電動汽車電池組快速充電研究

　　引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/275545.htm

　　隨著全球氣候惡化, 全人類在討論如何應對氣候變化, 節能減排、尋找新能源是減少環境破壞的重要途徑. 目前全球汽車保有量已達10 億, 汽車尾氣是加劇環境惡化的重要因素, 為此, 許多企業機構正在研發無汙染的電動汽車, 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, 大多數電動汽車企業和研究機構均採用鋰離子電池組作為其動力電池. 鋰離子電池有很多優點, 與傳統的鎳鎘、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單體鋰離子電池串聯, 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別的. 在電池組中, 各單體鋰離子電池在生產製造中必然存在個體差異, 在使用中老化程度也不一樣, 若不在充電過程中採取措施, 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, 由於電池組容量較大, 採用傳統的充電方式效率低, 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是目前電動汽車行業重點研發的技術.

　　1 傳統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. 這種影響主要體現在三個方面:

　　(1) 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, 電池發生變形, 過充嚴重時會直接導致電池發生爆炸. 另一方面, 在充電結束後, 應使電池電壓儘量接近滿充電壓, 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, 若充電電流高於這個上限值, 會造成電池中電解液發生析氣反應, 大量發熱, 使電池溫度急劇上升.

　　(3) 溫度的影響. 鋰離子電池溫度過高, 會導致電池內部發生一系列反應, 電池可能爆炸, 因此在充電過程中, 要及時監測電池溫度情況並對其加以控制.

　　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, 常用的充電方法有恆定電流充電法、恆定電壓充電法、恆流/ 恆壓充電法、變流充電法、脈衝充電法、間歇充電法等.

　　1.1 恆定電壓充電法

　　恆定電壓充電法是指在充電過程中以恆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 為充電迴路電阻) .

　　在充電初期, 由於電池電勢較低, 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. 恆壓控制系統結構簡單,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 恆定電流充電法

　　恆定電流充電法是指在充電過程中全程以恆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規律下降, 而充電電流保持不變, 若充電電流較大, 在恆流充電後期可能出現充電電流超過可接受電流而導致電池電解液發生析氣反應, 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. 恆壓充電初期電流過大而恆流充電後期電流過大, 因此, 可採用先恆流後恆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 恆流/恆壓充電法

　　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. 接通直流電源後, 當檢測到電池時, 充電晶片啟動, 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.

　　(2) 恆流充電階段. 在充電初期, 充電電路以恆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. 恆流充電時, 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, 恆流充電終止, 進入恆壓充電過程.

　　(3) 恆壓充電階段. 在恆壓充電過程中, 充電電流逐漸衰減, 當監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, 在恆流階段, 通常採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, 可採用變流充電法.

　　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規律下降, 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, 克服了恆流/ 恆壓充電階段初期充電電流設置較小的缺點, 隨著充電繼續, 充電電流逐步減小, 因此, 可以將其原有的恆流充電階段用分段恆流充電的過程來代替, 達到提高充電效率.

　　在變流充電階段, 通過對電池狀態進行檢測,確定起始的電流進行恆流充電, 同時對電池狀態進行檢測, 當電池狀態達到該恆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,直至電池狀態達到設定的標準時, 終止變流充電,進入恆壓充電, 以確保電池完全充滿.

　　變流充電法的主要困難在於確定各階段恆流充電電流值, 選取適當的參數作為階段恆流充電終止的判斷依據.

　　在變流充電法中, 通過提高初始階段的充電電流來實現快速充電的目的. 但實際上, 充電電流過大會造成電池產生極化現象而縮短壽命. 為了在保證效率的前提下儘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生的極化情況進行比較, 提出了間歇充電和脈衝充電的方法.

　　1. 5 間歇充電法

　　間歇充電法是指在充電一段時間後增加一段間歇時間, 減少極化現象. 在間歇階段, 電解液析氣反應產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電壓升高, 消除歐姆極化,減小內阻, 使電池在接下來的充電過程中能夠接受更多的電量.

　　1. 6 脈衝充電法

　　在脈衝充電過程中, 在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎上, 用脈衝電流對電池充電, 充電電流時有時無, 充電狀態和暫停狀態相互交替. 脈衝充電方式有正脈衝充電和正負脈衝充電兩種方式, 在正脈衝充電方式中, 正脈衝空閒時間內, 電解液中的離子自由擴散, 減小了極化的加劇; 在正負脈衝充電方式中, 正脈衝空閒時間內加上了負脈衝, 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象.

　　2 本文採用的充電方式

　　對以上各種傳統充電方法的特點相比較可以看出, 每一種方法都各有優缺點. 電動汽車電池組對充電過程要求很高, 既要要求安全充電, 儘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點, 本文在傳統充電方式上做了變形和改進, 提出了限壓變流脈衝充電方法.

　　限壓變流脈衝充電方法的特點是, 將恆流/恆壓充電方式的恆流充電階段改為變流脈衝充電,這一階段電流的大小符合變流充電的特點, 初期電流較大, 儘量逼近充電可接受電流, 以保證電池獲得足夠電流, 同時,採用脈衝式充電電流, 有效抑制極化效應, 減緩電池內壓升高, 減小內阻. 後期採用恆壓充電方式, 以獲得過充電量.

