鋰離子電池的快速、高效、安全充電技術(shù)

文/趙宗哲

鋰離子電池的快速、高效、安全充電技術(shù)

文/趙宗哲

隨著電池技術(shù)的更新?lián)Q代，鋰離子電池正在逐步的取代鉛酸電池成為新時(shí)代的儲(chǔ)能載體，但鋰離子電池固有的充電特性卻制約著在各行各業(yè)的大規(guī)模和深入化應(yīng)用。本文通過研究現(xiàn)有的充電技術(shù)及鋰電池的充電現(xiàn)狀，研究一種新型鋰離子電池充電技術(shù)，解決鋰離子電池的快速、高效、安全充電問題。

鋰離子電池 高效 安全 快速 充電

隨著蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，世界上對(duì)充電技術(shù)研究已經(jīng)有一百多年的歷史。到目前為止，現(xiàn)有的充電理論和充電技術(shù)無法有效解決蓄電池快速充電和高效充電的技術(shù)難題。本技術(shù)研究項(xiàng)目就是要針對(duì)鋰離子電池在快速充電和高效充電的難點(diǎn)進(jìn)行充電理論和充電創(chuàng)新技術(shù)研究。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的進(jìn)步，鋰離子蓄電池在新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?chǔ)能裝置-蓄電池的容量、充電速度、充電安全性等指標(biāo)要求越來越高，儲(chǔ)能裝置也由應(yīng)用百年的鉛酸蓄電池向鋰離子電池及其他新能電池轉(zhuǎn)變，而蓄電池充電技術(shù)直接關(guān)系著著蓄電池的循環(huán)使用。現(xiàn)廣為應(yīng)用的傳統(tǒng)充電技術(shù)主要有橫流充電、恒壓充電、三段涓流充電、多段涓流充電，還有新型的脈沖充電、無線充電等形式，但最終均無法解決充電速度快、大電流充電無損傷、高安全可靠性等問題和需求。例如，電動(dòng)汽車應(yīng)用的鋰離子電池組，衛(wèi)星采用28V、48V以及未來100V以上的鋰離子蓄電池組，船艦采用的動(dòng)力及啟動(dòng)電池組，飛機(jī)采用的啟動(dòng)及備用電池組，新能源儲(chǔ)能電池組等，均采用常規(guī)充電技術(shù)無法從真正意義上解決快速充電、高效充電、大電流安全充電的難題。本文就廣泛應(yīng)用的鋰離子電池的充電性能進(jìn)行研究，對(duì)現(xiàn)有常規(guī)充電技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，或?qū)で笮碌目焖佟⒏咝А踩某潆姺椒ā?/p>

1.1 現(xiàn)有充電技術(shù)存在的問題

（1）鋰離子電池充電方式主要采用傳統(tǒng)的“恒流充電”、“恒壓充電”、“恒流限壓”充電方式；其中為了達(dá)到快速充電的要求“恒流”選定大電流來充電，必然會(huì)造成電池發(fā)熱使得電池循環(huán)壽命降低并降低充電效率或使得鋰離子電池放電容量降低；

（2）通常的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋰離子電池充電電流值為0.2C-0.5C，這樣小電流充電無法達(dá)不到快速充電的目的；

（3）此外，這種依據(jù)恒定電流或恒定電壓靠時(shí)間來計(jì)算充電容量的控制方法必然還帶來電池組中個(gè)別單體電池過充電或欠充電，從而造成電池組提前失效或帶來安全性問題。

1.2 針對(duì)上述鋰離子電池快充存在的問題

充電技術(shù)須向快速充電、高效充電、充電裝置小型化和輕型化、有利于延長蓄電池的循環(huán)使用壽命、充電控制智能化等方向發(fā)展，這也就是本文討論的主題。

2 主要研究內(nèi)容

為研究更適合于鋰離子電池快速充電的技術(shù)，我們?cè)诰C合分析研究傳統(tǒng)充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，探究針對(duì)蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行充電的自適應(yīng)充電技術(shù)，以解決常規(guī)充電存在的瓶頸問題。主要研究內(nèi)容與技術(shù)和理論創(chuàng)新如下。

2.1 本文研究的主要技術(shù)內(nèi)容

2.1.1 快速充電方法技術(shù)研究

開展對(duì)鋰離子單體電池、電池組在不同充電速率下的試驗(yàn)研究，并與現(xiàn)在傳統(tǒng)的充電技術(shù)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2.1.2 快速充電技術(shù)與提高充放電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)聯(lián)技術(shù)研究

傳統(tǒng)的充電方法也能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，但是其充電效率較常規(guī)充電速率必然會(huì)顯著降低充電效率。而我們的研究目標(biāo)是在快速充電的同時(shí)，還要達(dá)到充電效率高的要求，針對(duì)傳統(tǒng)充電技術(shù)快速充電與充電效率高在傳統(tǒng)充電理論技術(shù)本身是矛盾的特點(diǎn)，通過新的充電技術(shù)研究，達(dá)到既要實(shí)現(xiàn)快速充電又要滿足充電效率高的要求。

2.1.3 快速充電技術(shù)與安全充電技術(shù)研究

傳統(tǒng)的充電技術(shù)，隨著充電電流的加大，蓄電池的內(nèi)部極化嚴(yán)重，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，從而進(jìn)一步引發(fā)電池的安全性問題的發(fā)生；更會(huì)給電池的充放電循環(huán)壽命降低以及容量衰降。因此，開展能量傳輸充電技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是通過試驗(yàn)達(dá)到同時(shí)滿足快速充電和安全充電的技術(shù)要求。

