鋰離子電池快速充電系統技術研究

龔瑞昆 徐廣璐

摘? 要： 以電動汽車常用的鋰離子電池為研究對象，針對充電過程中容易出現的問題，研究充電系統的快速充電方法及分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法的參數。文中通過對鋰離子電池快速充電的原理及方法、充電過程各參數的確定和快速充電硬件電路設計等方面的分析和研究，結合鋰離子電池模型進行充電過程各參數的確定，采取分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電方法，建立充電系統主電路，在Matlab仿真條件下對主電路進行仿真實驗，證實了搭建的充電系統快速充電的可行性和高效性。

關鍵詞： 電動汽車; 鋰離子電池; 快速充電系統; 系統設計; 充電參數確定; Matlab仿真

中圖分類號： TN36?34; TM910.6; U469.72? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）22?0027?03

Abstract： The lithium?ion batteries commonly used in electric vehicles are taken as the research object. In allusion to the problems that are easy to appear in charging process， the parameters of the rapid charging method and intermittent positive and negative pulse charging method with sectional voltage limiting and constant current are researched. The principle and method of lithium?ion battery fast charging， the determination of parameters in the charging process and the design of fast charging hardware circuit are analyzed and studied. The parameters of the charging process are determined in combination with the model of lithium ion battery. The main circuit of the charging system is established by adopting the intermittent positive and negative pulse charging method with sectional voltage limiting and constant current. The simulation experiment of main circuit is performed under the condition of Matlab simulation， which verifies the feasibility and efficiency of the fast charging system.

Keywords： electric vehicle; lithium?ion battery; rapid charging system; system design; charging parameter determination; Matlab simulation

0? 引? 言

電動汽車的發展打破了傳統燃油汽車的壟斷，成為汽車產業發展的新型模式，電動汽車快速充電技術是使電動汽車產業向著商業化、產業化、規?；姆较虬l展的重要支點，快速充電技術的發展為電動汽車行業的發展提供了可能。本文以電動汽車常用的鋰離子電池為研究對象，針對充電過程中容易出現的問題，研究了充電系統的快速充電方法及分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法的參數。本文采用分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法，通過分析快速充電過程中充電恒流幅值數值和正負脈沖變化規律，得出較為優化的恒流幅值數值和正負脈沖變化規律，并在采用分段式快速充電策略的基礎上建立充電系統主電路，經過Matlab仿真分析，通過電流仿真圖形可驗證分段式充電方式的可行性，并且可以得到較好的充電效率。

1? 鋰離子電池快速充電原理

鋰離子電池作為電動汽車的核心部件，使其快速、安全、高效地進行充電是電動汽車快速充電的核心問題，下面通過對鋰離子電池快速充電原理的研究[1]，進一步了解快速充電的意義。

由上述公式得知，[-K2]代表鋰離子蓄電池在設定好的電流值下進行放電后再次充電的充電接受特性曲線在初始點的斜率。充電完成以后，充電電流的曲線的斜率應該是相同的。這表明不同的放電過程有著不同的放電深度，這個現象會影響鋰離子蓄電池可接受充電電流值的大小。對于同一電池，要想讓放電后再次充電且該電池能接受更大的電路，就應在放電過程中放出更多的電量，以提高充電接受比。

通過上述公式分析可得出，當電池的放電量一定時，最大充電接受電流[I0]與放電電流[Id]的對數互為線性關系，鋰離子蓄電池前一次的放電過程和放電電流會直接影響充電過程中的接受比[α]。通過以上分析可知，當采用一個小電流長時間對蓄電池放電時，其充電接受比[α]的值會很小;反之，當采用大電流短時間放電時，[α]會變大。

