鋰離子電池的快速、高效、安全充電技術(shù)

文/趙宗哲

鋰離子電池的快速、高效、安全充電技術(shù)

文/趙宗哲

隨著電池技術(shù)的更新?lián)Q代，鋰離子電池正在逐步的取代鉛酸電池成為新時代的儲能載體，但鋰離子電池固有的充電特性卻制約著在各行各業(yè)的大規(guī)模和深入化應(yīng)用。本文通過研究現(xiàn)有的充電技術(shù)及鋰電池的充電現(xiàn)狀，研究一種新型鋰離子電池充電技術(shù)，解決鋰離子電池的快速、高效、安全充電問題。

鋰離子電池 高效 安全 快速 充電

隨著蓄電池儲能技術(shù)的發(fā)展，世界上對充電技術(shù)研究已經(jīng)有一百多年的歷史。到目前為止，現(xiàn)有的充電理論和充電技術(shù)無法有效解決蓄電池快速充電和高效充電的技術(shù)難題。本技術(shù)研究項(xiàng)目就是要針對鋰離子電池在快速充電和高效充電的難點(diǎn)進(jìn)行充電理論和充電創(chuàng)新技術(shù)研究。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會的進(jìn)步，鋰離子蓄電池在新能源、智能電網(wǎng)、電動汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)δ苎b置-蓄電池的容量、充電速度、充電安全性等指標(biāo)要求越來越高，儲能裝置也由應(yīng)用百年的鉛酸蓄電池向鋰離子電池及其他新能電池轉(zhuǎn)變，而蓄電池充電技術(shù)直接關(guān)系著著蓄電池的循環(huán)使用?，F(xiàn)廣為應(yīng)用的傳統(tǒng)充電技術(shù)主要有橫流充電、恒壓充電、三段涓流充電、多段涓流充電，還有新型的脈沖充電、無線充電等形式，但最終均無法解決充電速度快、大電流充電無損傷、高安全可靠性等問題和需求。例如，電動汽車應(yīng)用的鋰離子電池組，衛(wèi)星采用28V、48V以及未來100V以上的鋰離子蓄電池組，船艦采用的動力及啟動電池組，飛機(jī)采用的啟動及備用電池組，新能源儲能電池組等，均采用常規(guī)充電技術(shù)無法從真正意義上解決快速充電、高效充電、大電流安全充電的難題。本文就廣泛應(yīng)用的鋰離子電池的充電性能進(jìn)行研究，對現(xiàn)有常規(guī)充電技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，或?qū)で笮碌目焖佟⒏咝А踩某潆姺椒ā?/p>

1.1 現(xiàn)有充電技術(shù)存在的問題

（1）鋰離子電池充電方式主要采用傳統(tǒng)的“恒流充電”、“恒壓充電”、“恒流限壓”充電方式；其中為了達(dá)到快速充電的要求“恒流”選定大電流來充電，必然會造成電池發(fā)熱使得電池循環(huán)壽命降低并降低充電效率或使得鋰離子電池放電容量降低；

（2）通常的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋰離子電池充電電流值為0.2C-0.5C，這樣小電流充電無法達(dá)不到快速充電的目的；

（3）此外，這種依據(jù)恒定電流或恒定電壓靠時間來計(jì)算充電容量的控制方法必然還帶來電池組中個別單體電池過充電或欠充電，從而造成電池組提前失效或帶來安全性問題。

1.2 針對上述鋰離子電池快充存在的問題

充電技術(shù)須向快速充電、高效充電、充電裝置小型化和輕型化、有利于延長蓄電池的循環(huán)使用壽命、充電控制智能化等方向發(fā)展，這也就是本文討論的主題。

2 主要研究內(nèi)容

為研究更適合于鋰離子電池快速充電的技術(shù)，我們在綜合分析研究傳統(tǒng)充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，探究針對蓄電池實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行充電的自適應(yīng)充電技術(shù)，以解決常規(guī)充電存在的瓶頸問題。主要研究內(nèi)容與技術(shù)和理論創(chuàng)新如下。

2.1 本文研究的主要技術(shù)內(nèi)容

2.1.1 快速充電方法技術(shù)研究

開展對鋰離子單體電池、電池組在不同充電速率下的試驗(yàn)研究，并與現(xiàn)在傳統(tǒng)的充電技術(shù)方法進(jìn)行對比試驗(yàn)。

2.1.2 快速充電技術(shù)與提高充放電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)聯(lián)技術(shù)研究

傳統(tǒng)的充電方法也能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，但是其充電效率較常規(guī)充電速率必然會顯著降低充電效率。而我們的研究目標(biāo)是在快速充電的同時，還要達(dá)到充電效率高的要求，針對傳統(tǒng)充電技術(shù)快速充電與充電效率高在傳統(tǒng)充電理論技術(shù)本身是矛盾的特點(diǎn)，通過新的充電技術(shù)研究，達(dá)到既要實(shí)現(xiàn)快速充電又要滿足充電效率高的要求。

2.1.3 快速充電技術(shù)與安全充電技術(shù)研究

傳統(tǒng)的充電技術(shù)，隨著充電電流的加大，蓄電池的內(nèi)部極化嚴(yán)重，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，從而進(jìn)一步引發(fā)電池的安全性問題的發(fā)生；更會給電池的充放電循環(huán)壽命降低以及容量衰降。因此，開展能量傳輸充電技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是通過試驗(yàn)達(dá)到同時滿足快速充電和安全充電的技術(shù)要求。

