鋰離子動力電池脈沖快速充電實驗研究

潘盛輝，丁修乘，郭毅鋒

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

鋰離子動力電池脈沖快速充電實驗研究

潘盛輝，丁修乘，郭毅鋒

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

為了滿足電動車用鋰離子動力電池快速高效充電的要求，根據馬斯三定律提出了一種大電流帶負脈沖充電方法作為電池的快速充電方式。通過大量實驗，證實了帶負脈沖形式的大電流脈沖充電是一種能明顯減小極化效應、縮短充電時間、快速高效的充電方式，并且通過實驗確定了放電負脈沖的幅值和寬度最佳值。結合放電負脈沖參數值對10 Ah/3.2 V鋰離子動力電池進行充電實驗，在充電量不低于90%的前提下，比常規大電流恒流充電速度提高了32.85%，達到了快速高效充電的目的。

鋰離子動力電池；負脈沖；快速充電

動力電池作為電動汽車動力源，其性能直接關系到電動汽車的續駛里程、使用壽命等問題。鋰離子動力電池的性能和使用壽命與動力電池的充電方法有著密切的關系，選擇合理的快速充電方法對鋰離子動力電池的使用有著十分重要的意義[1]。目前恒流充電、恒壓充電[2]、分段式恒流恒壓充電[3]等方法廣泛運用在充電設備中。這些充電方法，所設定的充電電流相對較小，整個充電過程所需的時間較長，不能很好地起到快速充電的作用。為了實現快速充電，應采用大電流方式進行充電，但是簡單的大電流充電不能使電池達到充滿狀態，同時還會損傷電池、縮短電池使用壽命。因此，本文根據電池快速充電基本理論，結合充放電實驗，提出了大電流帶負脈沖充電方法，以實現鋰離子動力電池的快速充電。

1 脈沖快速充電基本理論

鋰離子動力電池充電過程總是受到其電化學反應所產生的極化效應的影響，主要極化表現為電化學極化、濃差極化和歐姆極化等。由于極化效應的存在，電池本身固有的可接受充電電流按一定形式衰減，因此使得鋰離子動力電池無法接受長時間大電流充電，從而表現為充電速度減慢。

根據美國學者馬斯研究所得理論，電池在充電過程中適當的停充或大電流放電，可以使充電速度得到改善，其提出的馬斯三定律為快速充電提供了重要的理論依據。

第一定律：對于任意給定的放電電流，電池充電接受率與放電容量的平方根成反比。即：

式中：α為充電接受率；C為放電容量；K為常數；I0為充電初始電流。

由式(1)可知，電池放電深度不同，充電時的可接受能力發生變化。由式(2)可知，電池的放電深度越深，充電時可接受更大的初始電流值。

第二定律：對于任意給定放電深度，電池的充電接受率與放電電流的對數成正比。即：

由式(3)可知，電池放電率不同，充電時的可接受能力發生變化。由式(4)可知，電池的放電電流越大，充電時電池對于電流的接受能力就越強。

第三定律：電池經幾種放電率放電，其接受電流是各種放電率下接受電流之和。即：

馬斯三定律揭示了充電時蓄電池對電流的可接受能力與放電量之間的關系。通過對馬斯三定律的分析可知，在鋰離子動力電池充電的過程中，進行一定深度的放電，可以提高電池的充電電流接受能力，從而加快電池的充電速度。

2 脈沖快速充電實驗研究

電動車用鋰離子動力電池對充電過程要求嚴格，要求在保證充電安全和不影響使用壽命的前提下實現快速、節能、高效充電。本文結合馬斯三定律，在恒流恒壓充電過程中加入放電負脈沖電流，用以減小充電過程中的極化效應，提高電池大電流充電接受能力，從而提高充電速率，縮短充電時間。

2.1 鋰離子動力電池測試實驗系統

鋰離子動力電池測試實驗采用Stropower動力電池測試系統XP-EVBT-BS-100-150，最大容量為100 V/150 A。該測試系統能夠測量和記錄電流、電壓、溫度等參數，數據采集和最小記錄周期為250 ms。測試系統提供了編寫電池測試程序的環境，測試程序最大可設200階段。電池測試系統原理結構如圖1所示。

圖1 電池測試系統原理結構框圖

本文中被測電池為國產某公司10 Ah/3.2 V磷酸鐵鋰動力電池，電池的充電上限電壓為3.65 V，放電下限電壓為2.5 V。電池的性能和循環使用壽命、安全性與溫度有著密切的聯系，因此在電池充放電過程中應嚴格控制其溫度。電池溫度的變化是由本身內部的化學反應所造成的，溫度的測量應采集電池內部溫度。但由于電池外圍結構和封裝的限制，內部溫度的采集比較困難。因此，本文選用多點采集電池外部溫度求平均值的方法來確定電池的溫度。

