什么樣的充電方式最好？電動(dòng)汽車快充研究 - 全文

　　隨著全球氣候惡化，全人類在討論如何應(yīng)對(duì)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(dá)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(jī)構(gòu)正在研發(fā)無污染的電動(dòng)汽車，而電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是其中最核心的部分，是重點(diǎn)研究的方向。

　　目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均采用鋰離子電池組作為其動(dòng)力電池。鋰離子電池有很多優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)”，不含鉛、鎘等有毒物質(zhì)，因此成為電動(dòng)車用電池的首選。

　　大功率的電動(dòng)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(gè)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(kuò)大，導(dǎo)致整個(gè)電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴(yán)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(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙了電動(dòng)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(dòng)汽車行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)。

　　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(zhǎng)電池的使用壽命。這種影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

　　（1）電壓的影響。一方面，在充電過程中要嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致電池容量減小，電池發(fā)生變形，過充嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸。另一方面，在充電結(jié)束后，應(yīng)使電池電壓盡量接近滿充電壓，否則會(huì)導(dǎo)致電池容量大大降低。

　?。?）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(gè)上限值，會(huì)造成電池中電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，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(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，電池可能爆炸，因此在充電過程中，要及時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度情況并對(duì)其加以控制。

　　選擇合適的充電方法可以提高充電效率，延長(zhǎng)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(duì)電池進(jìn)行充電。在這個(gè)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(shì)較低，因此充電電流較大，隨著充電過程的進(jìn)行，電池電勢(shì)逐漸升高，充電電流逐漸減小。恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)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(duì)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(jìn)行充電。鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時(shí)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(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，但若充電電流太小，就會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，降低充電效率。

　　以上兩種方法都比較簡(jiǎn)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(gè)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(gè)階段。如圖1所示。

　?。?）預(yù)充階段。接通直流電源后，當(dāng)檢測(cè)到電池時(shí)，充電芯片啟動(dòng)，進(jìn)入預(yù)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(fù)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(duì)鋰離子電池充電，一般鋰電池大多選用標(biāo)準(zhǔn)充電速率。恒流充電時(shí)，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，進(jìn)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(dāng)監(jiān)測(cè)到充電電流降到設(shè)置值以下，或滿充時(shí)間超時(shí)轉(zhuǎn)入頂端截止充電，此時(shí)充電控制器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量，一般情況下，該過程可以延長(zhǎng)電池5%~10%的使用時(shí)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(jìn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，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(shè)置較小的缺點(diǎn)，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(dá)到提高充電效率。

　　在變流充電階段，通過對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確定起始的電流進(jìn)行恒流充電，同時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，結(jié)束該分段，調(diào)整電流值，進(jìn)入下一分段，直至電池狀態(tài)達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，終止變流充電，進(jìn)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(dāng)?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(shí)現(xiàn)快速充電的目的。但實(shí)際上，充電電流過大會(huì)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(yīng)，研究人員通過對(duì)不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進(jìn)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(shí)間后增加一段間歇時(shí)間，減少極化現(xiàn)象。在間歇階段，電解液析氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時(shí)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(chǔ)上，用脈沖電流對(duì)電池充電，充電電流時(shí)有時(shí)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(fù)脈沖充電兩種方式，在正脈沖充電方式中，正脈沖空閑時(shí)間內(nèi)，電解液中的離子自由擴(kuò)散，減小了極化的加??；在正負(fù)脈沖充電方式中，正脈沖空閑時(shí)間內(nèi)加上了負(fù)脈沖，電解液中的離子受反向作用力向相反方向運(yùn)動(dòng)，有效的抑制了極化現(xiàn)象。

　　2、本文采用的充電方式

　　對(duì)以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點(diǎn)相比較可以看出，每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。電動(dòng)汽車電池組對(duì)充電過程要求很高，既要要求安全充電，盡可能延長(zhǎng)電池使用壽命，又必須滿足快速充電的特點(diǎn)，快速、高效、安全、長(zhǎng)使用壽命這幾項(xiàng)指標(biāo)都必須達(dá)到，綜合每一種充電方法的優(yōu)點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進(jìn)，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(diǎn)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(diǎn)，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(shí)，采用脈沖式充電電流，有效抑制極化效應(yīng)，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。

　　3、研究電池組均衡充電的意義

　　電動(dòng)汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓。由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中電池特性必然存在差異，造成這種差異的原因有：在生產(chǎn)過程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異；使用過程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡；不同電池之間的放電情況存在差異，長(zhǎng)時(shí)間累積，造成電池狀態(tài)的不平衡。長(zhǎng)期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡，從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量，縮短壽命，造成浪費(fèi)，增大成本。

　　和其他電池相比，鋰離子電池幾乎沒有耐過充的能力，在電池荷電狀態(tài)已滿時(shí)，若繼續(xù)充電，電池的電壓將繼續(xù)升高。電壓過高會(huì)造成鋰離子在負(fù)極積累，解析出金屬鋰，使電池的蓄電能力喪失，而且這一過程是不可逆的，同時(shí)，電解液發(fā)生電解，析出氫氣和氧氣，伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，電池溫度逐漸升高，氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸。因此，鋰電池切不可過充電，否則會(huì)給電池造成致命的損壞或造成安全事故。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，過充電將嚴(yán)重減少電池的充電循環(huán)次數(shù)。

