電動汽車用磷酸鐵鋰電池充電特性的分析*

胡銀全，劉和平，劉 平，張 毅

(重慶大學，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400030)

前言

發展電動汽車是改善城市環境的最有效措施，也是消除能源危機的重要途徑和國家安全的戰略[1]。磷酸鐵鋰動力電池具有超長壽命、使用安全、大容量和綠色環保等其它動力電池無法比擬的優點，問世以來一直就是研究的熱點[2－4]。在理論上，單節磷酸鐵鋰電池循環充放電2 000次時，還可保持80%以上的容量。但在實際使用中，由于受荷電狀態、充電電流和溫度等因素的影響，磷酸鐵鋰動力電池的循環壽命往往低于2 000次。因此，目前混合動力汽車、純電動汽車中使用的主要還是鉛酸動力電池、鈷酸鋰動力電池和錳酸鋰動力電池等[5－6]。

文獻[7]中研究了充電截止電壓和充電溫度對鋰離子動力電池的影響;文獻[8]中對磷酸鐵鋰電池容量衰減機理做了比較分析。文獻[9]和文獻[10]中的研究表明，鋰離子電池充電截止電壓越高，動力電池循環壽命越短;溫度越高，單節動力電池容量衰減越快。而文獻[11]和文獻[12]中則指出，動力電池組的連接方式與擺放位置和充放電倍率等也對動力電池的循環壽命有影響。

本文中將對單節磷酸鐵鋰動力電池進行不同電流、不同放電深度(depth of discharge，DOD)和不同充電截止電壓等情況下的充電實驗，并對不同狀態下動力電池的充電特性進行分析和研究。提出了一種根據磷酸鐵鋰動力電池的充電特性來設置充電方式的方法。

1 實驗

對200A·h/3.2V的單節磷酸鐵鋰動力電池進行實驗。電池技術參數如表1所示。在室溫(25℃)下，用功率電阻對動力電池進行恒電阻放電，用充電機對動力電池進行充電，充電電流采用手動方式進行設置。

表1 200A·h磷酸鐵鋰動力電池技術參數

1.1 不同充電電流下動力電池充電實驗

為研究磷酸鐵鋰動力電池在不同充電電流下的充電特性，在動力電池放電深度為1(動力電池能量全部放完)時，對動力電池分別進行了20、40、60、80和100A的恒流-恒壓(constant current-constant voltage，CC-CV)充電實驗。充電截止電壓為3.75V，當充電電流下降到6A時，充電完成。不同充電電流下的充電實驗曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，動力電池充電電壓平臺隨著充電電流的增加而升高，如充電電流20A時，充電電壓平臺約3.38V，充電電流100A時，充電電壓平臺約3.45V。在恒流充電階段，隨著充電電流的增加，動力電池的充電時間不斷縮短。在恒流充電末期，不同充電電流下，動力電池電壓的上升率基本相同。

1.2 不同放電深度下動力電池充電實驗

為研究在不同放電深度下動力電池的充電特性，在放電深度按 1、0.8、0.6、0.4、0.2 的順序依次減小和按 0.2、0.4、0.6、0.8、1 的順序依次增大的情況下，對動力電池進行了恒流-恒壓充電，恒流電流值80A，恒壓電壓值3.65V，當充電電流下降到6A時，充電完成，充電曲線分別如圖2和圖3所示。再將圖2和圖3合并在一起就得到不同放電深度下的充電曲線比較，如圖4所示。

從圖2和圖3可以看出，在恒流充電階段，動力電池充電電壓平臺隨著放電深度的減小而降低。從圖4可見，當放電深度從1到0.2和從0.2到1進行充電時，在相同的放電深度下(如放電深度為1和0.2)，動力電池的充電曲線基本重合，但在放電深度為0.4、0.6和0.8時，相同放電深度下動力電池的充電曲線差異較大。

1.3 不同充電截止電壓下動力電池充電實驗

為研究在不同充電截止電壓下動力電池的充電特性，在動力電池放電深度為1時，對動力電池進行了恒流-恒壓充電，恒流電流值80A，恒壓電壓值分別為3.50、3.55、3.60、3.65、3.70、3.75 和3.80V，當充電電流下降到6A時，充電完成。不同充電截止電壓的充電實驗曲線如圖5所示。

