動力鋰離子電池部分荷電和深度放電狀態下的脈沖充電技術

李爭+孫宏旺+智若東+薛增濤

摘 要： 針對動力鋰離子電池的使用特點和其自身的充放電特性，以提高其充電效率，延長循環壽命為目的，設計制造了間歇?正負脈沖智能充電器，實現了正、負脈沖交替充電。模擬部分荷電和深度放電的實際使用特點，進行不同的充電模式循環對比實驗，同時對失效單體電池進行了容量恢復實驗。實驗中對電池進行正負級電位測量分析，驗證對其結構的恢復作用，并對修復結果穩定性進行驗證。實驗結果表明，間歇?正負脈沖充電提高了正負極的活性，抑制了濃差極化的形成，且修復結果穩定，從而有效提高了電池的循環壽命。

關鍵詞： 動力鋰離子電池； 充電模式； 脈沖充電； 交替充電； 電池修復； 循環壽命

中圖分類號： TN136?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0102?05

Abstract： In view of the usage characteristics and charge?discharge characteristics of the power lithium?ion battery， and in order to improve the charging efficiency and prolong the cycle life， a smart intermittent?positive and negative pulse charger was designed and manufactured to realize the alternating charging of positive and negative pulses. The cycle contrast experiment of different charging modes was carried out by simulating the actual usage characteristic of partial state of charge and depth of discharge （PSOC?DOD）. The capacity recovery experiment was carried out for drained?off single cells， in which the positive and negative potentials of the battery were measured and analyzed to verify the recovery effect of the structure and the stability of the recovery results. The experimental results show that the intermittent?positive and negative pulse charging method can improve the activity of positive and negative electrodes， suppress the formation of concentration polarization， and has stable recovery results， thereby the cycle life of the battery is increased effectively.

Keywords： power lithium?ion battery； charging mode； pulse current charge； alternative current charge； battery repair； cycle life

0 引 言

環境污染和能源短缺的威脅日益嚴重，促進了可再生能源的開發與利用及電動交通工具的發展，而動力電池又是制約上述技術發展的關鍵[1?2]。鋰離子電池單體電壓高，自放電率低，能量密度大，幾乎沒有 “記憶效應”， 與傳統的鉛酸電池相比具有明顯優勢[3]，被廣泛應用于各個領域。傳統的恒壓限流和單向脈沖充電，導致鋰電池在充電過程中產生極化現象，電池容量降低，循環壽命縮減[4]。這對于很少遇到深度放電情況的蓄電池組來說，問題尚不突出，例如用于備用電源（如 UPS、通信電源、電力備用電源等）的蓄電池組。而用于可再生能源和電動交通工具中的動力蓄電池，卻經常處于全負荷深度放電（100% Depth Of Discharge，DOD）狀態，而且部分充電后，再次投入使用，即動力鋰電池常態化地處于部分荷電狀態（Partial State Of Charge，PSOC）[5]。這種常態化地處于部分荷電和深度放電（PSOC?DOD）的使用特點加速了鋰電池的極化現象，大大縮減了電池壽命[6]。因此，研究一種針對動力用鋰電池PSOC?DOD使用特點的充電模式具有明顯的實用價值。一些研究表明變頻率和變幅值的間歇?正負脈沖充電能有效地改善極化現象，延長電池循環壽命[7]。然而以上研究結論的實驗條件設定均是100%充電，即電池可以充滿電，與動力鋰電池實際使用中的PSOC?DOD狀況區別較大。在前述研究的基礎上，本文針對更接近動力鋰電池實際使用情況的PSOC?DOD過程進行實驗設計，對傳統的充電器進行改進，設計了間歇?正負脈沖充電器，并較全面地對比了其與傳統充電器在PSOC?DOD條件下的充放電性能。