　　因此，在對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí)，不能通過過充的方式使各單體電池達(dá)到性能均衡。若以容量大的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量小的電池過充電，損害電池；若以容量小的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電，這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài)。同樣在放電過程中，若以容量大電池放電結(jié)束為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量小的電池過放，若以容量小的電池放電結(jié)束為依據(jù)，容量大的電池的電量還將剩余大部分電量，不能得到充分利用。電動(dòng)汽車電池組需要頻繁的充放電，隨著充放電次數(shù)的增多，將形成惡性循環(huán)，各電池的不均衡將加劇，造成整個(gè)電池組性能明顯惡化。

　　為應(yīng)對(duì)以上問題，就要在充電過程中，通過某種方法，使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電，達(dá)到均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)均衡控制。

　　4、電池組充電均衡控制研究

　　目前均衡控制的方法，按照能耗主要分能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式。

　　能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來實(shí)現(xiàn)均衡。常使用的方法是電流分流法。分流法是將每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，并通過開關(guān)進(jìn)行控制，在充電過程中，當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí)，其分流開關(guān)閉合，電池進(jìn)行分流。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率，能效低，而且產(chǎn)生熱量比較大。電動(dòng)汽車需要考慮能效的問題，否則無法大規(guī)模推廣，顯然，這種均衡方法不適用。能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種，一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充，另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化。常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法，利用變壓器將能量補(bǔ)充給饑餓的電池，有開關(guān)式、共享式、獨(dú)立式三種結(jié)構(gòu)，線圈能量轉(zhuǎn)換法對(duì)充電電流進(jìn)行均衡，充電速率很快，但在大量電池串聯(lián)充電時(shí)，其缺點(diǎn)就突顯出來了，這時(shí)需要大量的變壓器，磁場(chǎng)損耗大，均衡設(shè)備的體積很大，效率變低。因此，這種方法對(duì)電動(dòng)汽車電池組充電也不適用。

　　能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲(chǔ)能元件將能量進(jìn)行傳遞，在充電過程中，電池組中容量低的電池端電壓會(huì)比其他電池高，這時(shí)容量低的電池會(huì)對(duì)容量高的電池充電。常用的有電容法和電感法。

　　電容式均衡電路是通過MCU控制開關(guān)的切換，先由電壓最高的電池向電容充電，充滿后切換開關(guān)，由電容向電壓低的電池充電，并多次重復(fù)這個(gè)過程。這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積可以做的很小，缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開關(guān)器件，損耗大，需要的時(shí)間也較長(zhǎng)，因此不適宜電動(dòng)汽車電池組充電。

　　電感式相鄰均衡電路的原理是每一個(gè)電池都并聯(lián)一個(gè)電感，檢測(cè)比較相鄰兩個(gè)電池B1、B2的電壓，若B1電壓較高，由MCU控制PWM輸出信號(hào)的占空比來控制開關(guān)器件，使B1能量?jī)?chǔ)存在電感，并對(duì)公共電容充電，然后將能量傳送給B2；反之，若B2電壓較高，PWM輸出的占空比變化，使能量由B2流向B1. 這種均衡電路的特點(diǎn)是效率高，速度快，體積小，缺點(diǎn)是控制算法比較復(fù)雜。

　　通過對(duì)以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較，本文認(rèn)為電感式均衡電路較適用于電動(dòng)汽車電池組充電均衡。電動(dòng)汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點(diǎn)，因此，本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路（如圖3），實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移，達(dá)到均衡的目的。

　　系統(tǒng)中，及時(shí)檢測(cè)電池組中各電池的狀態(tài)信息，送入MCU中，通過算法處理，控制PWM的輸出，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)某個(gè)電池電壓較高時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通，電池將能量?jī)?chǔ)存到相應(yīng)的電感中，當(dāng)開關(guān)斷開后，能量轉(zhuǎn)移到下游的電池，多余能量轉(zhuǎn)移到公共電容上并回饋給充電電路。

　　5、鋰離子電池組充電電路設(shè)計(jì)

　　在以上研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于限壓變流脈沖充電方法的具有均衡功能的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MCU進(jìn)行控制，對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，送入MCU中，并通過一定的算法，控制PWM輸出信號(hào)的占空比，控制脈沖充電電流，控制均衡電路的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)均衡充電，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下。

　　6、總結(jié)

　　本文在通過對(duì)多種傳統(tǒng)充電方式的研究，綜合各種方式的優(yōu)點(diǎn)，提出了限壓變流脈沖充電方式，使實(shí)際充電電流接近充電可接受電流，縮短充電時(shí)間，并有效防止極化，快速、高效、安全。同時(shí)，應(yīng)對(duì)電池組中單個(gè)電池狀態(tài)不均衡的問題，進(jìn)行了均衡控制研究，使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移，保證在充電結(jié)束時(shí)各電池達(dá)到均衡狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。