由圖可見，在恒流充電階段，動力電池在不同截止電壓下的充電曲線基本重合。在恒壓階段，動力電池充電時間隨充電截止電壓的升高而減小。

1.4 動力電池充電效率實驗

為研究磷酸鐵鋰動力電池的充電效率，對動力電池進行了5次循環充放電實驗。放電方式:先采用小電阻對電池進行大電流放電，當電池電壓下降到2.50V時，靜置6min，再對電池進行小電流放電，當電池電壓再次下降到2.50V時，停止放電。充電方式:采用恒流-恒壓充電，先恒流充電，充電電流60A，當電池電壓上升到充電截止電壓3.75V時，開始進行恒壓充電，當充電電流降到6A時，充電完成。其中1次的動力電池充放電實驗曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，在恒流充電初期，電池電壓上升較快，在恒流充電中期，電池電壓變化緩慢，電池充電電壓平臺大約3.42V，在恒流充電后期動力電池電壓上升也較快，電池的恒壓過程時間較長。在動力電池恒電阻放電過程中電池放電電流隨放電電壓的降低而降低。

2 結果及討論

2.1 不同充電電流下動力電池的充電實驗

對不同充電電流下動力電池的充電過程進行了比較研究，結果如表2所示。

表2 不同充電電流下的充電過程比較

從表2可以看出，以充電電量來分析，在恒流充電階段，動力電池充入電量隨著充電電流的增大而有所減少，但減少的幅度不大，在恒壓充電階段則動力電池充入電量隨著充電電流的增大而增加。在整個恒流-恒壓階段，動力電池充入電量隨著充電電流的增大逐漸減少，但減少的幅度很小。以充電時間分析，在恒流充電階段，動力電池充電時間隨著充電電流的增大而逐漸縮短，在恒壓階段充電時間則相差不大。在整個恒流-恒壓充電過程中，動力電池充電時間則隨著充電電流的增大而縮短。

從上面的分析可以得出，電池在小電流充電下，恒流階段充入電量較多，但充電時間較長。電池在100A大電流(0.5C)充電下，恒流階段充入電量減少，但可大大縮短充電時間，而且恒流階段可充入容量的90%以上。因此，利用大電流對電池進行充電，可以起到快速充電的目的。

2.2 不同放電深度下動力電池的充電實驗

對不同放電深度下動力電池的恒流-恒壓充電過程進行了比較研究，結果如表3所示。

從表3可以看出，以充電電量分析，在恒流充電階段，動力電池充入電量隨著放電深度的減小而減少，恒壓充電階段動力電池充入電量也隨著放電深度的減小而減少。在整個恒流-恒壓階段，動力電池充入電量隨著放電深度的減小而逐漸減少。以充電時間分析，在恒流充電階段，動力電池充電時間隨著

表3 不同放電深度下的充電過程比較

放電深度的減小而縮短;在恒壓階段，動力電池充電時間也隨著放電深度的減小而縮短;在整個恒流-恒壓充電過程，動力電池充電時間也隨放電深度的減小而縮短。

從以上分析可以得出，動力電池充電電壓平臺隨著放電深度的減小而降低，且在充電末期，動力電池電壓上升率隨著放電深度的減小而增加。在恒流充電結束時，動力電池均充入了容量的90%以上。因此，為了保護動力電池，可考慮在相同充電電流下，動力電池充電截止電壓隨著放電深度的減小而降低。這樣既可以在恒流階段進行快速充電，又可以減小動力電池的充電截止電壓，從而減小動力電池容量衰減的步伐，延長動力電池的循環壽命。

2.3 不同充電截止電壓下動力電池的充電實驗

對不同充電截止電壓下動力電池的充電曲線進行了比較研究，結果如表4所示。

表4 不同充電截止電壓下的充電過程比較

從表4可以看出，以充電電量分析，在恒流充電階段，動力電池充入電量隨著充電截止電壓的升高而逐漸增加，恒壓充電階段動力電池充入電量則隨著充電截止電壓的升高而減少。在整個恒流-恒壓階段，動力電池充入電量隨著充電截止電壓的升高而增加，但增加量很少。以充電時間分析，在恒流充電階段，動力電池充電時間隨著充電截止電壓的升高而增加，在恒壓階段，動力電池充電時間則隨著充電截止電壓的升高而縮短。在整個恒流-恒壓充電過程，動力電池充電時間隨著充電截止電壓的升高而縮短。

