變壓-恒壓分階段脈沖充電方法

戰(zhàn)泊含 勞維強(qiáng) 王東茁 胡家華 文暢 吳勝利

摘?要：純電動(dòng)汽車具有能耗低、零排放等優(yōu)點(diǎn)得到了大力推廣，但續(xù)航里程及電池性能衰退始終制約電動(dòng)汽車的更大范圍普及。基于對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的特性和主流電池充電方法的深入研究，提出一種變壓-恒壓分階段脈沖充電法。該方法具備變電壓間歇充電法和Reflex脈沖快速充電法的優(yōu)點(diǎn)，能有效消除極化現(xiàn)象，及時(shí)降低電池內(nèi)壓，解除變電壓間歇充電法對(duì)電池本身充電接受能力的限制。并且采用降低一級(jí)的電壓進(jìn)行恒充，用最符合此時(shí)電池接受能力的電流充電，充分模擬電池的最佳充電曲線，為減小充電時(shí)對(duì)電池壽命的損傷提供新的研究思路和實(shí)踐支撐。

關(guān)鍵詞：鋰離子動(dòng)力電池；快速充電；分階段脈沖充電；電動(dòng)汽車；仿真

中圖分類號(hào)：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.03.096

0?引言

磷酸鐵鋰電池由于其循環(huán)壽命長、比能量大、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)下電動(dòng)汽車的主要使用電池。如何以高效率、低損耗的充電方法對(duì)電池充電是當(dāng)下電動(dòng)汽車發(fā)展的一大重要難題。

隨著多階段充電方法的提出，快速充電快速發(fā)展，潘盛輝等基于在充電過程中加入放電負(fù)脈沖電流的方法，建立了脈沖充電法，對(duì)恒流恒壓充電開展了研究，發(fā)現(xiàn)了負(fù)脈沖電流可以有效地緩解極化現(xiàn)象。高春蘭等基于脈沖充電法、反射式充電法和間歇充電法，建立了分階段脈沖式充電法，由于充電控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是多變量、離散性和非線性，對(duì)此PIC單片機(jī)、模糊控制系統(tǒng)具有很好的控制效果，控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于充電監(jiān)測反饋之中，從而得到了分階段脈沖式充電法的正負(fù)脈沖參數(shù)與間歇時(shí)間參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了通過對(duì)電流的分階段控制，能夠使電池充電曲線更加貼合最佳充電曲線。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電池性能及充電技術(shù)已經(jīng)開展了較為深入的研究，但現(xiàn)階段的充電方法以恒定電流為主，是通過增大充電電流從而提高充電效率。基于此，為能夠更好地貼合最佳充電曲線，本文提出變壓-恒壓分階段脈沖充電法，并通過仿真試驗(yàn)的方法對(duì)該充電方法的可行性進(jìn)行了研究，為提高電池壽命提供了新的方法基礎(chǔ)。

1?現(xiàn)有充電方法

1.1?最佳充電曲線

Joseph?A.Mas通過大量充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以電池的低析氣率為前提，總結(jié)出蓄電池在充電過程中存的最佳充電曲線，如圖1所示。

1.2?目前主要充電技術(shù)

（1）恒壓充電法。恒壓充電法在整個(gè)充電過程中采用恒定的電壓對(duì)電池充電，充電電流會(huì)隨著電池兩端電壓的增加呈指數(shù)規(guī)律下降，恒壓充電法的曲線更貼近于最佳充電曲線。但當(dāng)電池放電深度過深時(shí)，初始充電電流過大，電池內(nèi)壓驟增，對(duì)電池極板活性物質(zhì)產(chǎn)生破壞，從而影響電池的使用壽命和使用安全性，并且在充電后期由于充電電流過小，其充電速度變慢，延長了充電時(shí)間。

（2）變電壓間歇充電法。變電壓間歇充電法結(jié)合了傳統(tǒng)恒壓充電法與脈沖快速充電法的優(yōu)點(diǎn)，在每個(gè)充電周期中先采用恒壓法對(duì)電池充電，然后停止充電。其充電曲線，如圖2所示。

由于采用恒壓充電，其充電電流更貼合最佳充電曲線，并且由于增加了間歇時(shí)間，能夠進(jìn)一步的消除電池的極化現(xiàn)象。這種充電方法能夠延長電池的使用壽命。但是對(duì)于放電過深的電池，充電初期充電電流過大，其所需要的間歇時(shí)間也會(huì)延長，這就會(huì)直接導(dǎo)致整體充電時(shí)間增長。

