黃麗敏 熊英鵬

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

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；負脈沖；快速充電

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

0 引言

進入21世紀以來，隨著全球城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快，環(huán)境污染以及可持續(xù)發(fā)展的問題已成為國際社會關(guān)注的重點問題[1] .純電動汽車擁有零排放、低噪聲等特點，但其續(xù)航里程較短，充電時間長等問題嚴重影響了純電動汽車的應(yīng)用[2].2015年10月中國共產(chǎn)黨第十八屆中央委員會第五次全體會議通過《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》，建議中明確提出“實施新能源汽車推廣計劃，提高電動車產(chǎn)業(yè)化水平”的指導(dǎo)思想，2020年我國電動車的保有量目標是500萬輛，其充電問題受到了巨大關(guān)注[3]，但充電速度慢成為了電動汽車發(fā)展的瓶頸[4].目前，鋰離子動力電池在純電動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)致其無法完全接受充電電流，從而無法在短時間內(nèi)完全充滿電池容量.為了解決無法充滿電量的問題，國內(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法充滿電量的問題，但其充電時間較長.而動力電池的內(nèi)部工作狀態(tài)是一個復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)[5]，要縮短充電時間，就必須加大充電電流，但對磷酸鐵鋰電池進行大電流充電時，電池將會受到極大損傷.對鋰電池充電，既需要充電快速，又需要充電過程對鋰電池使用壽命損耗小[6]，因此，研究一種無傷的快速充電方法具有現(xiàn)實意義.研究無損快速充電，必須檢測鋰離子電池當前的充電狀態(tài)，如電壓、電流、溫度等，根據(jù)當前狀態(tài)調(diào)整充電電流的大小及時間，進行合理地充電，以增加電池的充電效率[7].所以，研究快速充電中各個充電參數(shù)的合理性，以達到快速、高效、無損的充電目的是縮短鋰離子動力電池充電時間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.由此，文章提出了一種帶負脈沖的脈沖充電方法，對充電電流正脈沖和負脈沖的大小、時間等參數(shù)進行了具體計算、仿真分析，以選取帶負脈沖快速充電的最佳參數(shù).

1 快速充電的原理

在20世紀60年代，美國學(xué)者JosephA.mas在對蓄電池進行恒流充電時發(fā)現(xiàn)，當電池電量超過一定容量后，電池內(nèi)部就會產(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，馬斯做了大量的實驗，通過對實驗數(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，無論充電電流太高或太低，都會影響電池充電的效率、使用壽命和性能等.只有當充電電流越接近蓄電池充電可接受電流的最佳曲線時，電池的充電效率才會越高，同時不影響電池的使用壽命及其性能.在第二屆國際電動車輛會議上，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.有實驗證明，在充電過程中當電池電壓達到臨界值時，加入短時間的大電流放電，能顯著提升電池對電流的接收能力[11].

由圖2可知，帶負脈沖的脈沖充電是指在脈沖充電停充階段加入負向脈沖來進行充電.在整個充電過程中，通過調(diào)整正向脈沖的幅值、充電時間、負向脈沖的幅值以及放電時間來進行控制.

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磷酸鐵鋰動力電池在不同充電電流下，電池電壓達到充電截止電壓3.65 V的充電時間以及電池已充電容量.通過ITS5000電池測試系統(tǒng)對電池進行20次充電測試，測試所得到的充電時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，通過計算其充電容量為（18.213 6/20）×100%=91.068%；同理，在充電電流為40 A時，充電容量為68.819%；在充電電流為48 A時，充電容量為31.432%；在充電電流為60 A時，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，電池的充電容量不能過低或者過高.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 正向脈沖充電時間的確定

當充電電流的幅值為40 A時，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?shù)剡M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)上加入負向脈沖對電池進行放電，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，一般當可接受電流下降1%就進行一次放電，正向脈沖充電時間的表達式為：

由式（1）可知，要確定正向脈沖的充電時間，需先確定充電可接受率[α].根據(jù)可接受電流曲線可知，若在某時刻對其積分，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的時間為560 s.在這段時間內(nèi)，電池對于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，則會進入帶負脈沖的脈沖充電，以此來消除電池的極化現(xiàn)象，使充電可接受電流盡可能維持在40 A.隨著充電的進行，電池充電容量會逐漸變大，電池的接受率也會隨之變大，其公式如式（3）所示：

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

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

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

2.3 負向脈沖幅值和放電時間的確定

根據(jù)復(fù)合脈沖功率特性測試（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）可知，鋰離子動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磷酸鐵鋰動力電池，因此其最大放電電流為100 A.當放電電流越大時，達到相同放電容量的時間越短，整個充放電過程所用的時間會更短，因此放電電流的幅值選擇100 A.

為了確定負向脈沖的放電時間，需確定負向脈沖放電容量的大小，通過結(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)出負向脈沖所需放出的容量的表達式為：

由式（5）可知，要確定負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間.表3為在相同放電容量不同放電電流下的實測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為測得的20次數(shù)據(jù)所取的平均值.

將表3的實測數(shù)據(jù)代入式（1），可得出放電電流為20 A時，電池充電接受率為1.026；放電電流為40 A時，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，因此負向脈沖的放電時間的表達式為：

根據(jù)式（6），可算出負向脈沖放電時間為0.51 s.

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

2.4 帶負脈沖的充電方法的仿真結(jié)果與驗證

在實際環(huán)境中，磷酸鐵鋰動力電池靜置后的電壓為3.2 V.因此，為了模擬真實環(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鋰電池模型進行充電，帶負脈沖的充電方法的電池電流、剩余電量（State of Charge，SOC）和時間的曲線如圖3所示.將在帶負脈沖的充電方法下測得的SOC與20 A、40 A恒流充電下的SOC進行對比，其對比曲線如圖4所示.

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

比較3種充電方法，當充電容量與時間之比越大時，充電速度越快.40 A恒流充電的容量與時間之比為39.98；20 A恒流充電的容量與時間之比為19.99；40 A帶100 A負脈沖的充電容量與時間之比為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.在充電電量達到80%時，20 A恒流充電所用時間為2 880 s，其容量與時間之比為20；40 A帶100 A負脈沖的充電所用時間為1 819 s，其容量與時間之比為31.66.因此，40 A帶100 A負脈沖的充電快于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負脈沖的充電方法最好，相較于1C恒流充電時間縮短了36.84%.

3 結(jié)論

以3.2 V/20 Ah磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，結(jié)合馬斯三定律與實際的實驗數(shù)據(jù)開展帶負脈沖放電的充電方法研究，得到了帶負脈沖放電的充電方法中正脈沖和負脈沖的最佳大小和時間.通過仿真與實驗測試數(shù)據(jù)驗證表明，在充電過程中采用大小為2C，初始時間為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，時間為0.51 s的負脈沖進行充電的方式能夠有效地縮短充電時間.該方法結(jié)合充電容量和充電時間綜合考慮，相對于1C恒流充電時間縮短了36.84%，加快了充電速度.

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