熊会元;项;曹兵
【摘 要】锂电池快速充电方法应该均衡考虑电池的充电时间和极化电压.在减小锂电池充电极化电压和提高其充电速度的基础上,提出一种考虑锂电池极化电压和充电时间的多阶段正负脉冲快速充电方法.首先,建立二阶RC等效电池模型,计算充电过程中极化电压变化表达式,确定影响极化电压的因素;其次,设计了变电流正负脉冲交替电流充电方法,并开展了充电实验.最后,与恒流充电法对比发现,此充电方法在减小锂电池极化电压、充电时间及提高充入容量上有显著的效果. 【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2019(043)008
【总页数】3页(P1286-1288)
【关键词】锂电池;快速充电;极化电压;多阶段正负脉冲
【作 者】熊会元;项;曹兵
【作者单位】中山大学智能工程学院,广东广州510006;东莞中山大学研究院,广东东莞523808;中山大学智能工程学院,广东广州510006;东莞中山大学研究院,广东东莞523808;东莞市振华新能源科技有限公司,广东东莞523696
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
电动汽车是今后汽车行业发展的方向，其充电方法是影响汽车充电速度的主导因素之一。锂电池充电技术研究是当前的热点，主要集中于锂离子电池充电速度和充电容量的研究。目前，动力锂电池充电广泛采用恒流充电模式，但其充电时间较长，因此，国内外专家陆续提出了一些优化充电方法，如文献[1]中提出一种基于锂离子动力电池的分阶段脉冲充电法，此方法充电初期使用大电流恒流充电，影响电池的使用寿命及导致损坏电池的现象发生，同时，脉冲充电需要较长的停歇时间才能有效降极化，影响充电速度；文献[2]提出了大电流脉冲充电方法，由于整个充电过程中，其充电大电流的脉冲幅值不变，所以其充电过程中产生
的欧姆极化较大，使得给电池充入的电量较少；在恒流充电过程中加入负脉冲，通过负脉冲去除极化效应，加快充电速度等，但去极化效果有限。这些充电方法在一定程度上有提高充电速度或降极化的效果，然后却无法兼有提高充电速度和去极化的功能，以便给锂电池快速充入更多容量。
为了更好地提高充电速度，同时降低锂电池充电过程中的极化电压，给锂电池充入更多的容量，本文以三元锂离子电池为研究对象，对其充电过程中的极化电压特性进行了研究，提出了一种基于降极化电压的多阶段正负脉冲快速充电方法(以下简称“优化充电方法”)，并通过实验，与恒流充电方法进行对比，验证了该快速充电方法的可行性和优越性。
1 实验研究
1.1 实验平台
本实验以东莞迈科科技有限公司生产的MC-NCM6.3 Ah(3.6 V)32650三元锂电池为研究对象，此三元锂电池的最大允许充电电流为2C，充放电设备采用中国电器科学研究院的HT-VCD动力电池自动检测装置，测试平台实物如图1所示。三元锂电池放电截止电压为2.75 V，
充电截止电压为4.2 V。在本研究中，具体充放电实验包括：(1)不同充电方法下的极化电压测试；(2)不同充电方法下的端电压变化测试；(3)不同充电方法下的1C放电容量测试。
图1 测试平台实物图
1.2 极化现象
依据引起极化的因素不同，将极化现象分为三大类：欧姆极化、浓差极化、电化学极化。充放电停止后的电压突升、突降是由于停止充放电时，电流为0，欧姆极化消失所引起的，如图2中曲线BC所示。而电压慢慢趋于稳定是因为浓差极化、电化学极化差趋于平衡所造成的，如图2中曲线CD所示。这两种极化电压本质都是由于锂离子在正负极柱之间的往返运动，造成电池内部离子浓度差在短时间内不均衡，对外形成电位差[3－5]。本文研究的极化电压是浓差极化和电化学极化电压。
图2 充电过程中极化电压示意图
1.3 二阶RC等效电池模型
本文采用二阶RC等效电池模型模拟锂离子电池的充放电动态过程[6－7]，如图3所示。Uocv表示电池开路电压；Up表示电池极化电压；Rp1，Rp2表示电池极化内阻；Cp1，Cp2表示电池极化电容；R0表示电池内阻；U0表示电池端电压；i表示充电电流。
根据此等效模型，充电过程中，可以建立以下电路的数学方程表达式：
由上式可得到方程通解：
图3 二阶等效电池模型
从而得到锂电池的完整极化电压式(5)：
