鈉-氯化鎳動力電池快速充電方法研究

袁利國， 郭朝有， 徐 海， 吳雄學

(1.北海艦隊裝備部，山東 青島266071；2.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

鈉-氯化鎳動力電池快速充電方法研究

袁利國1， 郭朝有2， 徐 海2， 吳雄學2

(1.北海艦隊裝備部，山東 青島266071；2.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

基于深潛救生艇執(zhí)行救援任務(wù)需求，開展了鈉-氯化鎳動力電池快速充電方法研究。基于分段恒流快速充電和REFLEXTM快速充電法，提出了鈉-氯化鎳電池的分段恒流脈沖快速充電法，并結(jié)合所建立的鈉-氯化鎳電池快速充電仿真模型進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：分段恒流脈沖快速充電法可實現(xiàn)鈉-氯化鎳動力電池的快速充電。

鈉-氯化鎳動力電池；分段恒流脈沖；快速充電法

LR7型深潛救生艇為英國設(shè)計、最先進的深海援潛救生設(shè)備，該艇采用鈉-氯化鎳動力電池系統(tǒng)作為水下推進動力、全艇監(jiān)測與控制儀器電力的唯一動力源。鈉-氯化鎳電池是20世紀80年代中期以來開發(fā)的一種新型高能蓄電池；與鉛酸電池相比，具有高可靠性、高比能量、高能量轉(zhuǎn)換效率、無自放電、免維護(全密封結(jié)構(gòu))、零排放、長壽命(儲存＞5年，充放電循環(huán)＞1 000周次)、全壽命費用低等突出特點[1]；LR7型深潛救生艇以鈉-氯化鎳電池替代鉛酸電池為動力源，大幅度提升了深潛救生艇動力系統(tǒng)的可靠性，增加了深潛救生艇的續(xù)航時間。但相關(guān)資料顯示LR7型深潛救生艇用鈉-氯化鎳動力電池的快速充電方法為恒流恒壓快速充電方法[2－3]，尚不能滿足深潛救生艇執(zhí)行救援任務(wù)的需求，為此，本文參考常規(guī)電池的快速充電方法—分段恒流快速充電和REFLEXTM快速充電法，開展了鈉-氯化鎳動力電池的快速充電方法研究。

1 鈉-氯化鎳動力電池快速充電法

1.1 恒流恒壓快速充電法

目前，國內(nèi)外關(guān)于鈉-氯化鎳電池快速充電方法研究的公開報道還不多見，僅有文獻[2-3]表明鈉-氯化鎳電池以恒流恒壓方法實現(xiàn)快速充電，即如圖1所示，先以－1C(本文規(guī)定放電電流為正，充電電流為負)電流恒流充電，再以308 V電壓恒壓充電，其充電效率為30 min可充入50%，75 min可充入80%。

圖1 恒流恒壓快速充電電流曲線

圖1所示表明，恒流恒壓法雖可實現(xiàn)電池的快速充電，但其充電效率還不高，且充電電流長時間位于電池最佳充電曲線之上，極易導致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，電池極化效應(yīng)明顯。

1.2 分段恒流脈沖快速充電法

1.2.1 分段恒流快速充電法和REFLEXTM快速充電法

分段恒流快速充電電流曲線如圖2所示，即基于容量控制法將電池充電電流按SOC分段遞減方式充電[4-5]。分段恒流快速充電法的充電電流曲線比恒流恒壓快速充電法的更逼近馬斯最佳充電曲線，可減輕快速充電過程中對電池的損失，提高充電效率。

圖2 分段恒流快速充電法電流曲線

REFLEXTM快速充電電流曲線如圖3所示，又可稱為正負脈沖快速充電法，是對脈沖快速充電法的改進，其充電過程控制相對較復雜[6-7]，可看作周期變脈沖充電過程，每個周期分為負脈沖、前停充、正脈沖、后停充4個階段。

