磷酸鐵鋰電池帶負(fù)脈沖的快速充電方法的研究

黃麗敏 熊英鵬

摘 要：以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，針對(duì)其在傳統(tǒng)充電方法下充電速度慢的問(wèn)題開展研究，提出了一種帶負(fù)脈沖放電的快速充電方法.在分析了帶負(fù)脈沖充電可行性的基礎(chǔ)上，對(duì)其正脈沖和負(fù)脈沖的大小以及時(shí)間進(jìn)行了具體的計(jì)算與仿真分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)該充電方法相比傳統(tǒng)的充電方法確實(shí)縮短了充電時(shí)間.

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；負(fù)脈沖；快速充電

中圖分類號(hào)：TM912 DOI：10. 16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.014

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染以及可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題已成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[1] .純電動(dòng)汽車擁有零排放、低噪聲等特點(diǎn)，但其續(xù)航里程較短，充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題嚴(yán)重影響了純電動(dòng)汽車的應(yīng)用[2].2015年10月中國(guó)共產(chǎn)黨第十八屆中央委員會(huì)第五次全體會(huì)議通過(guò)《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》，建議中明確提出“實(shí)施新能源汽車推廣計(jì)劃，提高電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化水平”的指導(dǎo)思想，2020年我國(guó)電動(dòng)車的保有量目標(biāo)是500萬(wàn)輛，其充電問(wèn)題受到了巨大關(guān)注[3]，但充電速度慢成為了電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸[4].目前，鋰離子動(dòng)力電池在純電動(dòng)汽車上使用最多的為磷酸鐵鋰電池，傳統(tǒng)充電方法包括：恒流充電、恒壓充電、階段充電等，由于電池自身極化導(dǎo)致其無(wú)法完全接受充電電流，從而無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完全充滿電池容量.為了解決無(wú)法充滿電量的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了間歇充電、脈沖充電等方法，這些方法雖然在一定程度上解決了無(wú)法充滿電量的問(wèn)題，但其充電時(shí)間較長(zhǎng).而動(dòng)力電池的內(nèi)部工作狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)[5]，要縮短充電時(shí)間，就必須加大充電電流，但對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行大電流充電時(shí)，電池將會(huì)受到極大損傷.對(duì)鋰電池充電，既需要充電快速，又需要充電過(guò)程對(duì)鋰電池使用壽命損耗小[6]，因此，研究一種無(wú)傷的快速充電方法具有現(xiàn)實(shí)意義.研究無(wú)損快速充電，必須檢測(cè)鋰離子電池當(dāng)前的充電狀態(tài)，如電壓、電流、溫度等，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整充電電流的大小及時(shí)間，進(jìn)行合理地充電，以增加電池的充電效率[7].所以，研究快速充電中各個(gè)充電參數(shù)的合理性，以達(dá)到快速、高效、無(wú)損的充電目的是縮短鋰離子動(dòng)力電池充電時(shí)間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.由此，文章提出了一種帶負(fù)脈沖的脈沖充電方法，對(duì)充電電流正脈沖和負(fù)脈沖的大小、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了具體計(jì)算、仿真分析，以選取帶負(fù)脈沖快速充電的最佳參數(shù).

1 快速充電的原理

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者JosephA.mas在對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池電量超過(guò)一定容量后，電池內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生析氣現(xiàn)象，并伴隨著溫度升高、充電速率下降等現(xiàn)象[8].根據(jù)這一現(xiàn)象，馬斯做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了電池充電可接受電流的最佳曲線[9]，如圖1所示.

由圖1可知，無(wú)論充電電流太高或太低，都會(huì)影響電池充電的效率、使用壽命和性能等.只有當(dāng)充電電流越接近蓄電池充電可接受電流的最佳曲線時(shí)，電池的充電效率才會(huì)越高，同時(shí)不影響電池的使用壽命及其性能.在第二屆國(guó)際電動(dòng)車輛會(huì)議上，馬斯提出了著名的“馬斯三定律”，為快速充電提供了理論基礎(chǔ)[10] .由馬斯三定律可知，瞬間的大電流放電可以增加電池的充電可接受率，使下一刻可接受更大的電流.有實(shí)驗(yàn)證明，在充電過(guò)程中當(dāng)電池電壓達(dá)到臨界值時(shí)，加入短時(shí)間的大電流放電，能顯著提升電池對(duì)電流的接收能力[11].

