鋰離子動力電池大電流脈沖充電特性研究

馬進紅，王正仕,蘇秀蓉

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

引言

隨著電動汽車等大功率蓄電池供電設(shè)備的發(fā)展，大容量動力電池的需求日益增加。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池有壽命短、重量和尺寸大等缺點，與之相比鋰離子電池有更高的能量密度、更長的使用壽命、質(zhì)量輕、無污染，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。蓄電池的充電方式與電池的循環(huán)壽命、充電效率有著直接的聯(lián)系，對于大容量蓄電池通常我們希望充電時間盡量短、效率盡量高，同時對電池的損害盡量小。要減少充電時間，必須提高充電電流，但蓄電池可接受的持續(xù)最大充電電流有限，傳統(tǒng)充電方式無法大幅提高充電電流。已經(jīng)證實，脈沖充電能在保證充電效率前提下，提高鉛酸蓄電池的充電效率[2]，但對于大容量鋰離子電池的充電效果缺乏實驗依據(jù)，特別是大電流 （電流1C以上，C為電池額定容量數(shù)值）充電條件下的電池特性。

本文通過大量實驗，對大容量鋰離子電池的大電流脈沖充電特性進行了研究。

1 鋰離子電池充電方式概述

1.1 鋰離子電池充電特點

鋰離子電池相對于目前常用的鉛酸蓄電池有諸多優(yōu)點，但其對充電環(huán)境的要求也比較嚴(yán)格。

（1）鋰離子電池耐過充的能力極其有限[3]。如果充電電壓超過其充電截止電壓，電池電壓將持續(xù)升高，負極將析出固態(tài)金屬鋰，從而導(dǎo)致電池容量不可逆的物理性減小，持續(xù)過充甚至可能發(fā)生爆炸。

（2）鋰離子電池可承受的持續(xù)最大充電電流有限。蓄電池最大充電電流與時間的關(guān)系如圖1，由于蓄電池極化現(xiàn)象的存在，隨著充電時間的增加，蓄電池可接受的最大充電電流減小。持續(xù)大電流充電條件下，正負極離子濃度升高，極化加劇，電池端電壓將很快達到充電截止電壓導(dǎo)致無法繼續(xù)充電。同時大電流充電下電池溫度會過高，對電池安全性產(chǎn)生影響。

1.2 傳統(tǒng)充電方式

蓄電池傳統(tǒng)的充電方式有很多，常用的方式有恒壓、恒流、兩段式恒流恒壓、三段式恒流恒壓浮充等方式。

恒壓充電：恒壓充電的電壓電流曲線如圖2所示，充電過程中保持充電電壓恒定，充電電流不斷下降。恒壓充電方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，缺點是充電速度慢，在充電初期的充電電流過大，對電池壽命影響很大。

恒流充電：整個充電過程電流恒定。根據(jù)圖1，電池在充電后期的電流會超過其最大充電電流，導(dǎo)致電池?zé)o法充滿，電池溫度上升過快，影響電池壽命。

兩段式恒流恒壓與三段式恒流恒壓浮充方式：這是目前使用最普遍的充電方式，恒流階段電流保持恒定，電池端電壓持續(xù)上升；當(dāng)端電壓上升到充電截止電壓時改為恒壓充電，保持電池端電壓恒定，充電電流不斷減?。划?dāng)電流減小到一定值時，如果還有浮充階段，則提供一個很小的浮充電流，以彌補蓄電池的內(nèi)部損耗使其保持在充滿狀態(tài)。

以上傳統(tǒng)充電方式應(yīng)用廣泛，但它們共同的缺點是充電速度比較慢，充電電流受限于圖1所示的最大充電電流。隨著大容量動力電池的日益普及，尋求高效安全的快速充電方式變得非常必要。

1.3 脈沖充電方式

為提高鋰離子電池的充電速度，必須提高充電電流，但充電電流越大，蓄電池正負極板上積累的電荷越多，因此極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，致使蓄電池端電壓迅速上升到充電截止電壓，無法達到充滿電的目的，并且對電池造成損害。為克服以上困難，發(fā)展出了一些新型快速充電方式。

脈沖充電方式是一種能有效消除鉛酸蓄電池極化現(xiàn)象、減少充電時間的快速充電方法[4,5]。其原理是，每隔一段正向充電脈沖后，加入一段充電停止時間和放電脈沖。脈沖充電有兩種形式：正脈沖充電形式和正負脈沖充電形式[6]，正脈沖充電形式在正脈沖中間加入一段停止時間，而正負脈沖充電形式在正脈沖之后加入一段放電脈沖，如圖3。短暫的充電停止時間和放電脈沖能有效減少或消除極化現(xiàn)象，從而能夠用較大的電流給蓄電池充電，提高充電速度。

脈沖充電的主要參數(shù)有：充電電流I，脈沖充電周期T，正脈沖充電時間T1，負脈沖放電時間T2，停止充電時間Ts，其中T=T1+T2+Ts。選擇不同的參數(shù)將對充電效果產(chǎn)生不同影響。

