鋰電池?cái)R置-負(fù)脈沖快速充電實(shí)驗(yàn)研究

李志鵬，梁威

（201600 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 ）

0 引言

能源與環(huán)境是21 世紀(jì)人類(lèi)發(fā)展要面臨的兩大挑戰(zhàn)，隨著能源價(jià)格的劇烈波動(dòng)，環(huán)境保護(hù)輿論的持續(xù)高漲，節(jié)能減排是亟需解決的問(wèn)題[1]。機(jī)動(dòng)車(chē)是石油消耗的重要領(lǐng)域之一，汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是改善城市環(huán)境、消除能源危機(jī)的重要措施[2]。目前電動(dòng)汽車(chē)研究的關(guān)鍵是電池，常用的電池有鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子電池[3]。由于鋰離子電池的能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[4]，因此對(duì)于鋰離子電池快充充電的研究愈加重要[5]。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，提出了結(jié)合擱置-負(fù)脈沖的五階段恒流充電方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的快速充電。

1 理論分析

20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)科學(xué)家馬斯在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了馬斯三定律，成為快速充電的理論基礎(chǔ)[6]。

馬斯第一定律：當(dāng)蓄電池以任意電流值放電時(shí)，蓄電池的充電接受比與其放出的電荷容量C的平方根成反比，即。

馬斯第二定律：對(duì)于任意給定的放電深度，蓄電池充電接受比與放電電流的對(duì)數(shù)成正比，即。

馬斯第三定律：當(dāng)用幾種放電倍率對(duì)蓄電池放電后，蓄電池最終能夠允許的充電電流值是各個(gè)放電倍率下允許的充電電流值的綜合，即It=I1+I2+I3+…

由馬斯三定律指出了電池對(duì)于電流的接受能力與其放電電量的關(guān)系[7]。通過(guò)對(duì)馬斯三定律進(jìn)行分析可知，在充電過(guò)程中適當(dāng)加入負(fù)脈沖，對(duì)電池進(jìn)行一定程度的放電，可以提高電池對(duì)于電流的接受能力，從而提高充電速度。

極化現(xiàn)象是由電池正負(fù)極間的電動(dòng)勢(shì)偏差引起的，根據(jù)引起極化的因素的不同，將極化現(xiàn)象分為3 類(lèi)：歐姆極化、電化學(xué)極化、濃差極化[8]。在充電過(guò)程中停止充電，歐姆極化立即消失，正負(fù)極板上的電荷逐漸消失，濃差極化及電化學(xué)極化也得到一定程度的緩解[9-11]，因此擱置可以緩解充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，提高電池充電性能[12]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文所用的電池為3.7 V/10 mAh 的LIR1220鈷酸鋰電池，其充電截止電壓為4.2 V，放電截止電壓為2.75 V，工作環(huán)境為25 ℃。

電池充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件包括藍(lán)電測(cè)試儀（8 通道）和電化學(xué)工作站，軟件部分包括LANDct 電池測(cè)試分析軟件。圖1 為L(zhǎng)ANDct 電池測(cè)試分析軟件界面。

圖1 LANDct 電池測(cè)試分析軟件界面Fig.1 LANDct battery test and analysis software interface

2.2 實(shí)驗(yàn)程序

對(duì)鈷酸鋰電池進(jìn)行五階段恒流充電，各階段電流倍率分別為2.00C、1.65C、1.45C、1.20C、0.70C，各階段的切換條件是充電至截止電壓。首先確定擱置的最佳參數(shù)。在各個(gè)切換時(shí)刻加入5 min 的擱置時(shí)間，根據(jù)5 min 內(nèi)電池端電壓的跌落值，確定擱置的寬度參數(shù)取值區(qū)間。將各切換時(shí)刻的擱置時(shí)間由5 min 調(diào)整為10，20，30 s，其他條件不變，記錄各擱置時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于負(fù)脈沖，放電時(shí)間過(guò)短則優(yōu)化效果不明顯，放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則電池過(guò)度放電。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將負(fù)脈沖時(shí)間設(shè)置為10 s，放電倍率分別設(shè)置為0.5C、1.0C、1.5C 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。最后根據(jù)擱置的最佳寬度參數(shù)以及負(fù)脈沖的最佳幅值參數(shù)，設(shè)計(jì)擱置-負(fù)脈沖相結(jié)合的五階段恒流充電方法，記錄并分析比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，然后取平均值，進(jìn)而獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 加入擱置的五階段恒流充電法實(shí)驗(yàn)分析

由圖2 可知，在五階段恒流充電的各切換時(shí)刻加入5 min 的擱置后，10 s 內(nèi)電池端電壓斷崖式下滑，這是因?yàn)殡娏鹘禐榱悖瑲W姆極化消失，導(dǎo)致極化電壓迅速下降；在接下來(lái)的20～50 s 內(nèi)，電池端電壓大幅度下滑，這是因?yàn)樵谶@個(gè)擱置時(shí)間段內(nèi)，濃差極化與電化學(xué)極化得到緩解；在100 s以后，電池的端電壓變化幅度較小；在4 min 后，電池的端電壓基本保持不變。根據(jù)擱置5 min 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以將擱置時(shí)間設(shè)置為10，20，30 s，實(shí)驗(yàn)分析加入擱置的五階段恒流充電法的最佳寬度參數(shù)。