（3）Reflex脈沖快速充電法。Reflex脈沖快速充電法將一個(gè)充電周期分為兩個(gè)階段，首先以大電流正向?qū)﹄姵爻潆?，然后采用?fù)脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行放電，通過調(diào)整正向充電和反向放電的占空比，從而提高電池的充電效率。其充電曲線，如圖3所示。

這種方法主要與恒流充電相結(jié)合，相較于普通間歇充電法，其通過周期性地對(duì)電池負(fù)脈沖放電從而極大程度上解決了電池的極化現(xiàn)象，從而提高了電池充電效率；相較于恒壓充電法，由于增加了負(fù)脈沖放電，從而縮短了電池壽命。

2?變壓-恒壓分階段脈沖充電法

變壓-恒壓分階段脈沖充電法是以恒壓充電法為基礎(chǔ)，結(jié)合間歇充電法與Reflex脈沖快速充電法得出的一種新型快速充電法。

在電池充電過程中，可以把電池近似視為大電容和小電阻的組合，在恒壓充電期間，充電電流以指數(shù)規(guī)律降低。

變壓-恒壓分階段脈沖充電法在充電初始階段以大電壓進(jìn)行恒充，經(jīng)過一定時(shí)間此時(shí)電池的容量已經(jīng)得到了很大的提高，其接受能力已經(jīng)產(chǎn)生了限制。當(dāng)達(dá)到一定閾值時(shí)，電化學(xué)極化電壓和濃差極化電壓會(huì)明顯增大，其充電效率會(huì)大幅度下降，必須及時(shí)消除才可繼續(xù)快速充電。

根據(jù)給定的析氣電壓閾值，在達(dá)到該值時(shí)進(jìn)行間歇停充、負(fù)脈沖、間歇停充處理，先間歇預(yù)定的時(shí)間，此段的時(shí)間會(huì)因極化反應(yīng)被削減，電池端電壓會(huì)降低。接著采用負(fù)脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行放電，電池端電壓再次小幅度下降，此段時(shí)間由于電池內(nèi)壓得以及時(shí)釋放，從而極化反應(yīng)被快速削減。之后停止放電，間歇預(yù)定的時(shí)間，在這個(gè)過程中，因削減極化反應(yīng)的作用的消除，電池電壓回升。在這三個(gè)階段電池電壓的濃差極化和電化學(xué)極化現(xiàn)象得以消失，所以該階段充電完成。重復(fù)以上操作直到電池充滿，其充電曲線，如圖4所示。

該種充電方法相較于第2小節(jié)中所述的三種充電方法進(jìn)行比較，能夠提高充電效率、延長電池使用壽命。由于采用變電壓分階段充電，比恒壓充電法能更好地貼合最佳充電曲線，還由于電池在充電過程中存在負(fù)反饋放電現(xiàn)象，所以在變壓階段相較于變電壓間歇充電法其降低的電壓值較小，更好地提高充電效率，并且負(fù)脈沖放電不但能夠解決高放電深度的電池在恒壓充電初始階段電流過高電對(duì)極板活性物質(zhì)的影響、還能快速消除極化現(xiàn)象，縮短停充間歇時(shí)間，縮短了電池充電時(shí)間。

3?仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1?變壓-恒壓分階段脈沖充電仿真

本文運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行建模仿真，充電仿真電路，如圖5所示。電路主要以受控恒壓源作為的充電電源、以IGBT構(gòu)成的H橋提供脈沖充電。

試驗(yàn)電路工作原理：

通過脈沖發(fā)生器對(duì)四個(gè)IGBT進(jìn)行導(dǎo)通、阻斷控制從而實(shí)現(xiàn)恒壓充電、停充間歇、負(fù)脈沖放電。

恒壓充電時(shí)，IGBT1、IGBT2導(dǎo)通，IGBT3、IGBT4阻斷，電流通過IGBT1、VD1給電池充電，通過VD2、IGBT2流回電池負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電池充電。停充間歇時(shí)，4個(gè)IBGT都被阻斷，電池停止充電。

負(fù)脈沖放電時(shí)，IGBT3、IGBT4導(dǎo)通，IGBT1、IGBT2阻斷，電流由電池正極流出，通過IGBT3作用于放電電阻，通過IGBT4流回電池負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電池放電。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：

