變壓-恒壓分階段脈沖充電方法

戰泊含 勞維強 王東茁 胡家華 文暢 吳勝利

摘?要：純電動汽車具有能耗低、零排放等優點得到了大力推廣，但續航里程及電池性能衰退始終制約電動汽車的更大范圍普及。基于對鋰離子動力電池的特性和主流電池充電方法的深入研究，提出一種變壓-恒壓分階段脈沖充電法。該方法具備變電壓間歇充電法和Reflex脈沖快速充電法的優點，能有效消除極化現象，及時降低電池內壓，解除變電壓間歇充電法對電池本身充電接受能力的限制。并且采用降低一級的電壓進行恒充，用最符合此時電池接受能力的電流充電，充分模擬電池的最佳充電曲線，為減小充電時對電池壽命的損傷提供新的研究思路和實踐支撐。

關鍵詞：鋰離子動力電池；快速充電；分階段脈沖充電；電動汽車；仿真

中圖分類號：TB?文獻標識碼：A??doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.03.096

0?引言

磷酸鐵鋰電池由于其循環壽命長、比能量大、無記憶效應和無污染等優點，成為當下電動汽車的主要使用電池。如何以高效率、低損耗的充電方法對電池充電是當下電動汽車發展的一大重要難題。

隨著多階段充電方法的提出，快速充電快速發展，潘盛輝等基于在充電過程中加入放電負脈沖電流的方法，建立了脈沖充電法，對恒流恒壓充電開展了研究，發現了負脈沖電流可以有效地緩解極化現象。高春蘭等基于脈沖充電法、反射式充電法和間歇充電法，建立了分階段脈沖式充電法，由于充電控制系統的實質是多變量、離散性和非線性，對此PIC單片機、模糊控制系統具有很好的控制效果，控制技術逐漸應用于充電監測反饋之中，從而得到了分階段脈沖式充電法的正負脈沖參數與間歇時間參數，發現了通過對電流的分階段控制，能夠使電池充電曲線更加貼合最佳充電曲線。

綜上所述，國內外學者對電池性能及充電技術已經開展了較為深入的研究，但現階段的充電方法以恒定電流為主，是通過增大充電電流從而提高充電效率。基于此，為能夠更好地貼合最佳充電曲線，本文提出變壓-恒壓分階段脈沖充電法，并通過仿真試驗的方法對該充電方法的可行性進行了研究，為提高電池壽命提供了新的方法基礎。

1?現有充電方法

1.1?最佳充電曲線

Joseph?A.Mas通過大量充電試驗數據，以電池的低析氣率為前提，總結出蓄電池在充電過程中存的最佳充電曲線，如圖1所示。

1.2?目前主要充電技術

（1）恒壓充電法。恒壓充電法在整個充電過程中采用恒定的電壓對電池充電，充電電流會隨著電池兩端電壓的增加呈指數規律下降，恒壓充電法的曲線更貼近于最佳充電曲線。但當電池放電深度過深時，初始充電電流過大，電池內壓驟增，對電池極板活性物質產生破壞，從而影響電池的使用壽命和使用安全性，并且在充電后期由于充電電流過小，其充電速度變慢，延長了充電時間。

（2）變電壓間歇充電法。變電壓間歇充電法結合了傳統恒壓充電法與脈沖快速充電法的優點，在每個充電周期中先采用恒壓法對電池充電，然后停止充電。其充電曲線，如圖2所示。

由于采用恒壓充電，其充電電流更貼合最佳充電曲線，并且由于增加了間歇時間，能夠進一步的消除電池的極化現象。這種充電方法能夠延長電池的使用壽命。但是對于放電過深的電池，充電初期充電電流過大，其所需要的間歇時間也會延長，這就會直接導致整體充電時間增長。

（3）Reflex脈沖快速充電法。Reflex脈沖快速充電法將一個充電周期分為兩個階段，首先以大電流正向對電池充電，然后采用負脈沖電流對電池進行放電，通過調整正向充電和反向放電的占空比，從而提高電池的充電效率。其充電曲線，如圖3所示。

這種方法主要與恒流充電相結合，相較于普通間歇充電法，其通過周期性地對電池負脈沖放電從而極大程度上解決了電池的極化現象，從而提高了電池充電效率；相較于恒壓充電法，由于增加了負脈沖放電，從而縮短了電池壽命。

