電動汽車充電特性研究

摘 要：為了滿足純電動汽車在整車充電模式下對電池的性能要求，現模擬三元鋰電池在接受充電時的工況下的研究及評價，對比該電池在不同倍率下的充電特性，以及不同倍率充電的溫度變化情況。結果表明：在同等時間同等電壓下，倍率小的充電容量會比倍率大的充電容量更快增加；同時證明了整車充電模式在兩種快速充電方式下，同等條件下脈沖充電會比恒流充電更快，而且溫度穩定，溫升幅度小，有利于減少極化現象，提高電池壽命。

關鍵詞：電動汽車 三元鋰電池 充電特性 溫升

1 緒論

由于充電速度影響電動汽車用戶體驗，一定程度上制約了電動汽車的推廣應用，最直觀的對比就是汽油車加一次油，需要多少時間，還沒考慮充電站的數量問題。為此，發展大功率充電是提升電動汽車市場滲入率的重要技術途徑[1]，包括兩輪的電動車，用鋰電池代替原來的鉛酸電池。電動汽車動力電池由鉛酸電池、氫鎳電池、燃料電池，發展到鋰離子電池。縮短動力電池的充電時間[2]，縮短充電時間對電動汽車來說，無疑是雪中送炭，可以減緩城市的擁堵，減緩充電站的擁堵。現階段中，動力鋰電池作為電動汽車動力電池中的主要成員，其占據地位不言而喻，因此研究其充電技術意義重大。鋰電池由于其優越的循環充放電性能、能量密度大、可快速充放電等優點被廣泛應用于電動汽車領域。針對目前電動汽車中常用的快速充電方法為大電流恒流充電和脈沖充電[3-4]。隨著充電速度的提升，會帶來不少困擾，那就是溫度。近年來電動汽車發生自燃現象，溫度的失控更是警醒了整個新能源汽車行業。一般來說，汽車上的動力電池充電過程中都帶有強制風冷，甚至水冷，與實際實驗過程形成鮮明的對比。鋰電池充電對外界環境溫度非常敏感，基于此本實驗沒有采取任何降溫手段，確保電池測試安全完成。真實的電池數據更有利于我們對充電特性曲線進行分析，溫升曲線更是如此。而所有的降溫手段，都是基于最原始的電池實驗狀態，如在某個時刻需要降溫，在某個時刻需要升溫，都是基于準確的數據。這樣我們對后面的溫升數據進行分析時就能得到設計準確的降溫策略，對后續的研究也有一定的數據支撐。

對此，為了排除外界環境溫度對電池充電特性的影響，本文將電池放在常溫環境下進行充電，對比兩個快速充電方法進行研究；對其充電曲線、溫升曲線進行分析；對在不同倍率充電特性以及不同倍率充電的溫度變化進行研究。

2 快速充電原理

2.1 恒流充電方法

恒流充電是指電流維持在恒定值的充電，是一種廣泛采用的充電方法。恒流充電的初始階段，可對電池進行快速充電，但后期階段，由于繼續充電，電流大于電池的最大充電電流，會出現嚴重的極化現象，進而導致電池充不滿電，且極化現象伴隨著熱量的產生，造成電池的溫度上升，從而影響電池的使用壽命[3]。采用陳琛等[5]的恒流充電方法，能有效避免在電池電壓的飽和值附近，仍對電池進行大電流充電，出現過熱這一現象。

2.2 脈沖充電方法

脈沖充電原理主要通過間隙性的電壓脈沖激勵，實現了將電能儲存在電池或者其他儲能裝置中，它是一種特殊的充電方式。進一步解釋即脈沖電源在脈沖電鍍這一過程中，當電路導通時，脈沖的峰值電流遠遠大于普通電流，是其幾倍甚至幾十倍，正是這一瞬時的高電流密度還原了金屬離子，使其沉積晶粒變細；電路斷開時，陰極區域的放電金屬離子又恢復了初始濃度，使得濃度差極化得以消除。通過電路導通與斷開，使得下一個脈沖得利于繼續使用這一高的脈沖峰值電，同時斷開電路期間會出現吸脫附、重結晶等對沉積層有利的現象。

