0 引 言 与传统汽车相比,电动汽车具有节能与环保的双重优势。动力电池作为电动汽车的核心部分,其性能直接关系到电动汽车的行驶里程、使用寿命、经济性与动力性等问题。 锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点。而且锂离子电池的放电曲线很平坦,可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。因此,锂电池成为车用动力电池的首选。 锂离子动力电池的快速、均衡、安全充电,可以延长使用寿命,提高使用效率和性能。本文从动力电池充放电的基本原理出发,对单体动力电池的快速充电以及动力电池组的均衡充电技术进行介绍,并对其优缺点进行比较。 1 锂离子电池的结构与工作原理 锂离子电池的结构是由可“嵌入”锂离子的正极和可“释放”锂离子的负极构成。中间是电解质,把正极与负极隔开,锂离子可以通过而电子不能通过。通过锂离子在正负电极之间的移动来完成电池的充电和放电,而材料结构不会发生不可逆变化。 如图1所示。充电时,正极中的锂原子电离成锂离子和电子。锂离子在外加电场作用下,在电解质中由正极迁移到负极,还原成锂原子,插入到负极的层状结构中。放电时,锂原子在负极表面电离成离子和电子,分别通过电解质和负载流向正极,在正极重新和电子复合成锂原子然后插入到正极的层状结构中。 由原理可以看出,锂离子电池的高倍率充放电性能与锂离子在正负电极、电解质以及它们界面处的迁移能力密切相关。因此,围绕锂离子动力电池快速充电的研究,即为如何提高锂离子在充放电的迁移速度。 2 单体动力电池的充电技术 2. 1 理论基础 美国学者J. A. Mas指出,在充电过程中,超过充电接受曲线的任何充电电流,不能提高充电速率,而且会增加析气量;小于此接受曲线的充电电流,便是电池的允许充电电流,不会对电池造成伤害,如图2所示。J. A. Mas同时指出,通过瞬时停充或大电流放电,如图3所示,可以消除极化现象,使电池的可接受充电曲线不断右移,从而大大提高充电速度和效率,缩短充电时间。也就是说,在电池充电接受能力下降时,可以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。这就是快速充电的基本理论依据。 上海理工大学校长2. 2 单体锂离子电池充电方法 2. 2. 1 恒流充电 恒流充电,即电流维持在恒定值的充电,多采用恒流或分阶段恒流。这种充电方式结构简单,适应性强。缺点是根据J. A. Mas第七届中国国际动漫节曲线,当电池以一恒电流I1 充电时,到达时间t1 ,电池开始出气,如果电池继续以I1 电流充电, 不仅不能充满, 而且将损坏电池,如图4所示。 2. 2. 2 恒压充电 恒压充电是指单体电池以一恒定电压进行充电。其优点是随着电池的荷电状态的变化,自动调整充电电流,如果规定的电压恒定值适宜,就能保证电池的完全充电。缺点是开始充时电流太大,损害电池。 2. 2. 3 恒压- 恒流充电 采用恒压、恒流相结合的充电方式。电池接入充电器后,首先以C /15 (C为单体电池的容量)量级的小电流进行充电, 当其电压上升到恒流门限(2.5V)时,则进入恒流充电阶段,以较高的恒定速率(1C )对电池进行快速充电。当电池电压到达恒压门限(4. 2V)时,转入恒压充电阶段,充电电流不断减小,当充电电流降到C/10或C/15时,即终止充电,如图5所示。此方法弥补了前两种方法的不足,但不能消除电池充电时的极化现象,影响充电效果。 2. 2. 4 脉冲充电 图6为脉冲充电方法示意图。在小电流、恒流区和恒压恒流充电方法是一样的,当电池电压到达恒压门限( 4.2V)时,脉冲充电模式开始。在脉冲区,充电电源间歇性地对电池以恒定电流充电,根据J. A. Mas所提出的理论,目的是消除极化现象。随着电池逐渐充满,充电时间越来越短,停充时间越来越长,占空比越来越小。当占空比低于5%至10%时,终止充电。 2. 2. 