圖3 REFLEXTM快速充電法電流曲線

其中負脈沖充電電流根據(jù)馬斯最佳充電曲線理論分段遞減降低，能有效提高充電效率；而前/后停充階段和正脈沖放電階段主要為了降低電池極化效應(yīng)影響，減少電池析氣量，提高下一充電周期的可接受充電電流。因此，REFLEXTM快速充電法可降低電池極化效應(yīng)，保障電池充電安全，大幅提高電池充電效率，實現(xiàn)電池快速充電。

1.2.2 分段恒流脈沖快速充電法

針對鈉-氯化鎳動力電池，為提高充電效率，降低電池極化效應(yīng)影響，基于上述電池分段恒流快速充電法和REFLEXTM快速充電法，提出鈉-氯化鎳動力電池分段恒流脈沖快速充電法，其充電電流曲線如圖4所示。

圖4 分段恒流脈沖快速充電法電流曲線

分段恒流脈沖快速充電法的充電電流基于SOC分段法控制；同時參考鈉-氯化鎳電池在恒流恒壓快速充電過程中以－1C電流可充到50%的經(jīng)驗[4-5]，結(jié)合馬斯最佳充電曲線理論，將各階段分別以－1.25C、－1.125C、－1C、－0.875C、－0.75C、－0.625C電流對電池進行充電。

其中，前四個階段，即SOC從0至60%階段為分段恒流充電階段，充電電流從－1.25C(－88 A)隨上述方法逐段降至－0.875C(－56 A)；而后兩階段，即SOC從60%至80%階段為REFLEXTM脈沖充電階段，以120 s為一充電周期，每個周期的前停電、負脈沖、后停充、正脈沖等四個階段的時間分別設(shè)定為2、110、2、6 s。為降低電流倍率效應(yīng)和電容效應(yīng)的極化影響，在分段恒流和REFLEXTM快速充電階段之間加一去極化階段，即當SOC達到60%時，電池停止充電，以96 A的電流進行去極化放電直至SOC下降到58%。

由文獻[6-7]研究結(jié)果表明：鉛酸電池、鋰離子電池等動力電池采用REFLEXTM快速充電法時，當放電脈沖幅度為充電脈沖幅度的2～3倍時去極化效果最佳。由于鈉-氯化鎳動力電池在REFLEXTM脈沖充電階段的充電幅度為0.75C和0.625C，因此可選取鈉-氯化鎳動力電池REFLEXTM脈沖充電階段正脈沖放電電流為一定值1.5C。由圖5可知，SOC為60%～80%時，最大允許充電溫度為330～310℃；結(jié)合圖6可知，此溫度范圍電池最大放電電流為224 A(3.5C)。因此，放電正脈沖電流設(shè)定為1.5C符合溫度和電流限制條件。

圖5 最大充電溫度和SOC關(guān)系

圖6 最大放電電流和溫度關(guān)系

2 分段恒流脈沖快速充電法的仿真研究

2.1 仿真模型

為了驗證分段恒流脈沖快速充電法的充電效率及其去極化效果，基于Matlab/Simulink平臺，參考E.Micolano等[8]所建立的鈉-氯化鎳電池仿真模型，考慮BMI的控制作用，建立了鈉-氯化鎳動力電池的快速充電仿真模型如圖7所示。該模型包括BMI控制電流、等效電路、SOC估算和輔助系統(tǒng)四個子系統(tǒng)，如圖8所示，以SOC初始值、環(huán)境溫度和電池初始內(nèi)部溫度為輸入，可仿真得到電池電流、端電壓、SOC、內(nèi)部溫度和充電時間等。

2.2 分段恒流脈沖快速充電法仿真分析

圖7 鈉-氯化鎳電池快速充電仿真模型

圖8 快速充電仿真模型結(jié)構(gòu)