圖2 擱置5 min 內(nèi)電池端電壓變化曲線Fig.2 Change curve of battery terminal voltage in 5 min

圖5 為擱置時(shí)間設(shè)置為20 s 的五階段恒流充電測(cè)試時(shí)間-電壓-電流曲線圖。由圖可知，在加入擱置的瞬間，鈷酸鋰電池端電壓直線下滑。在擱置期間，鋰電池的端電壓仍大幅度下滑，這是歐姆極化消失導(dǎo)致的。以電池充電容量與充電時(shí)間的比值作為充電效率值，衡量鋰電池的充電性能。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，擱置20 s 的五階段恒流充電法，充電時(shí)間為2 165 s，充電容量為8.051 mA·h，充電效率值為3.719，相較于無(wú)擱置的五階段恒流充電法（充電容量7.971 mA·h，充電時(shí)間2 209 s，充電效率值為3.177）充電效率值提升了9.890 9%。圖4 與圖6 分別為擱置時(shí)間10 s 及擱置時(shí)間30 s 的五階段恒流充電測(cè)試時(shí)間-電壓-電流曲線圖，其充電特性與擱置20 s 的充電特性基本一致。擱置時(shí)間為20，30 s 的充電效率值分別為3.695、3.494，相對(duì)提升了9.176 5%，3.241%。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，最佳擱置參數(shù)為20 s。

圖3 五階段恒流充電曲線圖Fig.3 Five-stage constant current charging curve

圖4 擱置10 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.4 Five-stage constant current charging characteristic curve after 10 s

圖5 擱置20 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.5 Five-stage constant current charging characteristic curve after 20 s

圖6 擱置30 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.6 Five-stage constant current charging characteristic curve after 30 s

3.2 加入負(fù)脈沖五階段恒流充電法實(shí)驗(yàn)分析

圖8 為負(fù)脈沖1C 的五階段恒流充電的測(cè)試時(shí)間-電壓-電流曲線圖。由圖可知，在加入負(fù)脈沖時(shí)，鈷酸鋰電池的端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡姵卦谪?fù)脈沖放電時(shí)，電解液內(nèi)的鋰離子在反作用力的影響下朝著正極運(yùn)動(dòng)，打破了電池內(nèi)的離子濃度梯度，有效地緩解了濃差極化與電化學(xué)極化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，負(fù)脈沖為1.0C 的五階段恒流充電的充電效率值為3.683，相較于無(wú)負(fù)脈沖的五階段恒流充電的充電效率值提高了8.840 7%，負(fù)脈沖為0.5C 及1.5C 的充電效率值分別為3.604、3.537，相較提高了6.491%、4.510%。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，最佳負(fù)脈沖參數(shù)為1.0C。

圖7 負(fù)脈沖0.5C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.7 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 0.5C

圖8 負(fù)脈沖1.0C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.8 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 1.0C

圖9 負(fù)脈沖1.5C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.9 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 1.5C

3.3 擱置負(fù)脈沖五階段恒流充電法實(shí)驗(yàn)分析

圖10 為最佳擱置及最佳負(fù)脈沖相結(jié)合的五階段恒流充電的測(cè)試時(shí)間-電壓-電流曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，擱置-負(fù)脈沖的五階段恒流充電法的充電時(shí)間為2 256 s，容量為8.666 mA·h，充電效率值為3.841，相對(duì)無(wú)擱置負(fù)脈沖五階段恒流充電，充電效率值提高了20.9%，優(yōu)于擱置五階段恒流充電以及負(fù)脈沖恒流充電的充電效率值的提升百分比。

圖10 擱置負(fù)脈沖的五階段恒流充電曲線圖Fig.10 Five-stage constant current charging curve with negative pulse

圖11 各充電方法的充電效率值對(duì)比圖Fig.11 Comparison of charging efficiency values of different charging methods

4 結(jié)論

根據(jù)馬斯三定律，在充電的過(guò)程中對(duì)電池進(jìn)行一定程度的放電，可以提高電池對(duì)于電流的接受能力。利用擱置消除歐姆極化以及負(fù)脈沖緩解濃差極化以及電化學(xué)極化，在此基礎(chǔ)上結(jié)合五階段恒流充電，實(shí)現(xiàn)鋰電池的快速充電。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了擱置的最佳寬度參數(shù)以及負(fù)脈沖的最佳幅值參數(shù)。將擱置與負(fù)脈沖相結(jié)合，鋰電池的充電效率值得到一定程度的提高。本文為基于擱置-負(fù)脈的五階段恒流充電做出了探索，為進(jìn)一步的研究提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。