电动汽车用锂电池快速充电技术研究

随着电气时代的到来，电子产品在人们生活中越来越不可或缺。随着人们生活节奏不断加快，对时间效益的要求越来越高，电池作为电子设备的能量供应，其自身存在的问题也日益得到人们的关注。目前电池种类中使用最为广泛的当数锂离子电池，其工作电压稳定，体积小，储能大，无记忆效应，自放电低且安全环保，符合现代科技发展新理念，是电子设备的理想动力源。电动汽车（EV）作为较大型的耗电设备，相比汽油车有许多好处，如没有尾气污染、噪声污染小、机械结构简单、能量效率高和废热减少等。电池的运行成本和使用寿命严重影响电动汽车的使用和普及。因此，减少电池的充电时间，提高电池的能量效率是目前研究的重点。电动汽车电池充电时间很长，而常规汽油车可以在5～10 min甚至更少时间内加油。很明显，锂离子电池充电电流越高，其充电速度越快，但同时电池的安全性能越差。过充、过热或短路充电可能引起锂离子电池自燃甚至爆炸。恒流恒压（CC-CV）充电方法使锂电池能够在2～4 h内完成充电。虽然这种方法可以避免过充电并且能获得几乎全部的电池容量，但会造成充电时间的增加，对于快速充电是不合适的。针对电池充电的快速及安全问题，近年来国内外许多学者耗费了大量人力物力，从快速、高效和不损伤电池的角度对锂电池展开了深入的研究，锂电池的充电方式也有了决定性的进展［1-2］，出现了锂电池快速充电方法［3-5］。本文对目前电池常用的充电方法进行了归纳总结，并在此基础上提出了一种快速充电方法。

1 传统充电方法

1.1 恒流（CC）充电法

恒流充电指的是用大小恒定的电流对电池进行充电。充电过程中，通过调节电源充电电压值或充电电路中的电阻值，来确保电池的充电电流恒定。此方法控制简单，操作方便，可任意选取充电电流，适应性强，尤其适合蓄电池容量恢复的小电流长时间充电。但实际上电池所能接受的充电电流随充电进行呈现逐渐减小的趋势。若初始时刻电流过小，则充电时间较长；若充电电流较大，容易导致电池内部析气、电池无法充满，降低充电效率，且引起电池内部极板上活性物质脱落，电池温度急剧上升，严重影响电池使用寿命。因此该方法现已很少单独使用，常常作为阶段充电的一个环节。

1.2 恒压（CV）充电法

恒压充电指的是用大小恒定的电压对电池进行充电。充电过程中保持充电电压恒定，充电电流随电池荷电容量的变化自动调整。恒压充电方式操作简单，无需改变外围电源或电阻，只需设定1个电压值，较易实现，但选取适当的充电电压值则相对困难，充电电压过高将导致初始充电电流过大而损伤电池，电压过低则电池充电速度跟不上且可能导致电池充电不足，长期如此会使其固有容量下降，使用寿命缩短。与恒流充电法一样，恒压充电方法也很少单独使用。

1.3 恒流恒压（CC-CV）充电方法

结合以上2种充电方式，产生了恒流恒压充电方式［6］，如图1所示。整个充电过程分为3个部分：第一阶段为预充区，即在充电之前对电池电压进行检测，若低于其阈值电压2.5 V（若高于2.5 V，则直接进入恒流充电阶段），则以小电流（0.1 C）对电池进行预充电，避免突然的大电流对电池造成伤害；电池电压逐渐上升至阈值电压后，进入恒流充电区，充电电流较大，一般为0.5 C到1 C区间，充电速度较快，电池容量短时间内将充至总容量的80%以上；当电池电压达到其上限电压（4.2 V），结束恒流充电，转入恒压充电区，电池电压恒定在4.2 V，当充电电流缓慢减小到0.1 C以下时，即停止充电。恒流恒压充电方法同时克服了恒流充电和恒压充电的缺陷，是目前比较主流的充电方式，但其充电速度并不快。

图1 恒流恒压充电方法
Fig.1 Constant current constant voltage charging method

2 快速充电方法

2.1 分段恒流充电方法

分段恒流充电方法即以阶段性的恒定电流对电池进行充电，如图2所示。充电初期，施加较大电流对电池充电，短时充入较大容量，当电池端电压升至预定值Up时，减小充电电流转入下一恒流阶段，直到充电电流减小为0，完成充电。分段恒流充电方法更符合电池实际充电过程中充电电流变化情况。

图2 分段恒流充电方法
Fig.2 Piecewise constant current charging method

2.2 脉冲充电方法

科学家马斯在大量实验数据及现象的基础上，提出了充电状态下的锂电池能够承受的最大充电电流曲线，如图3所示。随着充电的进行，最大可接受充电电流逐渐减小，当充电电流在最大可接受充电曲线上侧时，电池析气量增加，正极析出氧气，负极析出氢气，极化反应加重；当充电电流在最大可接受电流曲线下侧时，避免了对电池造成损害，但是充电速度过慢，不能满足快速充电要求。

图3 锂电池最大可接受充电电流曲线
Fig.3 The maximum acceptable charging current curve for lithium batteries