目前對于大容量鋰離子電池，大電流脈沖充電效果缺乏實驗依據(jù)。

2 使用的充電策略

為研究脈沖充電電流、正負脈沖充電時間、停止充電時間對鋰離子電池充電效果的影響，本文選取正負脈沖充電方式作為測試方法，使用的主要測試器材：

（1） LT-40 Ah，3 V 鋰離子電池；

（2）WWL-PS型直流穩(wěn)壓開關(guān)電源 （0～15 V，0～300 A）；

（3）M9714型可編程直流電子負載 （0～240 A，0～1 200 W）。

充電電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電路主要結(jié)構(gòu)為MOS管構(gòu)成的H橋。為了提供恒定充電電流，測試中將直流穩(wěn)壓源和恒流模式的電子負載串聯(lián)，形成可提供高達200 A的等效電流源，其中直流穩(wěn)壓源提供所需功率，電子負載的恒流模式實現(xiàn)輸出恒定電流功能。D3和Bat2為電流旁路回路，在停止充電階段，H橋關(guān)斷，恒流源通過此回路旁路，其中Bat2為非測試蓄電池，可以為鉛酸蓄電池等。下面介紹電路工作原理。

正脈沖充電時：T1和T4管導(dǎo)通，電流流經(jīng)T1、D1給待充電電池Bat1充電，然后通過T4、D2回到穩(wěn)壓源負極。

停止充電時：此時H橋關(guān)斷，由于恒流源不可開路，因此將二極管D3和旁路電池Bat2組成電流旁路，電流在這一段停充時間流過此旁路。

負脈沖充電時：T2和T3管導(dǎo)通，電流流經(jīng)T3給Bat1反向充電（即電池放電），然后通過T2回到穩(wěn)壓源負極。二極管D1、D2的作用是防止電流經(jīng)過T1和T4的體二極管在 T1、T3和 T2、T4夠成的上下兩個回路中形成通路。

實驗中鋰離子電池的充電截止電壓設(shè)置為4.2 V。DSP不斷檢測電池端電壓，通過SCI通信模塊，每隔一段時間將電池電壓數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件。當(dāng)檢測到電池端電壓已達到充電截止電壓，DSP發(fā)出觸發(fā)指令給電子負載，從而使電子負載關(guān)斷，充電停止。

3 實驗及結(jié)果

3.1 脈沖充電與恒流充電方式比較

為測試脈沖充電效果，實驗中將脈沖充電方式和恒流充電方式進行比較。兩種充電方式的過程都為：將放電至放電截止電壓(2.5 V)的鋰離子電池靜置5 h，然后充電至充電截止電壓(4.2 V)。把兩種方式充好電的電池進行同一基準(zhǔn)(放電電流1 C，即40 A)放電，通過放出的電量來衡量充進電量的多少。圖5為充電電流為2 C下的脈沖充電電流波形和鋰離子電池端電壓波形。

脈沖充電的正負脈沖和停充時間參數(shù)選取為：T1=0.9 s，T2=70 ms，Ts=30 ms。檢測充電電流的霍爾元件轉(zhuǎn)換比為40 A：1 V。表1為兩種充電方式在1 C、2 C、3 C充電電流下的數(shù)據(jù)，圖6為充電電流與充進電量和充電時間關(guān)系曲線。

表1 脈沖充電與恒流充電部分?jǐn)?shù)據(jù)

由表1和圖6可以看出，（1）脈沖充電能夠保持電池充進電量基本不變（充滿），不會隨充電電流的增大而明顯減小，而恒流充電隨著充電電流增大，充進電量急劇減小?？梢缘弥?，脈沖充電的負脈沖和停充過程消除或減小了電池電極的極化現(xiàn)象。而大電流恒流充電條件下，極化現(xiàn)象加劇，電極離子濃度升高，使端電壓很快達到截止電壓，產(chǎn)生“充滿”的假象。同時電池溫升加快，對電池的安全性產(chǎn)生影響。（2）脈沖充電時間相比恒流充電時間會長一些，這是因為脈沖充電的電流平均值小于恒流充電電流。但隨著充電電流增大，兩者的充電時間之差越小，脈沖充電方式優(yōu)勢越明顯。

3.2 不同正負脈沖時間對充電效果的影響

一個周期中正負脈沖所占時間比例是脈沖充電的重要參數(shù)。表2為正負脈沖充電電流大小為2.5 C下，不同正負脈沖占空比下的充電數(shù)據(jù)，正脈沖占空比=1-負脈沖占空比-停充占空比 （固定為3%）。

圖7反映出不同正負脈沖占空比下的充進電量和充電效率的關(guān)系曲線。充電效率計算公式為[7]：

由圖7可知，（1）隨著負脈沖占空比的提高，能充進的電量逐漸增加，提高到7%左右時，充進的電量基本保持最大值（充滿）不變。當(dāng)負脈沖占空比太小時，負脈沖時間太短，不足以消除電極的極化現(xiàn)象，因此能充進的電量達不到充滿狀態(tài)，但負脈沖占空比太大將使充電時間增加。（2）隨著負脈沖占空比的提高，充電效率也逐漸提高，這也反映出當(dāng)減弱或消除極化現(xiàn)象后，能充進的電量增加。

綜合可知，需要選擇一組最優(yōu)的正負脈沖充電時間，以達到用最短的時間充滿電池，同時達到較高的充電效率。本實驗中，當(dāng)正脈沖占90%，負脈沖占7%，停充時間占3%時，充進電量和充電效率達到較好效果，同時充電時間也較短。

4 結(jié)束語

實驗驗證了在大充電電流條件下，脈沖充電方式可以有效減小和消除鋰離子電池的極化現(xiàn)象，從而可以對其進行快速充電，并且極大的減小對電池的損害。通過合理選擇脈沖充電參數(shù)，可以使脈沖充電效果達到最優(yōu)化。

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