5C倍率的電流充電，充電效率最好，鋰電池在30 min左右充滿電量。實驗結果表明，在鋰電池充電階段，充入的容量與時間幾乎成正比，而且充電電流越大充容速率也就越大。以0.5C倍率的電流充電，單體18650鋰電池充電效率最好。

圖3　鋰電池容量與充電時間的關系

2.3單體18650鋰電池充電時電流與時間的關系

實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流對單體18650鋰電池進行1小時的充電，記錄充電過程中的電流隨時間的變化，對單體18650鋰電池5次循環充放電實驗。對實驗結果進行預處理，將實驗結果進行數據處理，處理結果如圖4所示。

圖4　鋰電池電流與充電時間的關系

由圖4可知，不同充電電流倍率下單體18650鋰電池充電電流與充電時間的關系：以不同充電倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流進行充電，電流隨著充電時間的變化不斷降低，最后電流趨于一定值。其中，在0.2C充電倍率充電時，單體18650鋰電池恒流階段所用的時間最長，恒壓階段電流下降最少；在1C充電倍率充電時，單體18650鋰電池恒流階段所用的時間最短，恒壓階段電流下降最多。實驗結果表明，充電電流越大，恒流階段所用的時間就越短，而在恒壓階段電流下降的就越多，充電性能越優。

2.4單體18650鋰電池充電時電壓與時間的關系

實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流對單體18650鋰電池進行1小時的充電，記錄充電過程中的電壓隨電池容量的變化，對單體18650鋰電池5次循環充放電實驗。對實驗結果進行預處理，將實驗結果進行數據處理，處理結果如圖5所示。

圖5　鋰電池電壓與容量的關系

由圖5可知，不同充電電流倍率下單體18650鋰電池端電壓與充電容量的關系：以不同充電倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流進行充電，電壓隨著充電容量的增大不斷增大。在初始一定階段，電壓隨著充電容量的變化急劇增長；當一定時間后，電壓增長減緩，最后趨于穩定。其中，以0.2C倍率的電流充電，恒流階段結束時(即達到恒壓階段)，鋰電池充入的容量為55%；以0.4C倍率的電流充電，恒流階段結束時(即達到恒壓階段)，鋰電池充入的容量為19%；以0.5C倍率的電流充電，恒流階段結束時(即達到恒壓階段)，鋰電池充入的容量為7%；以1C倍率的電流充電，恒流階段結束時(即達到恒壓階段)，鋰電池充入的容量為5%。雖然以0.5C倍率的電流充電，恒流階段充入的容量僅為7%，不過所用時間僅為2 min，在充電時間為30 min時，充入的容量可以達到100%。實驗結果表明，18650鋰電池以0.5C倍率的電流充電，充電效率最好。

3　18650鋰電池特性實驗結果分析

實驗對單體18650鋰電池采用“恒流-恒壓”的充電方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的電流進行1小時的充電，記錄充電過程中的時間、電壓、電流、容量的變化以及之間的關系。從實驗結果分析表明，在“恒流-恒壓”充電條件下，充電電流越大時，單體18650鋰電池充電截止電壓所用的時間就越短；單體18650鋰電池充電恒流階段所用的時間就越短，而在恒壓階段電流下降的就越多。同時，達到標稱電壓時，顯示的電池容量值要比實際的容量值要大；也會降低電池的使用壽命。在恒流轉為恒壓的過渡時期，充電電流越小，過渡時期越長，過渡時間越長，電池越容易充滿。電池的充電技術決定了電池的壽命和電動車輛的使用范圍，充電時間較長是制約其推廣應用的瓶頸。所以，選擇一個最佳充電電流是有必要的。通過實驗可知，當單體18650鋰電池以0.5C倍率的電流充電時，鋰電池充電效率最好，充電時間最短。

4　結論

對單體18650鋰電池進行充電實驗，采用以不同倍率的充電電流先恒流再恒壓的充電方法，充電截止電壓為4.2 V，放電截止電壓2.75 V，充電電流值控制在標稱容量值以內。通過采用不同倍率的電流進行充電，對充電過程中的時間、電壓、電流、容量的變化建立關系圖。

根據實驗結果表明：充電電流越大時，單體18650鋰電池充電截止電壓所用的時間就越短；單體18650鋰電池充電恒流階段所用的時間就越短，而在恒壓階段電流下降得就越多。當單體18650鋰電池以0.5C倍率的電流充電，鋰電池充電效率最好。本實驗對單體18650鋰電池充電特性的研究，為電池組的實驗研究奠定了基礎。

[1]王增紅，潘勇.18650動力電池SOC的智能估算[D].湖南：湘潭大學，2013:1-2

[2]何洪文，孫逢春，張晨光，等.鋰離子動力電池充放電特性的實驗研究[J].北京理工大學學報,2002,22(5):578-581.

[3]王志福，彭連云，孫逢春，等.電動車用鋰離子動力電池充放電特性[J].電池,2003,33(3):167-168.

[4]張慶，李革臣.鋰離子電池充放電特性的研究[J].自動化技術及應用,2008,27(12):107-108.

[5]柏林，汪泉弟.電動汽車動力電池的電氣特性分析及模型研究[D].重慶：重慶大學，2013:1-2.

[6]范玉超.電動汽車電池管理系統的研究[D].河南：鄭州大學，2013: 6-15.

[7]劉再飛.電動汽車鋰電池管理系統的研究[D].山東：青島大學，2013:2-5.

Charging characteristic test analysis of lithium cells for power drive systems

MAO Peng-jun,DING Yue-hua,ZHANG Song-hong,ZHANG Ya-long
(College of Agricultural Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China)

The 18650 lithium cells for dynamic drive system were charged by constant current under constant pressure.Based on the analysis of charging curve and relevant data of 18650 lithium cells,it is concluded that the proportion of the charged capacity in the total capacity is small at the late charging stage(constant phase)with a long time and a low charging efficiency.Therefore,during the charging period,the cells were charged at various charging rates for 1 h,and the voltages,capacities and times were recorded.it is concluded that the charging efficiency is the best when charging 18650 lithium cells at 0.5C.

18650 lithium battery;charging characteristics;charging time

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1926-03

2016-03-19

毛鵬軍(1972—)，男，河南省人，教授，博士，主要研究方向為農業電氣化與自動化。