從上面的分析可以得出，動力電池在80A恒流充電下，恒流階段充入的電量隨著充電截止電壓的升高而增加，但充電截止電壓提高到3.60V以后，在恒流階段充入的電量隨著充電截止電壓的升高增加量卻很少。在恒流充電結束時，動力電池均充入了容量的90%以上。

2.4 動力電池的充電效率實驗

對動力電池其中1次的充放電實驗(圖6)數據進行了比較分析。動力電池的充電效率見表5。

表5 動力電池的充電效率

從表5可以得出，磷酸鐵鋰動力電池的充電安時效率非常高，能達到99%以上。這是因為鋰離子動力電池在充放電反應中，鋰離子在正負極之間來回轉移，即外部有1庫侖的電子通過，內部幾乎就有1庫侖的鋰離子轉移。而磷酸鐵鋰動力電池能量衰減非常緩慢，所以在一個循環內，動力電池的安時效率非常高。而磷酸鐵鋰動力電池的充電能量效率要低一些，大約在91%。這是由于動力電池的充電電壓平臺與放電電壓平臺相差較大(圖6)，電池充電電壓平臺約3.42V，放電電壓平臺約3.20V。所以磷酸鐵鋰電池充電能量效率低于充電安時效率。

2.5 動力電池的充電方法

通過實驗分析得出，如果采用常規的恒流-恒壓充電方法對磷酸鐵鋰動力電池進行充電，電池充電截止電壓是一個定值。在不同的狀態下用常規的充電方法對動力電池充電可能降低動力電池的充電速度或影響動力電池的循環壽命。因此須根據動力電池的實際狀態和充電需求選擇相應的充電方法，以延長動力電池的循環壽命。而當動力電池組串聯使用時，根據單節動力電池的狀態來控制動力電池組的充電過程，有利于保護單節動力電池，在延長單節動力電池循環壽命的同時也延長了動力電池組的循環壽命。

根據充電需求，一般動力電池或動力電池組充電過程分快速充電和常規充電?？焖俪潆娛侵冈诙虝r間內(1h內)充入動力電池容量的90%以上，適合于白天須快速充電的場合;常規充電是指采用小電流進行恒流-恒壓充電，充電完成時，動力電池充入容量的100%，適合于夜間利用市電慢速充電。從動力電池的充放電特性可以得出，常規充電過程控制比較簡單，利用夜間時間比較長的特點，采用0.2C電流對動力電池進行恒流-恒壓充電，當充電結束時，動力電池能充入容量的100%。

從磷酸鐵鋰動力電池充電特性分析可以得出，大電流快速充電過程須根據動力電池的狀態進行控制。由動力電池在不同放電深度下的充電特性可以看出，在恒流充電后期，動力電池在不同放電深度下的充電曲線并不一樣。動力電池充電電壓平臺隨著放電深度的減小而降低，且在充電末期，動力電池電壓上升率隨著放電深度的減小而增加。在恒流充電結束時，動力電池均充入了容量的90%以上。因此，本文中提出的根據放電深度來設定充電截止電壓，即隨著放電深度的減小而減小充電截止電壓，比如當放電深度為1時，充電截止電壓設置為3.70V，放電深度為0時，充電截止電壓設置為3.50V。然后在放電深度1到0之間，充電截止電壓設置為3.70V到3.50V不等。通過這種方法既可對動力電池進行大電流快速充電，又可減小對動力電池損壞的危險，從而延長動力電池的循環壽命。通過磷酸鐵鋰動力電池充放電實驗，驗證了該方法的正確性和可行性。

3 結論

在室溫下對磷酸鐵鋰動力電池進行了不同充電電流、不同放電深度以及不同充電截止電壓下的充電實驗。結果表明:當放電深度為1時，在小電流充電下，動力電池在恒流階段充入電量較多，但充電時間較長;在大電流充電下，動力電池在恒流階段充入電量較少，但可大大縮短充電時間，且可充入容量的90%以上;當放電深度不同時，動力電池充電電壓平臺隨著放電深度的減小而降低，且在充電末期，動力電池電壓上升率隨著放電深度的減小而增加。

本文中提出的根據磷酸鐵鋰動力電池的充電特性和充電需求來選擇合適的充電方式的方法，不僅適用于單節磷酸鐵鋰動力電池，也適用于磷酸鐵鋰動力電池組。該方法既可以對磷酸鐵鋰動力電池進行大電流快速充電，又可以減緩動力電池容量衰減的速度，從而延長了動力電池的循環壽命。

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