什么樣的充電方式最好？電動(dòng)汽車快充研究

　　隨著全球氣候惡化，全人類在討論如何應(yīng)對(duì)氣候變化，節(jié)能減排、尋找新能源是減少環(huán)境破壞的重要途徑。目前全球汽車保有量已達(dá)10億，汽車尾氣是加劇環(huán)境惡化的重要因素，為此，許多企業(yè)機(jī)構(gòu)正在研發(fā)無(wú)污染的電動(dòng)汽車，而電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是其中最核心的部分，是重點(diǎn)研究的方向。

　　目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均采用鋰離子電池組作為其動(dòng)力電池。鋰離子電池有很多優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫電池相比，鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大，鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率，另外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”，不含鉛、鎘等有毒物質(zhì)，因此成為電動(dòng)車用電池的首選。

　　大功率的電動(dòng)汽車所使用的鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)，以獲得較高的輸出電壓，但是，鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區(qū)別的。在電池組中，各單體鋰離子電池在生產(chǎn)制造中必然存在個(gè)體差異，在使用中老化程度也不一樣，若不在充電過(guò)程中采取措施，這種差異將被累積甚至擴(kuò)大，導(dǎo)致整個(gè)電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴(yán)重縮短。另外，由于電池組容量較大，采用傳統(tǒng)的充電方式效率低，充電時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙了電動(dòng)汽車的推廣。

　　因此，快速有效安全可靠的充電系統(tǒng)是目前電動(dòng)汽車行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)。

　　1、傳統(tǒng)鋰離子電池充電方式研究

　　不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素。合適的充電方式不僅能夠最大限度的發(fā)揮電池的容量，而且可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。這種影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

　?。?）電壓的影響。一方面，在充電過(guò)程中要嚴(yán)格控制電池電壓不能超過(guò)充電限制電壓，超過(guò)充電限制電壓稱為過(guò)充，輕微過(guò)充多次會(huì)導(dǎo)致電池容量減小，電池發(fā)生變形，過(guò)充嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸。另一方面，在充電結(jié)束后，應(yīng)使電池電壓盡量接近滿充電壓，否則會(huì)導(dǎo)致電池容量大大降低。

　?。?）電流的影響。鋰離子電池可接受的充電電流是有限的，若充電電流高于這個(gè)上限值，會(huì)造成電池中電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，大量發(fā)熱，使電池溫度急劇上升。

　?。?）溫度的影響。鋰離子電池溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，電池可能爆炸，因此在充電過(guò)程中，要及時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度情況并對(duì)其加以控制。

　　選擇合適的充電方法可以提高充電效率，延長(zhǎng)使用壽命。鋰離子電池的充電方法有很多種，常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。

　　1.1恒定電壓充電法

　　恒定電壓充電法是指在充電過(guò)程中以恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電。在這個(gè)過(guò)程中，充電電流滿足公式：I=（U–E）/R（式中：I為充電電流，U為充電電壓，E為電池電壓，R為充電回路電阻）。

　　在充電初期，由于電池電勢(shì)較低，因此充電電流較大，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，電池電勢(shì)逐漸升高，充電電流逐漸減小。恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且充電電流比較接近可接受充電電流，具有一定的自適應(yīng)性，但在充電初期電流比較大，有可能造成電池溫度上升過(guò)快，對(duì)電池帶來(lái)不利影響。

　　1.2恒定電流充電法

　　恒定電流充電法是指在充電過(guò)程中全程以恒定不變電流進(jìn)行充電。鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，而充電電流保持不變，若充電電流較大，在恒流充電后期可能出現(xiàn)充電電流超過(guò)可接受電流而導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，但若充電電流太小，就會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，降低充電效率。

　　以上兩種方法都比較簡(jiǎn)單，也都有很多不足之處。恒壓充電初期電流過(guò)大而恒流充電后期電流過(guò)大，因此，可采用先恒流后恒壓的充電方法以克服這兩種方式在這兩個(gè)階段的弊端。

　　1.3恒流/恒壓充電法

　　這種充電方法將充電過(guò)程分為三個(gè)階段。如圖1所示。

　?。?）預(yù)充階段。接通直流電源后，當(dāng)檢測(cè)到電池時(shí)，充電芯片啟動(dòng)，進(jìn)入預(yù)充過(guò)程，在此期間充電控制器以較小的電流給電池充電，使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài)。