由圖2可知，帶負(fù)脈沖的脈沖充電是指在脈沖充電停充階段加入負(fù)向脈沖來(lái)進(jìn)行充電.在整個(gè)充電過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整正向脈沖的幅值、充電時(shí)間、負(fù)向脈沖的幅值以及放電時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制.

2 正向脈沖幅值的確定

2.1 正向脈沖幅值的確定

為了確定正向脈沖的幅值，需要知道3.2 V/20 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在不同充電電流下，電池電壓達(dá)到充電截止電壓3.65 V的充電時(shí)間以及電池已充電容量.通過(guò)ITS5000電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行20次充電測(cè)試，測(cè)試所得到的充電時(shí)間的平均值以及電池已充電容量的平均值，如表1所示.

由表1可知，在充電電流為20 A時(shí)，通過(guò)計(jì)算其充電容量為（18.213 6/20）×100%=91.068%；同理，在充電電流為40 A時(shí)，充電容量為68.819%；在充電電流為48 A時(shí)，充電容量為31.432%；在充電電流為60 A時(shí)，充電容量為5.5%.文章所研究的前提為電池充電容量不低于電池額定容量的80%，因此，在恒流充電時(shí)，電池的充電容量不能過(guò)低或者過(guò)高.根據(jù)上述數(shù)據(jù)，最終選取充電電流的幅值為40 A，即為2C電流（C—電池充放電倍率）.

2.2 正向脈沖充電時(shí)間的確定

當(dāng)充電電流的幅值為40 A時(shí)，其充電容量只有68.819%.為了將電池的充電容量提高到電池總?cè)萘康?0%以上，根據(jù)馬斯三定律可知，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行放電可以在一定程度上消除極化現(xiàn)象，因此，在恒流充電的基礎(chǔ)上加入負(fù)向脈沖對(duì)電池進(jìn)行放電，讓充電可接受電流有一定的回升，從而使得充電容量得到增加.根據(jù)馬斯所提出的理論，一般當(dāng)可接受電流下降1%就進(jìn)行一次放電，正向脈沖充電時(shí)間的表達(dá)式為：

由式（1）可知，要確定正向脈沖的充電時(shí)間，需先確定充電可接受率[α].根據(jù)可接受電流曲線可知，若在某時(shí)刻對(duì)其積分，則可得到已充電的容量，即如式（2）所示：

將表1的相關(guān)數(shù)值代入式（2），電池的額定容量取20 Ah，即可得到在不同充電電流下的電池充電接受率.再根據(jù)充電接受率可算出起始最大可接受電流，如表2所示.

根據(jù)表2可知，40 A恒流充電的起始最大可接受電流為67.72 A，根據(jù)馬斯定律可知，從67.72 A降到40 A的時(shí)間為560 s.在這段時(shí)間內(nèi)，電池對(duì)于40 A的電流是完全接受的，可算出電池充電容量為6.222 Ah.在此之后，則會(huì)進(jìn)入帶負(fù)脈沖的脈沖充電，以此來(lái)消除電池的極化現(xiàn)象，使充電可接受電流盡可能維持在40 A.隨著充電的進(jìn)行，電池充電容量會(huì)逐漸變大，電池的接受率也會(huì)隨之變大，其公式如式（3）所示：

根據(jù)式（3）可知，當(dāng)最大可接受電流掉落到40 A時(shí)，此時(shí)[Cs]為6.222 Ah，C為20 Ah，可算出此時(shí)電池充電接受率為2.903.將充電接受率代入式（1），可算出正向脈沖充電時(shí)間為12.46 s.

由式（2）和式（3）可知，隨著充電時(shí)間的增加，電池容量增加，電池充電接受率也隨著改變.因此，需要在每進(jìn)行一個(gè)周期的充放電后，更新正向脈沖的充電時(shí)間.

綜上所述，選取的正向脈沖初始充電時(shí)間為12.46 s.隨著充電的進(jìn)行，再根據(jù)式（2）和式（3）來(lái)更新正向脈沖的充電時(shí)間.

2.3 負(fù)向脈沖幅值和放電時(shí)間的確定

根據(jù)復(fù)合脈沖功率特性測(cè)試（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）可知，鋰離子動(dòng)力電池最大可接受的放電電流為5C，文章選取的電池為3.2 V/20 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，因此其最大放電電流為100 A.當(dāng)放電電流越大時(shí)，達(dá)到相同放電容量的時(shí)間越短，整個(gè)充放電過(guò)程所用的時(shí)間會(huì)更短，因此放電電流的幅值選擇100 A.