5 智能充电 智能充电是目前比较先进的充电方法,其原理是在整个充电过程中动态跟踪电池可接受的充电电流,应用du/dt技术,即充电电源根据电池的充电状态自动确定充电参数,使充电电流自始至终保持在可接受的最大充电曲线附近,使电池在很少气体析出的状态下快速充满电,如图7所示。缺点是电池在使用一段时间以后,可接受的理想充电曲线会发生变化,其充电参数也需要调整。 3 动力电池组的均衡充电 单体锂离子动力电池电压一般比较低,在电动汽车上通常是串联使用的。由于单体电池存在不一致性,其容量会产生差异,而串联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定的,摩擦衬垫因此这些差异会使电池组的使用寿命缩短。为了减小不平衡性对动力电池组的影响,充电过程中,要使用均衡电路。因此,动力电池组充电电路比单节锂电池充电电路更为复杂。 电池组均衡充电是指电池组在充电期间,为保证电池单体荷电态(指电池现有容量与电池实际容量之比)相同而采取的措施和方法。目前,国内外对动力电池组均衡充电均有一定的研究,以下介绍一些相关的研究成果。 对动力电池组均衡充电主要有两类方法:一是化学方法,即通过电池内部化学反应达到均衡充电的效果;二是物理方法,即采取机械的手段达到均衡充电的效果。 3. 1 化学均衡法 为提高锂电池的安全性、防止过充, Abrahanl.K. M等人提出在锂电池电解液中添加一定比例的氧化- 还原电对的方法,当电池正极的电位过充时,该电对被氧化,然后扩散至电池的负极再被还原,这样在电池的正负极之间来回穿梭,粉末冶金网抑制电池正极电位的升高,避免电极材料和电解液的氧化,提高了电池的抗过充能力。Chen. J等人经实验证明,电池组中电压上升较快的电池不会被过充,其它电池还可以正常充电,达到了均衡充电的效果。 3. 2 物理均衡法 在单路充电中,电池组的单体电池串联在一起,每只电池流过的电流和时间完全相同,但由于单体电池差异性的存在,充电过程中电压与电量的变化必然不同。均衡电路的作用就是对高电量电池释放能量,对低电量电池补充能量。 3. 2. 1 耗散式均衡法 电池组串联均衡充电包括耗散型均衡法和回馈型均衡法。耗散型均衡法的原理如图8所示,给每个单体电池提供并联支路,当某个单体电池出现过充时,并联支路的开关闭合,通过与之并联电阻的能量消耗以达到电池组均衡,电阻能量消耗与电池单体电压成正比。 刘文昊等人选用PIC16F887作为主控制芯片,在单片机程序中实时检测单体电池的电压变化,从而利用电阻均衡方法对各个电池同时进行均衡,均衡效果较好。当任何两节电池的电压差都小于一设定值时,均衡充电电路停止工作。均衡充电电路如图9所示。 耗散型均衡法电路简单,可靠性高,但均衡效率低,能耗大。不宜用于大功率电动汽车电池组的均衡充电。因此,以下着重介绍回馈型均衡法。 电动汽车用电池组,要求容量大,使用时功率也大,为了实现快速充电,需要大倍率充电电流。因此,不能靠电阻分流实现均衡。电容、电感具有储能功能,可以将能量从容量较高的单体转移到容量较低的单体,或将多余的能量重新转移到电池组中进行再分配,从而减小单体电池间的不一致性,实现电池组均衡充电,此方法即为回馈型均衡法。回馈型均衡法主要有以下几种类型。 3. 2. 2 分散式均衡 分散式均衡即并联均衡。电池组中每个单体电池都对应一个充电模块且相互独立,分别控制进行充电,每个充电回路互不影响,当有单体电池发生异常时,可对其停充。此方法缺点是需要的元器件数量多,且控制信号众多,充电电路复杂,成本较高。 如图10所示, Kutkut等人在电池组内每个单体两端接上独立的DC - DC变换器,一侧接电池单体两端,另一侧接电池组两端。当某一单体电池电压过高时,通过控制单体侧开关管导通释放电能,能量耦合到副边,电池组吸收,实现均衡。 罗玉涛等人设计了一种集散式动力电池组动态均衡管理系统,系统组成如图11所示。该系统为每个单体电池配备了一个监测模块和充电模块,ECU根据监测到的数据控制通道选择电路,实现了集中监控,分散均衡的充电方式。 3. 2. 3 集中式无源均衡 利用多副边变压器可以实现集中式均衡控制。此种均衡方法可分为单体到组、组到单体、双向三种模式,如图12所示。