什么樣的充電方式最好？電動汽車快充研究

　　隨著全球氣候惡化，全人類在討論如何應對氣候變化，節(jié)能減排、尋找新能源是減少環(huán)境破壞的重要途徑。目前全球汽車保有量已達10億，汽車尾氣是加劇環(huán)境惡化的重要因素，為此，許多企業(yè)機構正在研發(fā)無污染的電動汽車，而電動汽車動力電池是其中最核心的部分，是重點研究的方向。

　　目前，大多數(shù)電動汽車企業(yè)和研究機構均采用鋰離子電池組作為其動力電池。鋰離子電池有很多優(yōu)點，與傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫電池相比，鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大，鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率，另外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”，不含鉛、鎘等有毒物質，因此成為電動車用電池的首選。

　　大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)，以獲得較高的輸出電壓，但是，鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區(qū)別的。在電池組中，各單體鋰離子電池在生產(chǎn)制造中必然存在個體差異，在使用中老化程度也不一樣，若不在充電過程中采取措施，這種差異將被累積甚至擴大，導致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴重縮短。另外，由于電池組容量較大，采用傳統(tǒng)的充電方式效率低，充電時間長，嚴重阻礙了電動汽車的推廣。

　　因此，快速有效安全可靠的充電系統(tǒng)是目前電動汽車行業(yè)重點研發(fā)的技術。

　　1、傳統(tǒng)鋰離子電池充電方式研究

　　不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素。合適的充電方式不僅能夠最大限度的發(fā)揮電池的容量，而且可以延長電池的使用壽命。這種影響主要體現(xiàn)在三個方面：

　?。?）電壓的影響。一方面，在充電過程中要嚴格控制電池電壓不能超過充電限制電壓，超過充電限制電壓稱為過充，輕微過充多次會導致電池容量減小，電池發(fā)生變形，過充嚴重時會直接導致電池發(fā)生爆炸。另一方面，在充電結束后，應使電池電壓盡量接近滿充電壓，否則會導致電池容量大大降低。

　　（2）電流的影響。鋰離子電池可接受的充電電流是有限的，若充電電流高于這個上限值，會造成電池中電解液發(fā)生析氣反應，大量發(fā)熱，使電池溫度急劇上升。

　?。?）溫度的影響。鋰離子電池溫度過高，會導致電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應，電池可能爆炸，因此在充電過程中，要及時監(jiān)測電池溫度情況并對其加以控制。

　　選擇合適的充電方法可以提高充電效率，延長使用壽命。鋰離子電池的充電方法有很多種，常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。

　　1.1恒定電壓充電法

　　恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進行充電。在這個過程中，充電電流滿足公式：I=（U–E）/R（式中：I為充電電流，U為充電電壓，E為電池電壓，R為充電回路電阻）。

　　在充電初期，由于電池電勢較低，因此充電電流較大，隨著充電過程的進行，電池電勢逐漸升高，充電電流逐漸減小。恒壓控制系統(tǒng)結構簡單，而且充電電流比較接近可接受充電電流，具有一定的自適應性，但在充電初期電流比較大，有可能造成電池溫度上升過快，對電池帶來不利影響。

　　1.2恒定電流充電法

　　恒定電流充電法是指在充電過程中全程以恒定不變電流進行充電。鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降，而充電電流保持不變，若充電電流較大，在恒流充電后期可能出現(xiàn)充電電流超過可接受電流而導致電池電解液發(fā)生析氣反應，但若充電電流太小，就會延長充電時間，降低充電效率。

　　以上兩種方法都比較簡單，也都有很多不足之處。恒壓充電初期電流過大而恒流充電后期電流過大，因此，可采用先恒流后恒壓的充電方法以克服這兩種方式在這兩個階段的弊端。

　　1.3恒流/恒壓充電法

　　這種充電方法將充電過程分為三個階段。如圖1所示。

　　（1）預充階段。接通直流電源后，當檢測到電池時，充電芯片啟動，進入預充過程，在此期間充電控制器以較小的電流給電池充電，使電池電壓、溫度恢復到正常狀態(tài)。

　?。?）恒流充電階段。在充電初期，充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電，一般鋰電池大多選用標準充電速率。恒流充電時，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達到所設定的終止電壓，恒流充電終止，進入恒壓充電過程。