鋰電池參數(shù)：額定電壓38V，滿電電壓435V，電池剩余電量（SOC）2%。

脈沖周期參數(shù)：周期時(shí)間30s，其中恒壓充電時(shí)間18s，停充間歇時(shí)間1s，負(fù)脈沖放電時(shí)間02s（其中恒壓充電后停充間歇時(shí)間05s，負(fù)脈沖放電后停充間歇時(shí)間05s）。

受控電壓源電壓：48V、475V、47V、465V、46V、455V、45V，不同電壓作用時(shí)間分別為300?s、600s、900s、1200s、1500s、1800s。充電總時(shí)長2100s。

3.2?變電壓間歇充電仿真

變電壓間歇充電法的仿真電路只需將變壓-恒壓分階段脈沖充電法仿真電路中的IGBT3、IGBT4在整個(gè)充電過程中阻斷，其電路工作原理與變壓-恒壓分階段脈沖充電法工作原理相同，在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置中受控電壓源電壓修改為：48V、4725V、465V、4575V、45V、4425V、435V，其他參數(shù)相同。

3.3?試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

變壓-恒壓分階段脈沖充電仿真試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。可知，在充電過程中先以4.8V的恒壓電流對(duì)電池進(jìn)行充電，持續(xù)時(shí)間為1.8s，在此段時(shí)間，電池電壓迅速上升，但由于高電流的作用，電池內(nèi)壓驟增，析氣現(xiàn)象逐漸加劇，電池的接受能力已經(jīng)產(chǎn)生了限制，電池電壓上升速度趨緩。

接著停止充電間歇05s，此段時(shí)間內(nèi)極化反應(yīng)被削弱，電池兩端電壓下降，但由于高電流的作用，電池內(nèi)壓過高，此時(shí)所需要的間歇時(shí)間過長，為縮短間歇時(shí)間，采用負(fù)脈沖對(duì)電池進(jìn)行放電02s，此段時(shí)間內(nèi)電池內(nèi)壓得以釋放，極化反應(yīng)被迅速消除，電池兩端電壓會(huì)明顯下降。

最后停止對(duì)電池進(jìn)行放電間歇05s，進(jìn)入下一個(gè)脈沖充電周期。在48V電壓作用時(shí)間到300s時(shí)，可控電壓源電壓降低為475V，重復(fù)恒壓充電18s、停充間歇05s、負(fù)脈沖放電02s、停充間歇05s的充電過程繼續(xù)充電，總充電時(shí)間到達(dá)900s時(shí)可控電源電壓降低為47V，依此類推。并且在試驗(yàn)中通過應(yīng)用分階段降壓的方式，對(duì)充電電壓進(jìn)行控制，使得充電電流曲線能夠更加貼合最佳充電曲線。

最后停止對(duì)電池進(jìn)行放電間歇05s，進(jìn)入下一個(gè)脈沖充電周期。在48V電壓作用時(shí)間到300s時(shí)，可控電壓源電壓降低為475V，重復(fù)恒壓充電18s、停充間歇05s、負(fù)脈沖放電02s、停充間歇05s的充電過程繼續(xù)充電，總充電時(shí)間到達(dá)900s時(shí)可控電源電壓降低為47V，依此類推。并且在試驗(yàn)中通過應(yīng)用分階段降壓的方式，對(duì)充電電壓進(jìn)行控制，使得充電電流曲線能夠更加貼合最佳充電曲線。

最終電池的SOC為9343%，整個(gè)過程中充入電池的總電量占電池額定容量的9143%。

在相同參數(shù)條件下，變電壓間歇充電仿真試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

可知，在充電過程中先以48V的恒壓電流對(duì)電池進(jìn)行充電，持續(xù)時(shí)間為18s，接著停止充電間歇12s，而后進(jìn)入下一個(gè)脈沖充電周期。其降壓方式與變壓-恒壓分階段脈沖充電法降壓方式相同。最終電池的SOC為9014%，整個(gè)過程中充入電池的總電量占電池額定容量的8814%。