上述的過程始終貫穿著整個脈沖電鍍過程的始末，其所包含的原理即構成了脈沖電鍍的最基本原理。對比恒流充電方法，脈沖充電引入了負脈沖放電。而放電是充電的逆過程，因此在充電過程中始終伴隨著反極化作用，這一作用大大減小了大電流中存在的極化現象，以及充電過程中電池升溫這一現象，進而提高了電池壽命[3]。在其他文獻中也有脈沖充電技術分析顯示，設計一種電壓負增長率控制方法對電池處于滿充這一狀態進行了準確的控制[4]。同時，基于Matlab/Simulnik軟件平臺上構造鋰電池的PNGV等效模型，設計鋰電池充電電路，對于變電流快速充電進行仿真，將仿真結果與傳統的充電方法進行比較，驗證了變電流快速充電方法的優越性。

3 實驗設計

3.1 實驗設備與目的

本次實驗采用的設備是天博電子信息科技有限公司的電池單體充放電測試系統，型號為CBTS-100A-0（圖1a）。該設備有一個溫度讀取器，兩個溫度采集傳感器[7]。本次實驗所用電池為NCM材料的方形鋰離子電池，型號為SEPNi8688190P-15Ah，標稱容量為15 Ah（圖1b），可以根據電池的當前狀態，如電池容量，電池電壓，電池放電速率，電池溫度等參數，實時調節設備的充電電流，充電電壓及充電時間[6]。模擬電動汽車在充電工況下，對電池的充電溫度升高狀態與其電化學行為進行研究[7]。為保證數據的真實性，本次對電池溫度數據采集的位置置于方形鋰電池的中間，已有大量文獻證明鋰電池充電時，溫度最高的地方就是中間位置。

3.2 實驗方法

對文中所研究的三元鋰離子電池，均采取不同倍率的充電。充電工況（三段式）包括：恒流充電、恒壓充電、階段充電等[8]。本文研究的充電倍率分別是0.5C倍率和1C倍率，及設定目標電壓為4.2V，當充電過程中，達到目標電壓（4.2V）的設定，則將其中的充電容量的數據來進行對比。

3.3 充電工況

根據充電的不同要求及條件，本次實驗的充電工況設置如下：選擇7.5A的電流倍率對電池進行脈沖充電，且充電電壓閾值為4.2V；其次對電池采取恒壓限流充電（涓流充電），在充電過程中，電流一直減少，而充電電流閾值是0.1A，因此減少至0.1A即停止，期間擱置時間為1802S，因此在電腦上設定0.1s作為采集數據的時間，具體的充電工況如表1所示。再通過1C倍率對電池采取恒流充電方法，充電至電池電壓閾值即4.2V左右，基于此基礎再對電池采用恒壓限流的充電方法，使其充電至電流小于0.6A（國家標準設置）即停止，期間擱置時間為300S。同樣在電腦上設定采集數據的時間仍為0.1s，具體的充電工況如表2所示[7]。同時，兩個溫度采集傳感器均會進行溫度的每秒記錄，并查看極化和反極化現象，對電池溫度的影響。

4 結果與分析

4.1 充電特性

圖2為三元鋰電池以表1及表2進行對比的充電工況充電后的充電曲線。根據圖所示，在整個充電的過程中，0.5C_charge曲線的變化趨勢可分為2個階段：第一階段是低電流恒流逐漸緩慢提升至電壓充電，且充電倍率為0.5C，電流為7.5 A，可發現初始階段的充電容量是呈快速上升趨勢，但在進入3.62V的平臺后降低速度較緩慢上升；第二階段為涓流充電（恒壓限流充電），電流閾值為7.5A，可發現該階段電池容量上升依舊較快，且其上升速率遠遠快于第一階段的上升速率，當電壓升至4.2V左右維持不變。當充電電流達到0.1A時，充電結束；充電過程共112297S。1C_charge曲線同樣可分為2個階段進行分析：第一階段依然是低電流恒流并緩慢提升至電壓充電，其充電倍率1C，電流12A，可知該條件下，初始階段的充電容量也是呈快速上升趨勢，在進入3.68V平臺后上升速度有所降低，對比初始階段呈較緩慢上升趨勢；第二階段為恒壓限流充電（涓流充電），設置電流值為12A，根據圖可知，該階段中電池容量上升速度依舊較快，可發現其上升速率是大于第一階段，同樣當電壓值升至為4.2V左右時保持不變。當充電電流減小到0.6A時，充電結束；充電時間共9002秒。