1 智能脈沖充電器

1.1 基本的Reflex TM充電方法

本文設計基于在鉛酸電池中已經得到應用的Reflex TM充電方法[8]。這種方法采用間歇?正負脈沖的模式進行充電，即正、負、停式脈沖充電，其基本波形如圖1所示。其機理是利用負脈沖產生的“打嗝”效應，消除電極表面充電時產生的氣體，阻止電池析氣，同時消除濃度極化從而提高充電速度，延長電池循環壽命[9]。endprint

圖1中，充電波形分為3個階段：正脈沖充電階段（PPP），負脈沖去極化階段（NPP）和無脈沖休整階段（RP）[10]。

PPP階段給電池施加正向脈沖電流，此時雙向DC?DC變換器形成Buck電路，電池電流與濾波電容電流相等，如圖2所示。電池電流可表示為：

NPP用于延緩電池內部極化反應，以延長電池循環壽命。雙向 DC?DC 變換器在該階段起到Boost 電路的作用[11]，能量從電池流出，儲存在電容中，回收電池釋放能量，避免能量浪費，提高充電效率。此時電池電流等于濾波電感電流，如下：

1.2 方式改進

基本的Reflex TM充電策略、脈沖頻率和幅值保持不變，本文加入PWM調制，調節DC?DC電路占空比[12]，改變其幅值和寬度，使得去極化效果更為明顯，對電池修復效果更加顯著，使電池循環壽命明顯提高。控制電路見圖3，其主要由1個差分放大器和2個模擬開關組成，模擬開關由主控芯片的兩個輸出引腳控制。主控芯片對電池組的電壓信號實時采集，經過內部運算，實現D/A變換，改變脈沖幅值和占空比。

由圖2、圖3可知，D/A電路中，占空比和幅值可變的PWM波從DSP的PWM引腳發出，經過R3，C2組成的二階巴特沃斯低通濾波器的處理，產生只含直流分量的模擬信號[13]。

對于電池的電壓采集，本文采用到DSP2812的ADC模塊，將采集到的電壓信號輸送到電流控制回路，經過處理得到電流內環給定電流，給定電流值通過D/A 電路調整后，與反饋的電感電流比較，通過電流控制器產生控制信號，調控三角載波，驅動上下開關實現換流[14]。圖4為高精度電池測量實驗平臺，圖5為實測充電過程流過電池的電流信號（通過高精度電池測量實驗平臺測得）。

2 實驗結果與討論

實驗1）采用恒壓限流和間歇?正負脈沖充電進行PSOC?DOD循環對比實驗。選取同一電池組中的兩塊初始容量相等的3.7 V/1 500 mAh 的鋰離子電池，分別編號為1#和2#。1#電池采用常規恒壓限流充電方法：限流0.5C，恒壓4.2 V，進行90%充電（本實驗用到電池檢測裝置可顯示電池充電容量）?100%全負荷深度放電的充放電循環實驗。2#電池采用間歇?正負脈沖充電，同樣進行90%充電?100%深度放電的充放電循環，充電過程中正脈沖電流幅值逐漸減小，從3 A降至 0.7 A左右，負脈沖幅值逐漸增大，從0.9 A升至1 A左右，正脈沖寬度逐漸減小，由60 ms 減至30 ms，負脈沖寬度逐漸增大，由0增至10 ms，停頓時間不變，為10 ms。

采用恒壓限流充電與間歇?正負脈沖充電進行90%充電?100%深度放電的充放電循環實驗對比結果如圖6所示。

圖6結果表明，在PSOC?DOD狀態下進行循環使用時，采用恒壓限流充電的電池容量衰減狀況明顯。在循環25次以后，其容量已經下降到額定容量的85%左右。意味著該電池性能已經下降，電極活性下降，充放電效率降低，進入惡性循環，繼續循環至35次僅剩原容量的80%，采用間歇?正負脈沖充電，經過35次充放電循環后容量基本無衰減。對比實驗結果顯示了間歇?正負脈沖充電相對于恒壓限流充電的顯著優勢：間歇?正負脈沖充電在PSOC?DOD狀態下可保證電池更長的循環壽命。