2?變壓-恒壓分階段脈沖充電法

變壓-恒壓分階段脈沖充電法是以恒壓充電法為基礎，結合間歇充電法與Reflex脈沖快速充電法得出的一種新型快速充電法。

在電池充電過程中，可以把電池近似視為大電容和小電阻的組合，在恒壓充電期間，充電電流以指數規律降低。

變壓-恒壓分階段脈沖充電法在充電初始階段以大電壓進行恒充，經過一定時間此時電池的容量已經得到了很大的提高，其接受能力已經產生了限制。當達到一定閾值時，電化學極化電壓和濃差極化電壓會明顯增大，其充電效率會大幅度下降，必須及時消除才可繼續快速充電。

根據給定的析氣電壓閾值，在達到該值時進行間歇停充、負脈沖、間歇停充處理，先間歇預定的時間，此段的時間會因極化反應被削減，電池端電壓會降低。接著采用負脈沖電流對電池進行放電，電池端電壓再次小幅度下降，此段時間由于電池內壓得以及時釋放，從而極化反應被快速削減。之后停止放電，間歇預定的時間，在這個過程中，因削減極化反應的作用的消除，電池電壓回升。在這三個階段電池電壓的濃差極化和電化學極化現象得以消失，所以該階段充電完成。重復以上操作直到電池充滿，其充電曲線，如圖4所示。

該種充電方法相較于第2小節中所述的三種充電方法進行比較，能夠提高充電效率、延長電池使用壽命。由于采用變電壓分階段充電，比恒壓充電法能更好地貼合最佳充電曲線，還由于電池在充電過程中存在負反饋放電現象，所以在變壓階段相較于變電壓間歇充電法其降低的電壓值較小，更好地提高充電效率，并且負脈沖放電不但能夠解決高放電深度的電池在恒壓充電初始階段電流過高電對極板活性物質的影響、還能快速消除極化現象，縮短停充間歇時間，縮短了電池充電時間。

3?仿真試驗驗證

3.1?變壓-恒壓分階段脈沖充電仿真

本文運用MATLAB軟件進行建模仿真，充電仿真電路，如圖5所示。電路主要以受控恒壓源作為的充電電源、以IGBT構成的H橋提供脈沖充電。

試驗電路工作原理：

通過脈沖發生器對四個IGBT進行導通、阻斷控制從而實現恒壓充電、停充間歇、負脈沖放電。

恒壓充電時，IGBT1、IGBT2導通，IGBT3、IGBT4阻斷，電流通過IGBT1、VD1給電池充電，通過VD2、IGBT2流回電池負極，實現電池充電。停充間歇時，4個IBGT都被阻斷，電池停止充電。

負脈沖放電時，IGBT3、IGBT4導通，IGBT1、IGBT2阻斷，電流由電池正極流出，通過IGBT3作用于放電電阻，通過IGBT4流回電池負極，實現電池放電。

試驗參數設置：

鋰電池參數：額定電壓38V，滿電電壓435V，電池剩余電量（SOC）2%。

脈沖周期參數：周期時間30s，其中恒壓充電時間18s，停充間歇時間1s，負脈沖放電時間02s（其中恒壓充電后停充間歇時間05s，負脈沖放電后停充間歇時間05s）。

受控電壓源電壓：48V、475V、47V、465V、46V、455V、45V，不同電壓作用時間分別為300?s、600s、900s、1200s、1500s、1800s。充電總時長2100s。

3.2?變電壓間歇充電仿真

變電壓間歇充電法的仿真電路只需將變壓-恒壓分階段脈沖充電法仿真電路中的IGBT3、IGBT4在整個充電過程中阻斷，其電路工作原理與變壓-恒壓分階段脈沖充電法工作原理相同，在試驗參數設置中受控電壓源電壓修改為：48V、4725V、465V、4575V、45V、4425V、435V，其他參數相同。

3.3?試驗結果與數據分析

變壓-恒壓分階段脈沖充電仿真試驗結果，如圖6所示。可知，在充電過程中先以4.8V的恒壓電流對電池進行充電，持續時間為1.8s，在此段時間，電池電壓迅速上升，但由于高電流的作用，電池內壓驟增，析氣現象逐漸加劇，電池的接受能力已經產生了限制，電池電壓上升速度趨緩。

接著停止充電間歇05s，此段時間內極化反應被削弱，電池兩端電壓下降，但由于高電流的作用，電池內壓過高，此時所需要的間歇時間過長，為縮短間歇時間，采用負脈沖對電池進行放電02s，此段時間內電池內壓得以釋放，極化反應被迅速消除，電池兩端電壓會明顯下降。