2.1.4 快速充電與鋰離子電池充放電循環(huán)之間影響關(guān)系的技術(shù)研究

該項(xiàng)技術(shù)研究與第1和第3項(xiàng)研究內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)充電技術(shù)一旦大電流快速充電，必然帶來充電效率低、電池溫度升高、電池容量衰降、電池充放電循環(huán)壽命明顯降低等后果，因此，采用能量傳輸充電技術(shù)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行快速充電技術(shù)研究的一個(gè)目的，就是既要快速充電還要保證鋰離子電池充放電循環(huán)壽命不降低、并能夠有效延長充放電循環(huán)壽命；

2.1.5 快速充電智能化控制技術(shù)研究

目前，傳統(tǒng)充電技術(shù)也可以智能化充電，如手機(jī)充電器應(yīng)該是一種智能化充電技術(shù)，但往往是針對(duì)1只電池或1組電池進(jìn)行充電，特別要指出的是在給由多只單體組合的電池組充電時(shí)，無法解決的電池組中個(gè)別單體電池的的過充電或欠充電的問題。我們開展此項(xiàng)研究的目的是：

（1）解決戰(zhàn)士的會(huì)用問題（智能到類似手機(jī)充電器的使用）；

（2）解決戰(zhàn)士在使用過程的耐用問題，可靠性高；第三解決組合電池中個(gè)別單體電池過充電或欠充電的問題，對(duì)其進(jìn)行有效的控制。

3 技術(shù)和理論創(chuàng)新

（1）開展自適應(yīng)充電技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)快速充電目的。把電體電池溫升參數(shù)、電池組循環(huán)壽命參數(shù)和充放電效率參數(shù)作為考核新技術(shù)創(chuàng)新的驗(yàn)證指標(biāo)，即要達(dá)到與現(xiàn)役充電技術(shù)比較電池溫升顯著下降、電池組循環(huán)壽命延長、充放電效率高的目標(biāo)。

（2）開展電力能量數(shù)字傳輸充電技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)快速充電理論創(chuàng)新。根據(jù)蓄電池當(dāng)前狀態(tài)性能特征，能適時(shí)精確計(jì)算蓄電池的充電參數(shù)值。從而實(shí)現(xiàn)充電值變量函數(shù)能夠快速充電的同時(shí)，又能保證電池組中均衡充電并做到既不過充又不欠充。

（3）開展充電新技術(shù)理論研究。本文論述的充電技術(shù)與初始狀態(tài)及充電過程與蓄電池電壓無關(guān)，既可防止了蓄電池因?yàn)殡S各充電階段或環(huán)境溫度等條件變化引起的蓄電池電壓變化，造成無法準(zhǔn)確設(shè)置充電參考量而損壞蓄電池的現(xiàn)象出現(xiàn)；又能適應(yīng)落后電池的保護(hù)性修復(fù)充電，可使落后電池迅速恢復(fù)性能與正常電池趨于一致而進(jìn)入正常充電狀態(tài)，使得充電過程的控制與充電電流和被充電電池電壓無關(guān)，這將會(huì)產(chǎn)生顛覆世界充電理論的原始重大技術(shù)創(chuàng)新。

（4）開展蓄電池充放電中各項(xiàng)特征微變量信息識(shí)別技術(shù)研究和精確計(jì)算技術(shù)研究。通過識(shí)別被待充電電池和在整個(gè)充電過程被充電電池的各項(xiàng)特征微變量信息參數(shù)，充電系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行精確的函數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)自適應(yīng)被充電電池性能變化，精確確定所充蓄電該時(shí)段最佳充電參數(shù)值，完成蓄電池充電全過程中各階段所需的變量信息計(jì)算。 從而杜絕了單體電池過充電和欠充電的問題，這種識(shí)別技術(shù)和精確計(jì)算技術(shù)又是世界充電理論和技術(shù)的一大獨(dú)有創(chuàng)新。

（5）開展零應(yīng)力高頻軟件變流技術(shù)研究。其主要功能是根據(jù)蓄電池當(dāng)前性能確定高頻大電流脈沖的頻率和幅度。

（6）開展采用無鐵芯無繞組電力數(shù)字傳輸技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)大電流充電。其主要功能是根據(jù)蓄電池當(dāng)前性能大電流脈沖，使其充電過程既能達(dá)到快速充電又能保證蓄電池內(nèi)部極化減小使電池溫升降低，從而達(dá)到安全充電的目的。

（7）開展自主研發(fā)的高性能嵌入式軟件系統(tǒng)研究。

開展采用了無鐵芯無銅線變壓器新技術(shù)研究，以提高系統(tǒng)效率。

（8）開展智能全自適應(yīng)充電技術(shù)模式研究。不需要充電工作人員作任何設(shè)置，防止因設(shè)置錯(cuò)誤而損壞蓄電池。

4 綜述

隨著鋰離子電池快速充電技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)日新月異，本文通過宗傳統(tǒng)充電技術(shù)的分析，加之自主研究內(nèi)容分析和論述，提供一種基于自適應(yīng)快速充電技術(shù)的充電方式，希望能解決鋰離子電池快速、高效、安全充電難題，真正的從技術(shù)上解決鋰電池充電的技術(shù)瓶頸，加快應(yīng)用裝備的商業(yè)化進(jìn)程和促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

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作者單位 宇能電氣有限公司 河北省保定市 071051