通過對(duì)兩種不同充電方法仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于變電壓間歇充電法來說，在1360s之前，其充入相同電量的時(shí)間更短，但隨著充電時(shí)間的增長，其充電電壓需要大幅度降低，從而充電電流也逐漸減小。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，過小的充電電流會(huì)導(dǎo)致電池電量不再有明顯的變化，這樣會(huì)極大延長整體的充電時(shí)間，并且在開始充電階段其充電電流過大，所需要的間歇時(shí)間也更長。而且由于電池內(nèi)壓釋放不及時(shí)，會(huì)對(duì)電池內(nèi)部造成不可逆的損傷，極大地縮短了電池的使用壽命。

對(duì)于變壓-恒壓分階段脈沖充電法來說，通過增加負(fù)脈沖放電的方法，做到了及時(shí)釋放電池內(nèi)壓，消除極化現(xiàn)象。相對(duì)于變壓間歇充電其降低的電壓值更小，使得能夠以更大的電流進(jìn)行充電，不但能夠顯著地提高電池的充電速度，還能更好的貼合最佳充電曲線，極大程度上減輕了對(duì)電池的損傷。

4?脈沖周期對(duì)充電性能的影響

由2可知在鋰電池變壓-恒壓分階段脈沖充電過程中，由正脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)入負(fù)脈沖與負(fù)脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)入正脈沖時(shí)，都會(huì)間歇停充一段時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)極化反應(yīng)會(huì)被削減。間歇時(shí)間越長，其消除極化反應(yīng)的效果越好，但是過長的間歇時(shí)間，違背了本文縮短充電時(shí)間、提高充電效率的原則，所以確定間歇時(shí)間對(duì)充電過程有著深遠(yuǎn)的影響。在此通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，來確定間歇時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，間歇時(shí)間越長，電壓下降值越大，當(dāng)停充時(shí)間為10s時(shí)，電壓下降值為實(shí)驗(yàn)中最大的0.438V，但整體充電時(shí)間將會(huì)大大延長，無法實(shí)現(xiàn)快速充電。所以選取合適的間歇時(shí)間，既能有效地削減極化現(xiàn)象，又能提高整體充電效率，因此選取0.5s作為間歇停充的時(shí)間。

確定了最佳間歇停充時(shí)間后，需要進(jìn)一步確定正負(fù)脈沖寬度。依據(jù)圖7所搭建的仿真模型，將受控電壓源修改為固定電壓源，電壓參數(shù)為4.7V，設(shè)置五組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)中正脈沖寬度分別為2.0s、1.9s、1.8s、1.7s、1.6s，負(fù)脈沖寬度分別為0s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s，前后間歇時(shí)間各為0.5s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)正脈沖寬度越大時(shí)，其充入的電量就越多，但相對(duì)應(yīng)的充電電壓也越大。由正脈沖寬度為2.0s也就是不進(jìn)行負(fù)脈沖放電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與正脈沖1.9s，負(fù)脈沖0.1s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，負(fù)脈沖的加入能有效地降低電池電壓，減輕對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)正脈沖寬度為1.6s時(shí)，充電電壓最低，對(duì)電池的損耗最小，但對(duì)應(yīng)的充入電量最少，這樣違背了快速充電的原則。所以選取合適的正負(fù)脈沖寬度，既能滿足最高的充電效率，又能降低對(duì)電池的損耗。因此選取中間值1.8s作為正脈沖寬度，選取0.2s作為負(fù)脈沖放電寬度最為合適。

5?結(jié)束語

新能源汽車作為我國未來的主要發(fā)展方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和具有不可替代的作用。電池作為新能源汽車核心部件，其使用壽命和穩(wěn)定性，不僅影響新能源汽車的續(xù)航能力，而且還關(guān)系到用戶的體驗(yàn)感和切身安全。因此，開展充電方式的研究，對(duì)促進(jìn)新能源汽車發(fā)展具有重要意義。本文通過分析總結(jié)變電壓間歇充電法和Reflex脈沖快速充電法的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出了變壓-恒壓分階段脈沖充電法，能夠有效消除極化現(xiàn)象，及時(shí)降低電池內(nèi)壓，解除變電壓間歇充電法對(duì)電池本身充電接受能力的限制。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池高效率、低損耗的充電。并通過MATLAB進(jìn)行建模仿真從而驗(yàn)證出方法的可行性和有效性。該方法不拘泥于傳統(tǒng)恒流充電，以恒壓充電為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究探討，為快速充電、智慧充電的研究發(fā)展提供了一條思路。

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