實驗2）采用間歇?正負脈沖充電方法和恒壓限流方法對PSOC?DOD循環實驗中失效的電池進行容量恢復對比實驗。選取實驗1）中兩個壽命衰減程度相同的單體電池進作為恢復實驗對象，進行以下實驗：其中一個采用常規充電方法進行100%充電?100%深度放電循環實驗，循環10次，對每次循環進行容量判定，充電條件為限流0.5C，恒壓4.2 V截止電流50 mA。另一個單體電池則采用間歇?正負脈沖充電方法進行100%充電?100%深度放電循環實驗，循環10次，對每次循環進行容量判定。

實驗結果如圖7所示，用于PSOC?DOD狀態下的動力鋰電池失效后，傳統恒壓限流充電方法對其無明顯修復作用，10次長時間完全充電后，容量仍為80%，對于常規充電方法來講電池的損壞不可逆。同樣循環次數后間歇?正負脈沖充電方法修復效果明顯，循環5次后由起始的原額定容量的80%恢復至原額定容量的100%左右，循環7次后達到原額定容量110%左右并趨于穩定。實驗結果表明對于恒壓限流充電方法而言，其對電池造成的損壞時不可逆的，而間歇?正負脈沖充電方法對PSOC?DOD狀態下循環失效的動力鋰電池有顯著恢復作用。

實驗3）驗證間歇?正負脈沖充電方法對電池修復結果的穩定性。選取實驗2）中間歇?正負脈沖充電方法修復的電池，采用常規恒壓限流充電方式進行完全充電，100%深度放電，循環10次，判定其容量，充電條件為限流0.5C，恒壓4.2 V截止電流50 mA。

實驗結果如圖8所示，常規充電方式下10次循環后，電池容量保持原容量97%左右。表明修復結果穩定。對比實驗2）中采用間歇?正負脈沖充電方法可充入原容量110%電量，表明同樣狀態的動力鋰電池采用間歇?正負脈沖充電方法，可提高充電容量。

實驗4）正負極板電位比較實驗。為了進一步驗證間歇?正負脈沖充電方法對電池修復作用，進了行正負極板電位比較實驗：分別選取常規恒壓限流充電方式和間歇?正負脈沖充電方法修復后的單體電池進行正負電位測試比較；分別測量兩塊電池從70%～10%放電容量（測量梯度選擇10%）時的正負極板電位變化，參比電極選擇鋰電極[15]。測定結果如圖9和圖10所示。

圖9和10結果對比顯示，采用間歇?正負脈沖充電方法和常規恒壓限流充電方式修復后的單體電池正極電位分別降低0.12 V和0.06 V，負極電位分別升高 0.13 V和0.07 V。充分表明，采用間歇?正負脈沖充電方法相對恒壓恒流充電，在消除電池極化現象方面有明顯效果。提高了電池正負極活性物質的電導，從根本上對電池進行了一定程度的修復。endprint

3 結 論

改進后的間歇?正負脈沖充電方法，在與實際使用情況更接近的PSOC?DOD循環實驗中，相對于傳統的恒壓限流充電方法表現出優越的特性：

1） 常規恒壓限流充電在PSOC?DOD循環使用中明顯減少了電池容量，縮短電池壽命，且在繼續使用恒壓限流方法進行完全充電后容量不能恢復，即對于恒壓限流充電方法來說其對電池造成損害是不可逆的。

2） 間歇?正負脈沖充電方法PSOC?DOD循環使用中對電池容量基本無影響，明顯延長電池循環壽命，且能明顯恢復使用恒壓限流充電方法損壞電池的容量。

3） 恒壓限流充電方法降低了電池極板活性物質活性，對電池結構造成了損傷。間歇?正負脈沖充電可有效修復這種損傷，提高電池極板活性物質活性。這種修復結果穩定，采用恒壓限流方法規范充電，修復結果依然能較好維持。

4） 相對于恒壓限流充電方法，間歇?正負脈沖充電可提高電池容量，提高比容量。

本文所做工作皆是針對單體動力鋰電池，針對電池組的實用性間歇?正負脈沖充電方法還需進一步研究。

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