　?。?）恒流充電階段。在充電初期，充電電路以恒定的電流對(duì)鋰離子電池充電，一般鋰電池大多選用標(biāo)準(zhǔn)充電速率。恒流充電時(shí)，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，進(jìn)入恒壓充電過(guò)程。

　?。?）恒壓充電階段。在恒壓充電過(guò)程中，充電電流逐漸衰減，當(dāng)監(jiān)測(cè)到充電電流降到設(shè)置值以下，或滿充時(shí)間超時(shí)轉(zhuǎn)入頂端截止充電，此時(shí)充電控制器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量，一般情況下，該過(guò)程可以延長(zhǎng)電池5%~10%的使用時(shí)間。

　　這種充電方法中，為避免電流過(guò)大，電池溫度過(guò)高，在恒流階段，通常采用較小的充電電流進(jìn)行充電，充電效率仍然不高。為提高充電效率，可采用變流充電法。

　　1.4變流充電法

　　鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線（圖2中曲線1）以上會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，影響電池壽命。

　　理想化的充電過(guò)程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值。如圖2中曲線2為變流充電電流曲線。圖2中可以看出，在充電初期，充電電流較大，效率較高，克服了恒流/恒壓充電階段初期充電電流設(shè)置較小的缺點(diǎn)，隨著充電繼續(xù)，充電電流逐步減小，因此，可以將其原有的恒流充電階段用分段恒流充電的過(guò)程來(lái)代替，達(dá)到提高充電效率。

　　在變流充電階段，通過(guò)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確定起始的電流進(jìn)行恒流充電，同時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，結(jié)束該分段，調(diào)整電流值，進(jìn)入下一分段，直至電池狀態(tài)達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，終止變流充電，進(jìn)入恒壓充電，以確保電池完全充滿。

　　變流充電法的主要困難在于確定各階段恒流充電電流值，選取適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù)。

　　在變流充電法中，通過(guò)提高初始階段的充電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電的目的。但實(shí)際上，充電電流過(guò)大會(huì)造成電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象而縮短壽命。為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應(yīng)，研究人員通過(guò)對(duì)不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進(jìn)行比較，提出了間歇充電和脈沖充電的方法。

　　1.5間歇充電法

　　間歇充電法是指在充電一段時(shí)間后增加一段間歇時(shí)間，減少極化現(xiàn)象。在間歇階段，電解液析氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時(shí)間得以重新化合，可以有效的減緩電池內(nèi)電壓升高，消除歐姆極化，減小內(nèi)阻，使電池在接下來(lái)的充電過(guò)程中能夠接受更多的電量。

　　1.6脈沖充電法

　　在脈沖充電過(guò)程中，在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎(chǔ)上，用脈沖電流對(duì)電池充電，充電電流時(shí)有時(shí)無(wú)，充電狀態(tài)和暫停狀態(tài)相互交替。脈沖充電方式有正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電兩種方式，在正脈沖充電方式中，正脈沖空閑時(shí)間內(nèi)，電解液中的離子自由擴(kuò)散，減小了極化的加劇；在正負(fù)脈沖充電方式中，正脈沖空閑時(shí)間內(nèi)加上了負(fù)脈沖，電解液中的離子受反向作用力向相反方向運(yùn)動(dòng)，有效的抑制了極化現(xiàn)象。

　　2、本文采用的充電方式

　　對(duì)以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點(diǎn)相比較可以看出，每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。電動(dòng)汽車電池組對(duì)充電過(guò)程要求很高，既要要求安全充電，盡可能延長(zhǎng)電池使用壽命，又必須滿足快速充電的特點(diǎn)，快速、高效、安全、長(zhǎng)使用壽命這幾項(xiàng)指標(biāo)都必須達(dá)到，綜合每一種充電方法的優(yōu)點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進(jìn)，提出了限壓變流脈沖充電方法。

　　限壓變流脈沖充電方法的特點(diǎn)是，將恒流/恒壓充電方式的恒流充電階段改為變流脈沖充電，這一階段電流的大小符合變流充電的特點(diǎn)，初期電流較大，盡量逼近充電可接受電流，以保證電池獲得足夠電流，同時(shí)，采用脈沖式充電電流，有效抑制極化效應(yīng)，減緩電池內(nèi)壓升高，減小內(nèi)阻。后期采用恒壓充電方式，以獲得過(guò)充電量。