对于组到单体模式,变压器原边接电池组两侧,副边每个线圈对应一节单体电池。当系统检测到低能量电池单体的时候,变压器电池组侧功率开关导通,原边形成回路通过电流,能量储存于变压器线圈中,开关关断时,变压器储存的能量释放到单体电池, 能量低的单体吸收能量。 3. 2. 4 集中式有源均衡 在无源均衡的基础上,通过外接电源,可以实现电池组在充电基础上的实时均衡,如图13所示。通过控制功率开关管的通断,可以较为精确的调整副边电压。多副边相同绕组变压器可以保证各副边得到基本一致的电压,可使能量最小的单体吸收最多的能量,达到均衡的目的。该方法具有反应速度快,充电电压、电流相等等优点。如果电池单体性能本身存在差异,以相同电流和电压充电反而会加大电池之间的差异,因此该方法还有待进一步完善。 3. 2. 5 非耗散型分流器 非耗散型分流均衡方式可将充电电流从充满的单体电池转移至相邻单体。如图14所示。每个分流模块由一对功率开关管,一个储能电感和一对续流二极管组成。每个分流模块两端分别接一节单体电池。当某一单体过充时,其对应的开关管导通,能量储存在电感中;当开关管关断时,储存的能量流向相邻的单体。这种均衡方法直接释放过充单体能量,但是能量的转移路径跨度小,均衡控制策略复杂,能耗较大。 3. 2. 6 电容能量均衡法 该均衡方法属于能量搬迁式均衡,利用电容作为能量的载体,将能量从能量高的单体转移到能量低的单体上,从而实现电池组内单体电池电量的均衡,如图15所示。当有单体电池过充时,其对应的开关闭合,将多余能量转移到电容中,然后再将电容中的能量回馈到充电回路中。 3. 2. 7 智能充电系统 在上面各均衡充电方法的基础上,为了更好的达到充电要求,产生了智能充电系统。该系统把动力电池组的充电过程与电池管理系统紧密结合,电池管理系统对单体电池电压、电流、温度以及电池组总电流、总电压进行实时监测,充电器根据监测的数据调整充电电流的大小和通断,同时电池管理系统对电池在充电过程中出现的过压、过流、过温等异常实施保护,实现对动力电池组的快速、均衡、安全充电,由此构成智能充电系统。 肖秀玲等人基于电池监测芯片DS2438设计了一种智能充电器。DS2438 内部集成了温度传感器、A /D转换器、电流积分器等电路,具有测量电池的温度、电压、电流和剩余电量等多项功能。该智能充电器结构框图如图16所示。该充电器能对电池充电过程进行全方位的监测与控制,保证不同程度的电池能按应有的充电方式进行充电,以防止电池因充电不当而降低使用寿命,大大改善了充电器的性能。 4 结束语 对于单体电池毒力岛,根据J. A. Mas理论,存在一个充电可接受区,超出这个区域,电池将会受到损害。该理论同时指出,通过瞬时大电流放电,可以使充电可接受区扩大,从而提高充电速率。相比于恒流、恒压等充电方法,脉冲充电和智能充电,运用J. A. Mas理论,集合了各种方法的优点,因此应用较为广泛。 由于在制作过程中的工艺等原因,即使是同批次、同型号的电池,也存在容量、内阻等方面的差异,并且在长期的使用过程中,这种差异会越来越大,进而导致电池组充电时的不均衡。不均衡性对串联电池组的性能影响很大,为了提高电池组的整体容量,延长使用寿命,各种带有均衡系统的充电装置应运而生。化学均衡法直接从电池本身入手,省去了大量的电路连接,但此方法还处于初级阶段,其实用性、安全性还远未达到要求。物理均衡法主要依靠外围电路,电路的性能直接影响均衡效果。对于耗散型均衡法,电阻要消耗大量电能,因此通常用于小容量电池组。回馈型均衡法借助于电容、电感、变压器等能量转换器,将过充能量和单体间的偏差能量馈送回电池组或电池组中的某些单体,进行重新分配。理论上,当忽略转换效率时,回馈不消耗能量,因此可应用于大容量电池组的均衡,对于车用动力电池组更具有适用性。但这种均衡电路连接复杂,均衡误差较大目击证人,可靠性也有待提高,需要在以后的研究中逐步改进。均衡系统的发展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性。 |
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