电池可接受充电电流随充电进行而逐渐减小，针对这一现象，学者们提出了脉冲占空比逐渐减小的脉冲充电法［7-9］，如图4所示。充电初期电池以恒流方式充电，当其端电压逐渐上升到预定值Up时断开充电，经Δt时间后变为脉冲充电方式，电流幅值为Id，当电池端电压上升至Up，再次断电Δt时间，再以同样幅值的脉冲电流对电池进行循环充电，电池电压下降速度减慢，在停充时间Δt固定不变的情况下，脉冲电流宽度减小，充电电流占空比减小，当占空比低于10%时，充电完成。

图4 脉冲充电方法
Fig.4 Pulse charging method

2.3 负脉冲充电方式

随着充电的发生，电池内部极化效应逐渐严重，将大大降低充电效率。而适时暂时停止充电，使充电电流突变为零，可瞬间消除欧姆极化效应，并且由于电解液的扩散作用，也可适当降低浓差极化和电化学极化，这种方式称为自然去极化［10］。比自然去极化更有效的方式是强制去极化，即在正向充电过程中，增加一个逆向充电电流，适当地对电池进行瞬时深度放电，使电池内部产生化学逆变化，从而抑制极化。这种方法即为负脉冲充电方式［11］，如图5所示。

图5 负脉冲充电方法
Fig.5 Negative pulse charging method

2.4 间歇充电方式

间歇充电方法是将恒流充电、恒压充电和脉冲充电的特点结合起来，在充电过程中加入短时停充，可以极大缓解电池极化效应。

间歇充电法按形式能够划分成变电流间歇充电法和变电压间歇充电法，如图6所示。变电流间歇充电方法先以较大初始电流对电池进行充电，短时间内为电池充入大部分电量，当电池端电压值达到预设电压时，短暂断开充电，再逐级减小充电电流对电池进行循环充电，直到充电完成。变电压间歇充电方法以初始高电压对电池进行充电，并依次减小充电电压，充电电流随之自动减小。变电压间歇充电法操作简单，只需控制充电电压即可。

图6 间歇充电方法
Fig.6 Intermittent charging method

由于充电电流的限制以及极化效应的影响，恒流充电、恒压充电以及恒流恒压充电方法在大电流充电的情况下，极化效应严重，充电速度变慢，充电容量不足，在实际生活中很少使用。而变电流间歇充电方法则利用短暂的放电间隙大大减弱了极化作用，缩短了充电时间。本文在以上分析的基础上，采用分段恒流结合大电流脉冲充电的方式，对锂电池组快速充电方法进行研究，并在Matlab/Simulink中对分段恒流结合脉冲充电方式进行仿真。

3 仿真分析与验证

3.1 模型搭建

在分段恒流结合脉冲充电过程中，充电前半部分根据电池容量不同将充电电流分成了7段，每段对应的电池容量阈值分别为20%，30%，40%，50%，60%，70%和 80%。根据文献［12］中提出的电池最大充电电流与容量的关系可求出每段充电电流的对应值分别为：1.28 C，1.12 C，0.96 C，0.8 C，0.66 C，0.52 C 和 0.38 C。

在充电后半部分，采用幅值为1 C的脉冲电流对电池进行脉冲充电。搭建的Matlab/Simulink仿真模型如图7所示，电池采用PNGV等效电路模型，运用多路选择开关依次对充电电流进行选通，通过可控电流源对电池进行充电，通过S函数中的控制程序实现对整个充电过程的控制。

图7 分段恒流结合脉冲充电仿真模型
Fig.7 Simulation model of constant current combined pulse charging

3.2 波形分析

运行仿真模型，示波器中得到如图8所示的波形，阶段恒流充电时间约为3 700 s，阶段恒流期间电池电压缓慢上升，电池充入80%左右的电量，之后进入脉冲充电阶段，脉冲电流幅值为1 C，充电周期为6 s，初始占空比为50%，当脉冲电流占空比降到5%～10%时，充电完成，整个充电过程耗时4 750 s。

图8 分段恒流结合脉冲充电过程电流与电压变化波形
Fig.8 The current and voltage change waveforms during the constant current pulse charging process

为研究分段恒流结合脉冲充电方法的优劣性，本文在大量实验的基础上，与其他充电方法进行了对比。为排除实验偶然性，在实验条件都相同的情况下，每种充电方法均采用新电池进行重复实验10次，并取均值，实验结果如表1所示。

表1 不同充电方法实验对比
Tab.1 Experimental comparison of different charging methods

分析表1可知，分段恒流结合脉冲充电方法极大减弱了极化效应，虽然能快速地进行充电，但充电完成时电池端电压却没有受到影响，电池荷电容量也有所增加。分段恒流结合脉冲充电方法做到了在不损伤电池的前提下能有效缩短充电时间，大大提高了充电效率。

4 结论

本文综合分析比较了几种充电方法的优缺点，在大量实验的基础上提出了分段恒流结合脉冲充电方法，此方法能够在安全无害的情况下，削弱极化效应，缩短充电时间，达到快速充电的目的。