　　（3）恒壓充電階段。在恒壓充電過程中，充電電流逐漸衰減，當監(jiān)測到充電電流降到設置值以下，或滿充時間超時轉入頂端截止充電，此時充電控制器以極小的充電電流為電池補充能量，一般情況下，該過程可以延長電池5%~10%的使用時間。

　　這種充電方法中，為避免電流過大，電池溫度過高，在恒流階段，通常采用較小的充電電流進行充電，充電效率仍然不高。為提高充電效率，可采用變流充電法。

　　1.4變流充電法

　　鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線（圖2中曲線1）以上會導致電池電解液發(fā)生析氣反應，影響電池壽命。

　　理想化的充電過程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值。如圖2中曲線2為變流充電電流曲線。圖2中可以看出，在充電初期，充電電流較大，效率較高，克服了恒流/恒壓充電階段初期充電電流設置較小的缺點，隨著充電繼續(xù)，充電電流逐步減小，因此，可以將其原有的恒流充電階段用分段恒流充電的過程來代替，達到提高充電效率。

　　在變流充電階段，通過對電池狀態(tài)進行檢測，確定起始的電流進行恒流充電，同時對電池狀態(tài)進行檢測，當電池狀態(tài)達到該恒流充電分段終止標準時，結束該分段，調整電流值，進入下一分段，直至電池狀態(tài)達到設定的標準時，終止變流充電，進入恒壓充電，以確保電池完全充滿。

　　變流充電法的主要困難在于確定各階段恒流充電電流值，選取適當?shù)?a target="_blank">參數(shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù)。

　　在變流充電法中，通過提高初始階段的充電電流來實現(xiàn)快速充電的目的。但實際上，充電電流過大會造成電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象而縮短壽命。為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應，研究人員通過對不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進行比較，提出了間歇充電和脈沖充電的方法。

　　1.5間歇充電法

　　間歇充電法是指在充電一段時間后增加一段間歇時間，減少極化現(xiàn)象。在間歇階段，電解液析氣反應產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時間得以重新化合，可以有效的減緩電池內(nèi)電壓升高，消除歐姆極化，減小內(nèi)阻，使電池在接下來的充電過程中能夠接受更多的電量。

　　1.6脈沖充電法

　　在脈沖充電過程中，在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎上，用脈沖電流對電池充電，充電電流時有時無，充電狀態(tài)和暫停狀態(tài)相互交替。脈沖充電方式有正脈沖充電和正負脈沖充電兩種方式，在正脈沖充電方式中，正脈沖空閑時間內(nèi)，電解液中的離子自由擴散，減小了極化的加?。辉谡撁}沖充電方式中，正脈沖空閑時間內(nèi)加上了負脈沖，電解液中的離子受反向作用力向相反方向運動，有效的抑制了極化現(xiàn)象。

　　2、本文采用的充電方式

　　對以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點相比較可以看出，每一種方法都各有優(yōu)缺點。電動汽車電池組對充電過程要求很高，既要要求安全充電，盡可能延長電池使用壽命，又必須滿足快速充電的特點，快速、高效、安全、長使用壽命這幾項指標都必須達到，綜合每一種充電方法的優(yōu)點，本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進，提出了限壓變流脈沖充電方法。

　　限壓變流脈沖充電方法的特點是，將恒流/恒壓充電方式的恒流充電階段改為變流脈沖充電，這一階段電流的大小符合變流充電的特點，初期電流較大，盡量逼近充電可接受電流，以保證電池獲得足夠電流，同時，采用脈沖式充電電流，有效抑制極化效應，減緩電池內(nèi)壓升高，減小內(nèi)阻。后期采用恒壓充電方式，以獲得過充電量。