當采用幾種放電率對鋰離子蓄電池進行放電后，鋰離子蓄電池最終能夠允許的充電電流值是各個放電率下允許充電電流的總和，即：

通過上述分析可知，鋰離子蓄電池放電時，其總放電量和總接受電流會同時變大，如果能合理地對放電過程進行有效的控制，則可以使充電可接受電流值的增加速度遠大于放電量的增加速度，從而有效地提高充電效率。要想達到快速充電的目的，因此要求鋰離子蓄電池的起始接受電流大，充電接受效率高，這樣就能迅速地將鋰離子蓄電池充滿。放電深度和放電率的大小也會影響充電接受率，且在放電率足夠大的情況下，鋰離子蓄電池的充電接受能力也會隨之提高。

2? 充電系統各參數的確定

建立快速充電系統前，需對采用的分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法進行研究。本節通過對多功能電池測試系統的實驗，分析分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電方法恒流充電幅值、間歇時間和正負脈沖的實驗數據，得出了充電過程比較有效的幅值大小、間歇時間和正負脈沖的變化規律。

分段式充電策略第一階段首先進行大電流充電，目的是使電池達到快速補充電荷的目的，因此恒流幅值的選擇極為重要，如表1所示，選取10～25 A之間的電流值進行充電。通過對實驗數據分析，當恒流充電幅值逐漸變大時，充電時間將明顯減少，但當充電幅值過大的話會嚴重影響充入電量。因此，綜合各項數據分析幅值選擇15 A進行充電最為優化。

采用分段式充電方法進行快速，必須選取合適的恒流幅值和正負脈沖，較大的恒流幅值可以是電池快速的補充電荷，但恒流幅值過大會導致電池發熱進而影響充入電量。因此，本文通過對幾組不同的恒流幅值進行試驗得出15 A較為優化。正負脈沖充電作為恒流充電后的階段，在使用逐級遞減規律的正脈沖充電的同時加入負脈沖消除極化，在正負脈沖間合理加入間歇時間來緩沖正負脈沖之間的切換，從而使充電時間大幅減少。

3? 快速充電系統設計

為了證實采用分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法對鋰離子電池快速充電是安全、可靠和高效的，本文設計充電系統主回路仿真模型，如圖1所示，充電系統仿真采用分段快速充電策略進行充電。仿真前對仿真模型中的各模塊進行設置，系統開關頻率為30 kHz，濾波電容為500 μF，輸入濾波電感為3.5 mH，輸出濾波電感為1.5 mH，輸出濾波電容為10 μF。

主回路起到對交流電進行整流的作用，經過DC/DC變換器和濾波電路將交流電變換成平滑的直流電提供給負載，并為鋰離子電池提供放電回路。

如圖2所示，仿真模型中模塊Control Program為函數模塊，內部設置為系統快速充電控制程序，實現對鋰離子電池充電模式的控制，通過控制開關管控制輸出大小，在充電系統主回路的基礎上建立鋰離子電池仿真模型，Conn1，Conn2為電源連接端并由此為鋰離子蓄電池進行充電，進而檢測電流、荷電狀態SOC等參數信息。

分段式充電策略電流仿真圖如圖3所示，可看到充電電流在不同階段的變化情況，恒流幅值充電階段和正負脈沖充電階段主要由大電流快速充電來迅速補充電荷，實現快速充電的目的。最后一個階段采用恒壓充電方法主要目的是補充自放電的電荷損失，充電所用時間持續70 min，充電效率可達99%，對快速充電策略響應良好，驗證了本文充電方法的有效性。

4? 結? 語

本文通過對快速充電系統充電原理的研究，提出采用分段限壓定電流間歇?正負脈沖充電法進行快速充電，進而通過幾組實驗對比此方法充電各參數的較優化數值，并通過建立充電主回路，結合電池仿真模型對充電電流進行仿真，驗證了采用分段式策略的充電方法可使系統不僅能達到快速充電的目的，使充電時間得到了較大的縮短，提高了充電的效率，而且提高了電池的使用壽命和安全性，從而在安全可靠的情況下實現了快速充電的目的。

參考文獻

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