2.1.4 快速充電與鋰離子電池充放電循環(huán)之間影響關(guān)系的技術(shù)研究

該項(xiàng)技術(shù)研究與第1和第3項(xiàng)研究內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)充電技術(shù)一旦大電流快速充電，必然帶來充電效率低、電池溫度升高、電池容量衰降、電池充放電循環(huán)壽命明顯降低等后果，因此，采用能量傳輸充電技術(shù)對鋰離子電池進(jìn)行快速充電技術(shù)研究的一個目的，就是既要快速充電還要保證鋰離子電池充放電循環(huán)壽命不降低、并能夠有效延長充放電循環(huán)壽命；

2.1.5 快速充電智能化控制技術(shù)研究

目前，傳統(tǒng)充電技術(shù)也可以智能化充電，如手機(jī)充電器應(yīng)該是一種智能化充電技術(shù)，但往往是針對1只電池或1組電池進(jìn)行充電，特別要指出的是在給由多只單體組合的電池組充電時，無法解決的電池組中個別單體電池的的過充電或欠充電的問題。我們開展此項(xiàng)研究的目的是：

（1）解決戰(zhàn)士的會用問題（智能到類似手機(jī)充電器的使用）；

（2）解決戰(zhàn)士在使用過程的耐用問題，可靠性高；第三解決組合電池中個別單體電池過充電或欠充電的問題，對其進(jìn)行有效的控制。

3 技術(shù)和理論創(chuàng)新

（1）開展自適應(yīng)充電技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)快速充電目的。把電體電池溫升參數(shù)、電池組循環(huán)壽命參數(shù)和充放電效率參數(shù)作為考核新技術(shù)創(chuàng)新的驗(yàn)證指標(biāo)，即要達(dá)到與現(xiàn)役充電技術(shù)比較電池溫升顯著下降、電池組循環(huán)壽命延長、充放電效率高的目標(biāo)。

（2）開展電力能量數(shù)字傳輸充電技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)快速充電理論創(chuàng)新。根據(jù)蓄電池當(dāng)前狀態(tài)性能特征，能適時精確計(jì)算蓄電池的充電參數(shù)值。從而實(shí)現(xiàn)充電值變量函數(shù)能夠快速充電的同時，又能保證電池組中均衡充電并做到既不過充又不欠充。

（3）開展充電新技術(shù)理論研究。本文論述的充電技術(shù)與初始狀態(tài)及充電過程與蓄電池電壓無關(guān)，既可防止了蓄電池因?yàn)殡S各充電階段或環(huán)境溫度等條件變化引起的蓄電池電壓變化，造成無法準(zhǔn)確設(shè)置充電參考量而損壞蓄電池的現(xiàn)象出現(xiàn)；又能適應(yīng)落后電池的保護(hù)性修復(fù)充電，可使落后電池迅速恢復(fù)性能與正常電池趨于一致而進(jìn)入正常充電狀態(tài)，使得充電過程的控制與充電電流和被充電電池電壓無關(guān)，這將會產(chǎn)生顛覆世界充電理論的原始重大技術(shù)創(chuàng)新。

（4）開展蓄電池充放電中各項(xiàng)特征微變量信息識別技術(shù)研究和精確計(jì)算技術(shù)研究。通過識別被待充電電池和在整個充電過程被充電電池的各項(xiàng)特征微變量信息參數(shù)，充電系統(tǒng)對其進(jìn)行精確的函數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)自適應(yīng)被充電電池性能變化，精確確定所充蓄電該時段最佳充電參數(shù)值，完成蓄電池充電全過程中各階段所需的變量信息計(jì)算。 從而杜絕了單體電池過充電和欠充電的問題，這種識別技術(shù)和精確計(jì)算技術(shù)又是世界充電理論和技術(shù)的一大獨(dú)有創(chuàng)新。

（5）開展零應(yīng)力高頻軟件變流技術(shù)研究。其主要功能是根據(jù)蓄電池當(dāng)前性能確定高頻大電流脈沖的頻率和幅度。

（6）開展采用無鐵芯無繞組電力數(shù)字傳輸技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)大電流充電。其主要功能是根據(jù)蓄電池當(dāng)前性能大電流脈沖，使其充電過程既能達(dá)到快速充電又能保證蓄電池內(nèi)部極化減小使電池溫升降低，從而達(dá)到安全充電的目的。

（7）開展自主研發(fā)的高性能嵌入式軟件系統(tǒng)研究。

開展采用了無鐵芯無銅線變壓器新技術(shù)研究，以提高系統(tǒng)效率。

（8）開展智能全自適應(yīng)充電技術(shù)模式研究。不需要充電工作人員作任何設(shè)置，防止因設(shè)置錯誤而損壞蓄電池。

4 綜述

隨著鋰離子電池快速充電技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)日新月異，本文通過宗傳統(tǒng)充電技術(shù)的分析，加之自主研究內(nèi)容分析和論述，提供一種基于自適應(yīng)快速充電技術(shù)的充電方式，希望能解決鋰離子電池快速、高效、安全充電難題，真正的從技術(shù)上解決鋰電池充電的技術(shù)瓶頸，加快應(yīng)用裝備的商業(yè)化進(jìn)程和促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

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作者單位 宇能電氣有限公司 河北省保定市 071051