其中，式(3)是电池充电进行中产生的极化电压，而式(5)表示电池停止充电时的极化电压，Up(t)是电池开始充电前的极化电压。由式(5)可知：当电池为放电时，电流I为负，电池极化电压Up(t)会减小，若电池放电电流大小合适，则可使电池极化电压减小为0，电能利用率更高，充电更快；当电池为放电时，放电时间越长，放电电流越大，则降极化效果越明显，但当放电时间太长或则放电电流太大，则电池变成负充电，降低充电效率。
2 变电流正负脉冲交替电流充电实验分析
2.1 变电流正负脉冲交替电流充电方法设计
拐点是电池开始进入可以接收大电流充电的转折点，如图4所示，图4中点A、B、C分别是1.5C、1C、0.5C充电曲线的拐点，且拐点所对应的电压如表1所示。
图4 正负脉冲充电电压曲线
表1 正负脉冲充电拐点数据拐点电压/m V 3 6 0 0 3 7 0 0 3 8 0 0注：1）A；2）B；3）C
为避免一开始就进入快速充电模式，影响电池的使用寿命及导致损坏电池的现象发生，充电初期可使用阶梯升电流的形式给电池预充电[8－9]，即首先用0.5C正负脉冲电流充电至0.5C充电曲线的拐点电压3.6 V，再用1C正负脉冲电流充电至1C充电曲线的拐点电压3.7 V，接着用1.5C正负脉冲电流充电至1.5 C的拐点电压3.8 V；然后充电电流升至2 C。充电中期是电池可以接收大电流充电的阶段，选择此三元锂电池最大允许充电电流2C充电，让电池在尽可能短的时间里充入尽可能多的容量。充电末期采用阶段降电流方法，现有的一般方法是以上限截止电压4.2 V作为降电流的条件，但每次充电至上限截止电压4.2 V，会对电池的极板不断冲击，容易出现极化变弯，反应物质脱落等不良现象。所以，本文以4.15 V作为降电压的条
件，即充电中期的2C充电电压达到4.15 V时，充电电流降为1.5C，充电电压继续升到4.15 V时，充电电流降为1C，充电电压继续升到4.15 V时，充电电流降为0.5C，接着一直充电至4.2 V，即充电结束。整个过程的负脉冲占空比选为9%，充电电流变化曲线如图5所示。
图5 优化充电方法电流变化曲线
2.2 实验结果
为了验证本文所设计的优化充电方法在实际应用中的降极化电压和提高充电速度的效果，本文对单体单元锂电池分别进行0.5C、1C、1.5C、2C恒流充电和优化充电方法充电测试。充电实验结果分别如图6、图7和表2所示。
表2 不同充电方法实验结果比对充电电流充电方法充电效率/%0.5 C 7 2 3 0 6 0 5 1 6 0 0 0 9 9.1 1.0 C 3 3 7 2 5 8 8 9 5 8 0 0 9 8.5 1.5 C 2 1 4 5 5 6 2 5 5 5 2 5 9 8.2充电时间/s恒流充电2.0 C 1 5 4 9 5 4 1 6 5 2 3 5 9 6.6充入容量/m A h放出容量/m A h优化方法充电 2 9 6 2 6 2 0 0 6 1 9 3 9 9.9
图6 不同充电方法的极化电压变化曲线
图7 不同充电方法的端电压变化曲线
由实验结果表明，本文设计的优化充电方法的充电末期产生的极化电压明显低于恒流充电末期产生的极化电压，并且此充电方法能有效地提高充电效率，大大提高充入锂电池内的容量，同时，在保证充电容量的情况下，此优化充电方法的充电速度是恒流充电的一倍以上，大大节省了充电时间，提高了充电速度。
3 结论
本文分析了三元锂电池在充电过程中的极化电压变化特性，根据锂电池极化电压充电变化特性提出了一种基于降低锂电池充电极化电压的快速充电方法，并通过实验，与恒流充电方式进行对比，验证了该充电方法能够有效降极化，大大提高充入锂电池内的容量和充电速度。电动汽车的充电问题依然是制约电动汽车快速发展的重要因素，目前，需要在控制极化电压值的基础上研究出一种更快更高效的充电方法。本文所提出的锂离子多阶段正负脉冲快速充电方法能够有效应用于电动汽车的快速充电，同时也为锂电池快速充电的研究提供一条思路。
参考文献：
【相关文献】
[1]高春兰，谢青松，李延强，等.基于锂离子动力电池的分阶段脉冲充电法研究[J].电器与能效管理技术，2016(18)：50-55.
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