剛開始1C_charge曲線的恒流是比0.5C_charge曲線的大，所以在初始階段1C_charge曲線的充電容量比0.5C_charge曲線的大。不過，相比充電容量的增長的速率是0.5C_charge曲線大于1C_charge曲線；之后，到了電壓為3.83V左右的時候，二者的充電容量開始相等，并持續增加到電壓達到設定目標4.2V時停止增加。圖表電壓設定為4.2 V左右，目的是防止電池正極會因為鋰離子丟失太多而損傷電池。

4.2 溫度分析

圖3為三元鋰電池以不同倍率充電時的溫度變化。其中以脈沖充電為主的0.5C_charge曲線的溫度在整個充電過程中持續維持在30℃-31℃左右，起伏不大，在沒有強制風冷水冷的情況下，不需要人工對電池進行降溫；而以恒流充電為主的1C_charge曲線的溫度則在整個充電過程起伏較大，溫度甚至高達到34℃，可以看出恒流充電時產生了一點極化現象，導致電池溫度升高；脈沖充電則沒有受到極化現象的影響。

5 結論

本文基于電池單體充放電測試系統，對三元鋰離子電池的充電特性進行了研究，分析了不同充電倍率下，充電容量與溫度的變化。同時針對兩種不同快速對鋰離子電池的充電方式，用相同的平均電壓進行對比。通過實驗說明了兩種充電方式及不同倍率的充電特性，結果表明：

（1）證明了0.5C倍率充電容量和1C倍率充電容量的增長的速率是一致，都是前期快速增長后開始緩慢增長，后期再呈現出快速增加的速率出來。

（2）證明了在相同的時間內，電池的充電容量是脈沖充電方式大于恒流充電的。也驗證了當電池低于預設電壓閾值時，使用涓流充電可以提高電池充電容量[10]。同時，同等條件下脈沖充電會比恒流充電更快，而且溫度穩定，幅度小，可減小極化現象，提高電池使用壽命。

（3）證明了在同等時間同等電壓下，不同倍率充電的時候，在0.5C倍率充電時電流容量會比在1C倍率充電大一些。

基金項目：廣東省科技創新戰略專項資金（“攀登計劃”專項資金）《一種無人智能鑿巖臺車控制系統及方法》的科研論文，課題編號（13W-17240889）。

參考文獻：

[1]吳曉剛，崔智昊，孫一釗，等.電動汽車大功率充電過程動力電池充電策略與熱管理技術綜述[J].儲能科學與技術，2021，10（06）：2218-2234.

[2]丁躍澆，張萬奎.電動汽車動力電池及其充電技術[J].湖南理工學院學報（自然科學版），2008（03）：59-61.

[3]程廣明，胡海兵，邢巖.電動汽車鋰電池快速充電特性的研究[J].電力電子技術，2016，50（06）：88-90.

[4]徐磊.動力鋰電池充電技術研究[D].太原：太原科技大學，2014.

[5]陳琛，何樂年.恒流/恒壓充電方式的鋰電池充電器芯片（英文）[J].半導體學報，2007（07）：1030-1035.

[6]婁玉萍，蔣偉.車載智能鋰電池充電器的設計與實現[J].電子測試，2022，36（21）：76-79.

[7]梁倫，楊年炯，吳秋滿，等.FSEC方程式賽車電池充放電特性研究[J].廣西科技大學學報，2019，30（02）：20-24.

[8]張彥會，李鑫，左紅明.磷酸鐵鋰電池滯回特性的修正算法研究[J].廣西科技大學學報，2018，29（01）：31-36.

[9]梁倫.基于FSEC賽車與儲能系統PACK技術的優化及應用研究[D].柳州：廣西科技大學，2020.

[10]應建華，陳建興，唐仙，等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設計[J].微電子學，2008（03）：445-448.