鋰離子電池快速充電系統(tǒng)技術(shù)研究

龔瑞昆 徐廣璐

摘? 要： 以電動(dòng)汽車常用的鋰離子電池為研究對(duì)象，針對(duì)充電過程中容易出現(xiàn)的問題，研究充電系統(tǒng)的快速充電方法及分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法的參數(shù)。文中通過對(duì)鋰離子電池快速充電的原理及方法、充電過程各參數(shù)的確定和快速充電硬件電路設(shè)計(jì)等方面的分析和研究，結(jié)合鋰離子電池模型進(jìn)行充電過程各參數(shù)的確定，采取分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電方法，建立充電系統(tǒng)主電路，在Matlab仿真條件下對(duì)主電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了搭建的充電系統(tǒng)快速充電的可行性和高效性。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車; 鋰離子電池; 快速充電系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 充電參數(shù)確定; Matlab仿真

中圖分類號(hào)： TN36?34; TM910.6; U469.72? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(dòng)汽車的發(fā)展打破了傳統(tǒng)燃油汽車的壟斷，成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型模式，電動(dòng)汽車快速充電技術(shù)是使電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向著商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的方向發(fā)展的重要支點(diǎn)，快速充電技術(shù)的發(fā)展為電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展提供了可能。本文以電動(dòng)汽車常用的鋰離子電池為研究對(duì)象，針對(duì)充電過程中容易出現(xiàn)的問題，研究了充電系統(tǒng)的快速充電方法及分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法的參數(shù)。本文采用分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法，通過分析快速充電過程中充電恒流幅值數(shù)值和正負(fù)脈沖變化規(guī)律，得出較為優(yōu)化的恒流幅值數(shù)值和正負(fù)脈沖變化規(guī)律，并在采用分段式快速充電策略的基礎(chǔ)上建立充電系統(tǒng)主電路，經(jīng)過Matlab仿真分析，通過電流仿真圖形可驗(yàn)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(dòng)汽車的核心部件，使其快速、安全、高效地進(jìn)行充電是電動(dòng)汽車快速充電的核心問題，下面通過對(duì)鋰離子電池快速充電原理的研究[1]，進(jìn)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(shè)定好的電流值下進(jìn)行放電后再次充電的充電接受特性曲線在初始點(diǎn)的斜率。充電完成以后，充電電流的曲線的斜率應(yīng)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(gè)現(xiàn)象會(huì)影響鋰離子蓄電池可接受充電電流值的大小。對(duì)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(yīng)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(dāng)電池的放電量一定時(shí)，最大充電接受電流[I0]與放電電流[Id]的對(duì)數(shù)互為線性關(guān)系，鋰離子蓄電池前一次的放電過程和放電電流會(huì)直接影響充電過程中的接受比[α]。通過以上分析可知，當(dāng)采用一個(gè)小電流長(zhǎng)時(shí)間對(duì)蓄電池放電時(shí)，其充電接受比[α]的值會(huì)很小;反之，當(dāng)采用大電流短時(shí)間放電時(shí)，[α]會(huì)變大。

當(dāng)采用幾種放電率對(duì)鋰離子蓄電池進(jìn)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(gè)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(shí)，其總放電量和總接受電流會(huì)同時(shí)變大，如果能合理地對(duì)放電過程進(jìn)行有效的控制，則可以使充電可接受電流值的增加速度遠(yuǎn)大于放電量的增加速度，從而有效地提高充電效率。要想達(dá)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(huì)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(huì)隨之提高。

2? 充電系統(tǒng)各參數(shù)的確定

建立快速充電系統(tǒng)前，需對(duì)采用的分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法進(jìn)行研究。本節(jié)通過對(duì)多功能電池測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，分析分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電方法恒流充電幅值、間歇時(shí)間和正負(fù)脈沖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了充電過程比較有效的幅值大小、間歇時(shí)間和正負(fù)脈沖的變化規(guī)律。

分段式充電策略第一階段首先進(jìn)行大電流充電，目的是使電池達(dá)到快速補(bǔ)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(jìn)行充電。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)恒流充電幅值逐漸變大時(shí)，充電時(shí)間將明顯減少，但當(dāng)充電幅值過大的話會(huì)嚴(yán)重影響充入電量。因此，綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析幅值選擇15 A進(jìn)行充電最為優(yōu)化。

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

3? 快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了證實(shí)采用分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法對(duì)鋰離子電池快速充電是安全、可靠和高效的，本文設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)主回路仿真模型，如圖1所示，充電系統(tǒng)仿真采用分段快速充電策略進(jìn)行充電。仿真前對(duì)仿真模型中的各模塊進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)開關(guān)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(duì)交流電進(jìn)行整流的作用，經(jīng)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(fù)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(shù)模塊，內(nèi)部設(shè)置為系統(tǒng)快速充電控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池充電模式的控制，通過控制開關(guān)管控制輸出大小，在充電系統(tǒng)主回路的基礎(chǔ)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(jìn)行充電，進(jìn)而檢測(cè)電流、荷電狀態(tài)SOC等參數(shù)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(fù)脈沖充電階段主要由大電流快速充電來迅速補(bǔ)充電荷，實(shí)現(xiàn)快速充電的目的。最后一個(gè)階段采用恒壓充電方法主要目的是補(bǔ)充自放電的電荷損失，充電所用時(shí)間持續(xù)70 min，充電效率可達(dá)99%，對(duì)快速充電策略響應(yīng)良好，驗(yàn)證了本文充電方法的有效性。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文通過對(duì)快速充電系統(tǒng)充電原理的研究，提出采用分段限壓定電流間歇?正負(fù)脈沖充電法進(jìn)行快速充電，進(jìn)而通過幾組實(shí)驗(yàn)對(duì)比此方法充電各參數(shù)的較優(yōu)化數(shù)值，并通過建立充電主回路，結(jié)合電池仿真模型對(duì)充電電流進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了采用分段式策略的充電方法可使系統(tǒng)不僅能達(dá)到快速充電的目的，使充電時(shí)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(shí)現(xiàn)了快速充電的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 白婷.鋰離子電池間歇：正負(fù)脈沖優(yōu)化充電方法研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 葉劍曉，于春梅，梁奇.電動(dòng)汽車用鋰電池快速充電技術(shù)研究[J].電氣傳動(dòng)，2018，48（6）：93?96.

[3] MORELLO R， BARONTI F， TIAN X， et al. Hardware?in?the?loop simulation of FPGA?based state estimators for electric vehicle batteries [C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Santa Clara： IEEE， 2016： 280?285.

[4] 莊幸，姜克雋.我國(guó)純電動(dòng)汽車發(fā)展路線圖的研究[J].汽車工程，2012，34（2）：91?97.

[5] WU T Z， CAO Q， LIU L N， et al. Research on the fast charging of VRLA [J]. Telkomnika indonesian journal of electrical engineering， 2012， 10（7）： 1660?1666.

[6] 劉杰.電動(dòng)汽車充電電源的研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.

[7] 張蒙.基于DSP的電動(dòng)自行車智能充電系統(tǒng)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016.

[8] 丁修乘.電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池快速充電技術(shù)研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2015.

[9] 楊淑瑩，張樺.模式識(shí)別與智能計(jì)算：Matlab技術(shù)實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[10] 鄒捷.電動(dòng)汽車移相全橋DC/DC變換器研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.