2.2 脈沖快速充電法參數實驗

為了體現鋰離子動力電池脈沖充電的快速性和可行性，進行了一些對比實驗。將電池所有電量完全放電后，分別以10、18 A電流恒流充電，18 A充電電流加入幅值為5 A放電電流進行充電的結果如圖2所示。

圖2 帶放電負脈沖的充電效果曲線

從圖2中可知，加入放電負脈沖的充電方式，對充電效果和充電時間有明顯的改善。10 A恒流充電，在電池達到截止電壓時，所能充進的電量為10.585 Ah，充電所用時間為3 820 s；18 A恒流充電，充進的電量為9.261 Ah，所用時間為1 854 s；而加入放電脈沖的充電方式則能充入電量為10.253 Ah，所用時間為2 565 s。比較三種充電方式可知：18 A恒流充電方式電池電壓在相對較短的時間內達到了充電截止電壓，表明過大的充電電流會使得電池的極化效應加劇，不利于電池對大電流的接受；加入反向放電脈沖的充電方式，可以減緩極化效應，提高電池對大電流的接受能力，使電池達到截止電壓的時間延長了38.35%，充入電量增加了10.71%；加入反向放電脈沖的充電方式與10 A恒流充電方式比較，充電時間縮短了32.85%，但充入電量減少了3.14%。

為了驗證三種充電方法實際充入的電量，進行了相同方式下的放電實驗。以10 A電流恒流放電，直至電池電壓為2.5 V，得到的放電數據如表1所示。

表1 不同充電方式在相同放電條件下的放電情況統計

從表1可知，加入放電負脈沖的充電方式雖然比10 A恒流充電方式少充入3.14%電量，但實際放電量相當，而加入放電負脈沖的充電方式放電效率高于10 A恒流充電方式。說明加入放電負脈沖的充電方式在確保充電電量的前提下可以有效地縮短充電時間，提高充電速率。

2.2.1 放電負脈沖幅值實驗

鋰離子動力電池在大電流恒流充電過程中，適當的加入放電負脈沖可以有效地消除或抑制電池的極化效應。放電負脈沖的幅值是關鍵的參數之一，為了探尋合適的負脈沖幅值，采用了不同負脈沖幅值進行充電實驗。

實驗在完全放電的情況下，電池的電壓為2.85 V。充電電流為18 A，放電負脈沖幅值分別設為-7、-5和-3 A，進行充電實驗。相關實驗曲線和數據如圖3、圖4和表2所示。

圖3 不同幅值放電負脈沖充電效果曲線

圖4 不同幅值放電負脈沖充電截段效果

表2 不同幅值放電負脈沖充電數據統計

從表2可知，放電負脈沖幅值為-5 A的充電方式，在充電時間上沒有放電負脈沖幅值為-3 A的充電方式短，在改善電池極化效應的效果上沒有放電負脈沖幅值為-7 A的充電方式好，但就其充電時的溫升、放電容量以及放電效率上都是三種方式中最好的。其原因是，該幅值的放電脈沖在一定程度上很好地平衡了電池充放電過程。因此，根據實驗數據，針對測試電池，放電負脈沖幅值為-5 A的充電方式為最佳選擇。

2.2.2 放電負脈沖寬度實驗

充電過程中加入適當時間的負脈沖，可以有效地消除或抑制極化效應，延長大電流充電持續的時間。因此放電負脈沖的脈沖寬度也是一個很關鍵的參數。放電負脈沖寬度的設定，要考慮到電池本身的化學反應速度。放電脈沖寬度過窄，電池還未來得及反應，放電脈沖就已結束，這樣就不能起到改善電池極化效應的目的。放電脈沖寬度過寬，雖能達到改善電池極化效應的目的，但是增加了整體的充電時間，這與快速充電的原則相違背。因此，放電脈沖寬度具體設定，是研究脈沖快速充電的重要內容。

根據馬斯三定律原理，結合電池手冊數據參數，實驗采用18 A充電電流，充電脈沖寬度為50 s，分別用脈沖寬度為5、6、7、8、9 s對鋰離子動力電池進行充電實驗[4]。同時為了驗證實際充電電量，每次充電結束后靜置3 h再對電池進行恒流放電實驗。充放電實驗得到的數據如圖5、圖6和表3所示。