為了確定負(fù)向脈沖的放電時(shí)間，需確定負(fù)向脈沖放電容量的大小，通過(guò)結(jié)合馬斯第一定律和第二定律可推導(dǎo)出式（4）：

根據(jù)式（4），可推導(dǎo)出負(fù)向脈沖所需放出的容量的表達(dá)式為：

由式（5）可知，要確定負(fù)向脈沖放電容量的大小，需先確定K值和k值.根據(jù)式（4）可知，要確定K值和k值，需先確定充電可接受率[α].而要確定充電可接受率[α]，需要知道在相同放電容量的情況下不同放電電流的放電容量以及放電時(shí)間.表3為在相同放電容量不同放電電流下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為測(cè)得的20次數(shù)據(jù)所取的平均值.

將表3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式（1），可得出放電電流為20 A時(shí)，電池充電接受率為1.026；放電電流為40 A時(shí)，電池充電接受率為2.029.將相應(yīng)的參數(shù)代入式（4），可算出K為3.332，k為0.102.將所得到的K值和k值代入式（5）可算出放電容量C為0.014 17 Ah.

由于放電的電流恒定，因此負(fù)向脈沖的放電時(shí)間的表達(dá)式為：

根據(jù)式（6），可算出負(fù)向脈沖放電時(shí)間為0.51 s.

綜上所述，選取負(fù)向脈沖的幅值為100 A，即為5C，其放電時(shí)間為0.51 s.

2.4 帶負(fù)脈沖的充電方法的仿真結(jié)果與驗(yàn)證

在實(shí)際環(huán)境中，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池靜置后的電壓為3.2 V.因此，為了模擬真實(shí)環(huán)境下的情況，在仿真中，電池模型的初始充電電壓為3.2 V，充電截止電壓為3.65 V.根據(jù)上述所論述的充電方法對(duì)鋰電池模型進(jìn)行充電，帶負(fù)脈沖的充電方法的電池電流、剩余電量（State of Charge，SOC）和時(shí)間的曲線如圖3所示.將在帶負(fù)脈沖的充電方法下測(cè)得的SOC與20 A、40 A恒流充電下的SOC進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比曲線如圖4所示.

由圖3和圖4可知，加入負(fù)脈沖的充電方法，對(duì)充電效果和充電時(shí)間有顯著的改善.20 A恒流充電，在達(dá)到電池截止電壓時(shí)，所能充進(jìn)的容量為17.94 Ah，占額定容量的89.7%，所用的充電時(shí)間為3 230 s；40 A恒流充電，在達(dá)到電池截止電壓時(shí)，所能充進(jìn)的容量為13.87 Ah，占額定容量的69.35%，所用時(shí)間為1 249 s；40 A帶100 A負(fù)脈沖的充電方法則能充入17.37 Ah，占額定容量的86.85%，所用時(shí)間為2 932s.

比較3種充電方法，當(dāng)充電容量與時(shí)間之比越大時(shí)，充電速度越快.40 A恒流充電的容量與時(shí)間之比為39.98；20 A恒流充電的容量與時(shí)間之比為19.99；40 A帶100 A負(fù)脈沖的充電容量與時(shí)間之比為21.32.根據(jù)上述分析，3種充電方法中40 A恒流充電的充電速度最快，但是其最多只能充到電容額定容量的69.35%，不滿足前提條件.在充電電量達(dá)到80%時(shí)，20 A恒流充電所用時(shí)間為2 880 s，其容量與時(shí)間之比為20；40 A帶100 A負(fù)脈沖的充電所用時(shí)間為1 819 s，其容量與時(shí)間之比為31.66.因此，40 A帶100 A負(fù)脈沖的充電快于20 A恒流充電.綜上所述，在充電電量不低于80%的前提下，2C帶5C負(fù)脈沖的充電方法最好，相較于1C恒流充電時(shí)間縮短了36.84%.

3 結(jié)論

以3.2 V/20 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，結(jié)合馬斯三定律與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展帶負(fù)脈沖放電的充電方法研究，得到了帶負(fù)脈沖放電的充電方法中正脈沖和負(fù)脈沖的最佳大小和時(shí)間.通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，在充電過(guò)程中采用大小為2C，初始時(shí)間為12.46 s，并跟隨充電容量曲線不斷變化的正向脈沖，結(jié)合大小為1C，時(shí)間為0.51 s的負(fù)脈沖進(jìn)行充電的方式能夠有效地縮短充電時(shí)間.該方法結(jié)合充電容量和充電時(shí)間綜合考慮，相對(duì)于1C恒流充電時(shí)間縮短了36.84%，加快了充電速度.

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