圖9 為0時分段恒流脈沖快速充電仿真輸出曲線

圖9(b)表明，在分段恒流充電階段初期，由于充電電流較大，電池濃差極化電壓和電化學極化電壓快速上升，其中濃差極化電壓在SOC為30%時達到最高，電化學極化電壓在SOC為51.8%時達到最高，此后開始降低；在去極化階段，放電脈沖電流使電池濃差極化電壓快速下降；在REFLEXTM脈沖充電階段，濃差極化電壓和電化學極化電壓緩慢下降。至充電結(jié)束時，濃差極化電壓降低了50%，電化學極化電壓降低了42.8%。因此，分段恒流脈沖快速充電法可有效降低電池快速充電過程中的極化效應(yīng)影響。

圖9(c)表明，電池經(jīng)過1 650 s可充入50%，經(jīng)過3 510 s (約1 h)可充入80%，分別比恒流恒壓快速充電法縮短了150 s和990 s，總充電效率提高了22%。

綜上所述，分段恒流脈沖快速充電法相對于恒流恒壓快速充電法而言，極大地提高了鈉-氯化鎳動力電池充電效率，同時可有效降低極化效應(yīng)影響，可實現(xiàn)鈉-氯化鎳動力電池的快速充電。

3 結(jié)論

鈉-氯化鎳動力電池為LR7型深潛救生艇水下唯一動力源，采用恒流恒壓快速充電尚不能滿足深潛救生艇執(zhí)行救援任務(wù)的需求，基于常規(guī)電池的快速充電方法---分段恒流快速充電和REFLEXTM快速充電法，提出了鈉-氯化鎳電池的分段恒流脈沖快速充電法，并基于所建立的快速充電仿真模型進行了仿真研究。研究表明：分段恒流脈沖快速充電法可提高了充電效率，同時可有效降低極化效應(yīng)影響，可用于LR7型深潛救生艇用鈉-氯化鎳動力電池的快速充電。

[1]DUSTMANN C H.Advances in ZEBRA batteries[J].Journal of Power Sources，2004，127：85-92.

[2]SUDWORTH J L.The sodium/nickel chloride(ZEBRA)battery [J].Journal of Power Sources，2001，100：149-163.

[3]DUSTMANN C H，BITO A.Secondary batteries-high temperature systems safety[J].Encyclopedia of Electrochemical Power Sources，2009，4：324-333.

[4]徐磊.動力鋰電池充電技術(shù)研究[D].太原：太原科技大學，2014.

[5]劉占軍.低速電動汽車智能快速充電系統(tǒng)的研究[D].揚州：揚州大學，2013.

[6]白婷.鋰離子電池間歇-正負脈沖充電方法研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2014.

[7]余文正.動力電池模型分析及其快速充放電策略研究[D].成都：電子科技大學，2010.

[8]MICOLANO E M.Wind turbine and electrochemical based storage modelling and integrated control strategies to improve renewable energy integration in the grid[D].Genova：University of Genova，2011.

Research on fast charge method for sodium-nickel chloride battery

Based on the rescue demand of deep submergence rescue vehicle,the researches on the fast charge method for sodium-nickel chloride power battery were developed.The multi-stage constant current charge pulse fast change method used for the sodium-nickel chloride battery was proposed based on the multi-stage constant current fast change method and the REFLEXTM fast change method.Combined with the built fast charge method for sodium-nichel choride battery,the charge method were simulated.The results show that the methods are appropriate for sodium-nickel chloride power battery and can realize the fast charge.

sodium-nickel chloride power battery;multi-stage constant current pulse;fast change method

TM912

A

1002-087X(2016)12-2368-03

2016-05-12

袁利國（1975—），男，山東省人，工程師，主要研究方向為動力系統(tǒng)監(jiān)測與控制等。

郭朝有（1976—），男，浙江省人，副教授，主要研究方向為動力系統(tǒng)監(jiān)測與控制、動力電池管理系統(tǒng)等。