圖5 不同放電脈沖寬度下充電效果曲線

圖6 不同放電脈沖寬度下充電截段效果

表3 不同放電脈沖寬度下充電數據統計

從表3可知，當放電負脈沖小于7 s時，充電到達截止電壓的時間、負脈沖放電前后電壓降以及充入電量隨放電脈沖寬度增加而增加。這是由于充電過程中，放電脈沖時間越長，對電池極化效應改善越明顯，同時整個充電過程溫升也就越低。當放電負脈沖大于7 s時，放電脈沖寬度逐漸增加，充電到達截止電壓的時間隨著增加，但負脈沖放電前后電壓降以及充入電量并不是隨之增加。這是因為一定幅值的放電負脈沖對改善電池極化效應是有限的，放電脈沖寬度過寬將導致累計放電時間變長，同時累計放出電量隨之增多，從而表現出充電時間長但充入電量少的現象；另外隨著大電流充電時間增加，電池的溫升也逐漸增加。因此，放電脈沖寬度從5 s增加到9 s的過程中，電池充電時間是隨寬度的增加而逐漸變長，電池充電過程的溫升、充入的電量、負脈沖放電前后的電壓降以及放電容量表現為先增大后減小的趨勢。

基于實驗數據與理論計算，綜合充電時間、充入電量、溫升、放電容量以及放電效率等因素，選擇放電脈沖寬度為7 s最為合適。

2.3 脈沖快速充電法充電效果分析

選取10 Ah/3.2 V鋰離子動力電池作為實驗對象，按完全充電狀態電池的實際放電量為基準，用10 A電流進行不同深度放電，使電池處于不同荷電狀態(SOC)。采用放電負脈沖幅值為-5 A，寬度為7 s的帶負脈沖充電方式進行充電，分別記錄充電時間和放電量。實驗結果如表4所示。

表4 不同荷電狀態下充電效果統計

由表4可知，放電負脈沖幅值為-5 A，寬度為7 s的帶負脈沖充電方式在不同SOC狀態下，充電時間隨SOC增加而減少，符合真實變化情況。從放電容量看，放電容量變化甚微，說明該充電方式適應于不同SOC條件下的充電。

在SOC為零時，該充電方式在確保充電容量和放電容量達到要求的前提下，比10 A恒流充電在時間上縮短了1 255 s，充電速度提高了32.85%。

3 結論

通過理論計算與實驗數據分析可知：鋰離子動力電池在大電流充電過程中加入適當的放電脈沖，可以有效地減緩極化效應，提高電池充電過程中大電流的接受率，從而縮短充電時間，加快充電速度。本文以10 Ah/3.2 V鋰離子動力電池為實驗對象，確定放電脈沖幅值為-5 A，放電寬度為7 s的帶負脈沖充電方式對電池進行充電實驗，其結果表明該方法在不到44min的時間內，使電池電量達到90%以上，充電速度比常規大電流充電提高了32.85%。

[1]何秋生,徐磊,吳雪雪.鋰電池充電技術綜述[J].電源技術，2013，37(8):1464-1466.

[2]張彥琴,劉漢雨,盧明哲.鋰離子電池充電方法及其評價指標[J].電池工業，2013，18(3/4):99-102.

[3]王鴻雁,李廣凱,江政昕,等.鋰離子電池快速充電方法研究[J].電源技術，2012，36(11):1616-1619.

[4]郭毅鋒,王志福,黃麗敏.礦用鉛酸動力電池帶負脈沖放電的快速充電方法研究[J].煤礦機械，2012，33(9):75-77.

Experimental study on pulse fast charging of lithium-ion battery

In order to achieve the requirements for quickly and efficiently charging of lithium-ion battery used in electric vehicle,according to Mas three laws,the high current charging method with negative pulse was introduced as one of the fast charging methods.A great number of tests show this charging method can effectively eliminate polarization effects and shorten the charging time.The optimal value of the amplitude and the width for the discharge negative pulse is determined.The charging experiments were conducted for the 10 Ah/3.2 V lithium-ion battery by using the parameters of the discharge negative pulse.The results show that the speed increases by 32.85% compared with conventional high-current constant current charging in 90%of the amount of charge provided, achieving the purpose of fast and efficient charge.

lithium-ion battery;negative pulse;fast charge

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1172-04

2015-12-09

國家自然科學基金 (51407038)；廣西自然科學基金(2013GXNSFBA019241)；廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室基金項目(13-051-38，2013KFMS02)

潘盛輝(1971—)，男(侗族)，廣西壯族自治區人，碩士，副教授，主要研究方向為車輛動力學與控制、新能源汽車技術。