電動汽車鋰電池快速充電方法研究

郭輝

摘要：近年來伴隨著人們環保意識的提升，綠色出行成為了越來越多人的選擇，但是電動汽車在推廣的過程中面臨著很多技術問題，最為重要的就是鋰電池快速充電方法方面的研究。鋰電池作為目前最具發展潛力的動力電池，在現階段的發展過程中存在著充電速度較慢和安全性相對匱乏等問題。本文對集中較常應用的電動汽車鋰電池充電方法進行闡述和分析，并對其今后的發展趨勢做出適當地分析。

關鍵詞：電動汽車;鋰電池;快速充電

0 ?引言

隨著經濟多年來的高速發展，各國的能源消耗量與日俱增，逐漸出現了能源緊張的問題，可運用到生產中的化石能源也越來越少。受全球變暖的影響，各國也都推出了相應的應對政策，提倡節能減排，嚴格控制碳排放量。在這種社會背景下，節能又環保的電動汽車慢慢地進入了人們的視野，成為了交通領域研發的主要對象。動力電池作為電動汽車研發中的最重要的一環，電池性能的好壞直接影響到電動汽車的續航力和使用壽命。經過多次研究和比較，鋰電池相對其他動力電池擁有更好的性能，相同質量的鋰電池所蘊含的能量是石鉛酸電池和鎳氫電池的數倍之多。同時相較于傳統電池，鋰電池擁有重量輕、可用周期長、續航力持久、綠色環保等優勢。與此同時，其放電曲線也相對平緩，放電期的功率也相對平穩。我國鋰資源儲備量豐富，生產鋰電池相對方便，對電動汽車的推廣可以起到一定的輔助作用。

1 ?電動汽車中常用的鋰電池種類

1.1 水溶液鋰電池

金屬鋰薄片表面被特殊材質的復合膜緊緊包覆，然后將其放于PH值適中的溶液內，產生的物質會和鋰電池中自有的尖晶石錳酸鋰相互反應融合，就可以得到充電、放電電壓分別為4.2V和4.0V的水溶液鋰電池。該鋰電池的能量效率極高，可高達95%，實際能量密度不小于220瓦時/公斤，裝備此款鋰電池的電動汽車，在均速行駛下，持續行駛距離可突破400公里，續航力得到了很大的提升，充電時間也大幅度減少。

1.1.1 水溶液鋰電池應用原理

其應用原理具體如下，其包裹在外的復合膜成分中主要由GPE和LISICON膜兩部分構成。其中LISICON膜起到的主要隔離作用，作為一種固體電解質，可以有效地抵擋水分子和其他質子、離子的通過。GPE則是一種三明治構造，可以吸收多余的電解液，性質穩定不易與鋰金屬產生反應。GPE可以通過形成電勢差來將LISICON膜和金屬鋰薄片分隔開。三明治結構的復合膜只允許鋰離子通過，確保其運行穩定性，需要注意的是GPE的特有粘性和LISICON的結構可以抑制鋰枝晶的形成。哪怕偶爾有鋰枝晶產生，也無法穿過LISICON膜，其安全性和可循環性不受影響。

水溶液鋰電池中含有的水溶液電解質擁有較高的比熱容，具有良好的吸熱性。在電動汽車的充過程中，應用水溶液鋰電池產生的溫度較低，可以極大地提升電池的安全性。舉例來講，如果在充電過程中電池系統中的GPE和LISCION膜產生磨損，那么水會直接碰觸金屬鋰薄片。二者相互反應會于金屬鋰薄片表面生成LIOH膜，阻止繼續發生反應現象，形成LIOH膜時產生的H2含量極少，無須擔心火災的產生。產生的H2也會隨著內部的空氣流動直接排放到空中，可以有效解決傳統電池充電過程中易發生爆炸的問題。

1.1.2 水溶液鋰電池快速充電的方法

水溶液鋰電池經過嚴格的優化設計，即使將電解質替換成水溶液電池依舊擁有出色的能量密度，安全性和可循環性也可以得到良好的保留。制作有機電解質的技術及其復發，投資和人力投入都相對較大，替換成水溶液會極大地降低生產成本，與此同時，新型水溶液更具有優良地環境友好性，更加貼合當下綠色環保的發展觀念。用水溶液代替傳統電解質的又一好處是可以提升鋰離子的遷移速度。傳統有機電解質中的聚合物粘度相對較大，在一定程度上阻礙了鋰離子的遷移。通過數據我們可以得知，二者的遷移速率相差倍數可達一百倍，這也就意味著在10秒內就可完成鋰電池的充電工作。

1.2 石墨烯表面鋰離子交換電池

石墨烯表面鋰電池兼具鋰電池和超級電容的優勢，其在高功率密度等方面遠超普通鋰離子電池，功率密度最高可至100千瓦/kg。功率密度的大小直接影響著能量轉移率，100千瓦/kg的功率密度可大大縮短充電時間。

1.2.1 石墨烯表面鋰電池的應用原理

石墨烯表面鋰電池自身的陰陽兩極配有大面積的石墨烯表面，可直接與液體電解質進行接觸，借助氧化還原反應，石墨烯表面鋰電池可以迅速地收集鋰離子。在首次放電過程中，鋰電池陰極產生的鋰離子以液體電解質為通道，移動至充滿納米元素的陽極，最終遷移至石墨烯鋰電池表面。由于陽極設計采用的是納米結構，所以其擁有較大的表面積，為鋰離子的高速率沉積提供了有益的條件，沉積后的鋰離子也會構建起全新的陰陽化學勢。在多次的反復循環之后，可以實現鋰離子在電極表面進行轉換，一改傳統鋰離子易在電池兩級嵌入和脫落的問題。