　　3 研究電池組均衡充電的意義

　　電動汽車用鋰離子電池組通過多節鋰離子電池串聯以獲得高輸出電壓. 由於各單體電池在生產製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: 在生產過程中, 由於加工工藝等原因, 同批次電池的容量和內阻都可能存在差異; 使用過程中由於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, 長時間累積, 造成電池狀態的不平衡. 長期使用必將導致各電池的容量、內阻、端電壓等參數不均衡, 從而影響整個電池組的實際容量, 縮短壽命, 造成浪費, 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, 在電池荷電狀態已滿時, 若繼續充電,電池的電壓將繼續升高. 電壓過高會造成鋰離子在負極積累, 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, 電解液發生電解, 析出氫氣和氧氣, 伴隨著大量熱量的產生,電池溫度逐漸升高, 氫氣和氧氣有可能發生爆炸.因此, 鋰電池切不可過充電, 否則會給電池造成致命的損壞或造成安全事故. 實驗數據證明, 過充電將嚴重減少電池的充電循環次數.

　　因此, 在對串聯電池組進行充電時, 不能通過過充的方式使各單體電池達到性能均衡. 若以容量大的電池充滿為依據, 必然導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, 必然導致容量大的電池欠充電, 這兩種方式都不能達到均衡狀態. 同樣在放電過程中, 若以容量大電池放電結束為依據, 必然導致容量小的電池過放, 若以容量小的電池放電結束為依據, 容量大的電池的電量還將剩餘大部分電量,不能得到充分利用. 電動汽車電池組需要頻繁的充放電, 隨著充放電次數的增多, 將形成惡性循環, 各電池的不均衡將加劇, 造成整個電池組性能明顯惡化

　　.為應對以上問題, 就要在充電過程中, 通過某種方法, 使充電完成時電池組的所有電池都能充滿電, 達到均衡狀態, 實現均衡控制.

　　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、能量轉換式、能量轉移式.

　　能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進行放電來實現均衡. 常使用的方法是電流分流法. 分流法是將每一個電池並聯一個分流電阻, 並通過開關進行控制, 在充電過程中, 當某個電池電壓偏高時, 其分流開關閉合, 電池進行分流. 這種方法結構簡單容易實現, 缺點是分流電阻始終在損耗功率, 能效低, 而且產生熱量比較大. 電動汽車需要考慮能效的問題, 否則無法大規模推廣, 顯然, 這種均衡方法不適用. 能量轉換式主要有兩種, 一種是將電池組的整體電壓向飢餓的單體電池進行補充, 另一種是將單體電壓向整體電壓進行轉化. 常用的有線圈能量轉換法, 利用變壓器將能量補充給飢餓的電池, 有開關式、共享式、獨立式三種結構, 線圈能量轉換法對充電電流進行均衡, 充電速率很快, 但在大量電池串聯充電時, 其缺點就突顯出來了, 這時需要大量的變壓器, 磁場損耗大, 均衡設備的體積很大, 效率變低. 因此, 這種方法對電動汽車電池組充電也不適用.

　　能量轉移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進行傳遞, 在充電過程中, 電池組中容量低的電池端電壓會比其他電池高, 這時容量低的電池會對容量高的電池充電. 常用的有電容法和電感法.

　　電容式均衡電路是通過MCU 控制開關的切換, 先由電壓最高的電池向電容充電, 充滿後切換開關, 由電容向電壓低的電池充電, 並多次重複這個過程. 這種均衡電路的優點是結構簡單、體積可以做的很小, 缺點是需要大量的電力電子開關器件, 損耗大, 需要的時間也較長, 因此不適宜電動汽車電池組充電.

　　電感式相鄰均衡電路的原理是每一個電池都並聯一個電感, 檢測比較相鄰兩個電池B1、B2 的電壓, 若B1 電壓較高, 由MCU 控制PWM 輸出信號的佔空比來控制開關器件, 使B1 能量儲存在電感, 並對公共電容充電, 然後將能量傳送給B2;反之, 若B2 電壓較高, PWM 輸出的佔空比變化,使能量由B2 流向B1. 這種均衡電路的特點是效率高, 速度快, 體積小, 缺點是控制算法比較複雜.

　　通過對以上各種均衡方法的特點相比較, 本文認為電感式均衡電路較適用於電動汽車電池組充電均衡. 電動汽車電池組具有大規模串聯的特點, 因此, 本文在電感相鄰均衡電路的基礎上, 設計了大規模串聯電池組的電感式均衡控制電路( 如圖3) , 實現電池組內各電池之間的電量轉移,達到均衡的目的.

　　

 

　　系統中, 及時檢測電池組中各電池的狀態信息, 送入MCU 中, 通過算法處理, 控制PWM 的輸出, 驅動開關器件的導通和關斷. 當某個電池電壓較高時, 相應的開關器件導通, 電池將能量儲存到相應的電感中, 當開關斷開後, 能量轉移到下遊的電池, 多餘能量轉移到公共電容上並回饋給充電電路.

　　5 鋰離子電池組充電電路設計

　　在以上研究的基礎上, 本文設計了一種基於限壓變流脈衝充電方法的具有均衡功能的充電系統, 該系統採用MCU 進行控制, 對電池的電壓、電流、溫度等參數進行採樣, 送入MCU 中, 並通過一定的算法, 控制PWM 輸出信號的佔空比, 控制脈衝充電電流, 控制均衡電路的開關器件, 實現均衡充電, 該系統結構框圖如下.

　　

 

　　6 總結

　　本文在通過對多種傳統充電方式的研究, 綜合各種方式的優點, 提出了限壓變流脈衝充電方式, 使實際充電電流接近充電可接受電流, 縮短充電時間, 並有效防止極化, 快速、高效、安全. 同時,應對電池組中單個電池狀態不均衡的問題, 進行了均衡控制研究, 使電池組內電量相互轉移, 保證在充電結束時各電池達到均衡狀態, 並在此基礎上設計了電池組充電系統的結構.