1.2.2 石墨烯表面鋰電池實現快速充電的方法

以當前應用的較為普遍的鋰電池為例，兩極上附著很多細小的微孔結構，微孔的數量也直接影響著可嵌入的鋰原子數量，微孔數量越多電池容量也就越高。但是從正極表面脫離的鋰離子遷移到負極需要消耗大量的時間，這也是當前絕大部分鋰離子電池充電較慢的原因。石墨烯表面鋰電池正負兩極交換鋰離子時可以不借助通道遷移，直接在表面完成轉換工作，這一技術的突破極大地縮短了充電時間。通過對能量儲存性能進行對比，裝備石墨烯表面鋰電池為電動汽車提供相同行程里數的同時，所消耗的充電時間更短。

2 ?電動汽車鋰電池快速充電的拓撲結構

電動汽車的鋰電池若想完成快速充電，通常都需要借助直流充電機來完成，但是此種充電方式對充電設備性能要求較高，所需要使用的充電面積也相對較大，而且通常需要借助專業的充電站來完成充電工作。充電機的主要工作內容是將交流電轉換為直流電，換句話來講，其實質是AC/DC的變換器。直流充電機是由AC/DC變換器、電能計量元件、通信模塊和充電槍四部分組成。直流充電機電源的閉合方式通常都是采用高頻方式，采用此種方式，電動汽車充電更加迅速和高效。以拓撲結構來分析，該充電機機構可劃分為兩類，單級和多級結構。

2.1 單級式結構

三相PWM整流器拓撲是單級式結構中最常應用的直流式電機結構，電路中交流電先通過隔離變壓器，在經過隔離處理后，移動至LCL濾波器，最后轉變為直流電為電動汽車進行充電。目前應用的三相PWM整流器經過長時間的發展和使用，技術相對成熟，適用于大功率場合，也正是因為這些優點才讓其在電動汽車充電應用上具有較強的競爭力。自身就有較強的控制能力，無須借助無功補償等輔助設備來進行電流諧波含量的調配和控制。在輸出電壓的控制方面精準度也極高，完全可以滿足電池充電的基本需求。

此外由于單級式結構的拓撲構造相對簡單，所以相較于復雜結構具有高效率的優點。但是此種拓撲結構的缺點也十分明顯，其中輸出電壓范圍過窄就是限制其應用和普及的最大阻礙因素。由于電動汽車電池端的電壓受荷電影響較大，舉例來講，若所選鋰電池組的額定電壓為700V，在電量較低時其實際電壓可能僅為350V，所以此種單級式結構的整流器拓撲無法應用于電壓要求較寬的使用場合。

2.2 多級式結構

多級式結構就是單級式結構的升級版，采用的是前端AC/DC整流，后端DC/DC調壓的組合模式，AC/DC整流器由前文所提到的單級式拓撲組合而成，DC/DC調壓器則是根據前端反饋的數據來確定選取隔離或非隔離拓撲。在現有的電動汽車鋰電池充電系統中，較常使用的是非隔離DC/DC轉換器，其本質為雙向拓撲，與三相PWM合作可以組成具有雙向充電功能的電池機組，還可以與V2G新概念進行融合，制造出性能更加全面地智能充放電機。

3 ?電動汽車鋰電池充電技術的發展趨勢

3.1 實現智能充電控制

電動汽車因其自身具有較強流動性，所以充電行為也具有隨機性，會在一定程度上對電網造成沖擊。所以在電動汽車鋰電池充電技術的發展過程中，如何做到充電器械和電力系統的統籌融合就顯得尤為重要，既要確保設施多元化也要保證電網安全運行。如果在確保電動汽車充電便利的前提下，運用先進的科技力量和現代化的管理方式對充電設備進行管控，從傳統管理方式過渡到更具智能化的管理方式，實現自動化和網格化管理。運用集中統籌的智能管理模式可有效解決因充電不規律、具有間歇性等問題引起的電力系統的損失實現“友好符合”，確保電力系統高效平穩的運行。

3.2 配合新能源發電

隨著減能減排理念的興起和人們環保理念的提升，綠色出行成為了越來越多人的選擇，新能源的發展和應用也是必然的選擇。運用新型能源發電，既可以緩解非可再生能源缺乏的現象，還可以減少二氧化碳的產生，減輕溫室效應，起到保護環境的作用。如果可以借助科技力量，將充電設備與新型能源完美融合，既可以降低新型能源融入電力系統時造成的不良影響，還可以削減充電設備在工作時帶給電力系統的壓力。在實際推廣過程中，可以采用充電站和電池組更換服務相結合的方式，郊區可用面積大，新能源管豐富，可建立充電站以供電動汽車使用，市區可利用的公共面積較小，且服務人數眾多，可以為電動汽車提供替換電池組的服務，滿足電動汽車在郊區與市區之間的雙向行駛需求。二者的相互融合，既可以起到推進電動汽車快速普及和發展，還能為新能源的開發和使用提供助力，有助于資源的整合和優化。

4 ?結束語

對電動汽車鋰電池充電方法進行深入地探討和研究有助于該項技術的推廣，在未來的社會發展過程中，為了貼合綠色環保的發展需求，電動汽車等新能源交通工具方式會成為人們的主要選擇，解決鋰電池充電過程中容易出現的問題也是為其推廣打好基礎。本文從常用的鋰電池種類、鋰電池快速充電的解決方法和電動汽車鋰電池充電技術的發展趨勢等多角度出發，闡述了其發展優勢和可實施性，希望可以為鋰電池充電技術今后的發展起到推動和優化作用。

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