最后停止對電池進行放電間歇05s，進入下一個脈沖充電周期。在48V電壓作用時間到300s時，可控電壓源電壓降低為475V，重復恒壓充電18s、停充間歇05s、負脈沖放電02s、停充間歇05s的充電過程繼續充電，總充電時間到達900s時可控電源電壓降低為47V，依此類推。并且在試驗中通過應用分階段降壓的方式，對充電電壓進行控制，使得充電電流曲線能夠更加貼合最佳充電曲線。

最后停止對電池進行放電間歇05s，進入下一個脈沖充電周期。在48V電壓作用時間到300s時，可控電壓源電壓降低為475V，重復恒壓充電18s、停充間歇05s、負脈沖放電02s、停充間歇05s的充電過程繼續充電，總充電時間到達900s時可控電源電壓降低為47V，依此類推。并且在試驗中通過應用分階段降壓的方式，對充電電壓進行控制，使得充電電流曲線能夠更加貼合最佳充電曲線。

最終電池的SOC為9343%，整個過程中充入電池的總電量占電池額定容量的9143%。

在相同參數條件下，變電壓間歇充電仿真試驗結果，如圖7所示。

可知，在充電過程中先以48V的恒壓電流對電池進行充電，持續時間為18s，接著停止充電間歇12s，而后進入下一個脈沖充電周期。其降壓方式與變壓-恒壓分階段脈沖充電法降壓方式相同。最終電池的SOC為9014%，整個過程中充入電池的總電量占電池額定容量的8814%。

通過對兩種不同充電方法仿真數據的對比分析可發現。

對于變電壓間歇充電法來說，在1360s之前，其充入相同電量的時間更短，但隨著充電時間的增長，其充電電壓需要大幅度降低，從而充電電流也逐漸減小。根據試驗數據可知，過小的充電電流會導致電池電量不再有明顯的變化，這樣會極大延長整體的充電時間，并且在開始充電階段其充電電流過大，所需要的間歇時間也更長。而且由于電池內壓釋放不及時，會對電池內部造成不可逆的損傷，極大地縮短了電池的使用壽命。

對于變壓-恒壓分階段脈沖充電法來說，通過增加負脈沖放電的方法，做到了及時釋放電池內壓，消除極化現象。相對于變壓間歇充電其降低的電壓值更小，使得能夠以更大的電流進行充電，不但能夠顯著地提高電池的充電速度，還能更好的貼合最佳充電曲線，極大程度上減輕了對電池的損傷。

4?脈沖周期對充電性能的影響

由2可知在鋰電池變壓-恒壓分階段脈沖充電過程中，由正脈沖結束轉入負脈沖與負脈沖結束轉入正脈沖時，都會間歇停充一段時間，此段時間內極化反應會被削減。間歇時間越長，其消除極化反應的效果越好，但是過長的間歇時間，違背了本文縮短充電時間、提高充電效率的原則，所以確定間歇時間對充電過程有著深遠的影響。在此通過實驗數據的對比，來確定間歇時間，實驗結果，如表1所示。

由實驗數據可知，間歇時間越長，電壓下降值越大，當停充時間為10s時，電壓下降值為實驗中最大的0.438V，但整體充電時間將會大大延長，無法實現快速充電。所以選取合適的間歇時間，既能有效地削減極化現象，又能提高整體充電效率，因此選取0.5s作為間歇停充的時間。

確定了最佳間歇停充時間后，需要進一步確定正負脈沖寬度。依據圖7所搭建的仿真模型，將受控電壓源修改為固定電壓源，電壓參數為4.7V，設置五組對照實驗，實驗參數中正脈沖寬度分別為2.0s、1.9s、1.8s、1.7s、1.6s，負脈沖寬度分別為0s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s，前后間歇時間各為0.5s，實驗結果，如圖8所示。

由實驗結果可知，當正脈沖寬度越大時，其充入的電量就越多，但相對應的充電電壓也越大。由正脈沖寬度為2.0s也就是不進行負脈沖放電的實驗數據與正脈沖1.9s，負脈沖0.1s的實驗數據對比可知，負脈沖的加入能有效地降低電池電壓，減輕對電池內部結構的影響。當正脈沖寬度為1.6s時，充電電壓最低，對電池的損耗最小，但對應的充入電量最少，這樣違背了快速充電的原則。所以選取合適的正負脈沖寬度，既能滿足最高的充電效率，又能降低對電池的損耗。因此選取中間值1.8s作為正脈沖寬度，選取0.2s作為負脈沖放電寬度最為合適。

5?結束語

新能源汽車作為我國未來的主要發展方向，對實現碳達峰、碳中和具有不可替代的作用。電池作為新能源汽車核心部件，其使用壽命和穩定性，不僅影響新能源汽車的續航能力，而且還關系到用戶的體驗感和切身安全。因此，開展充電方式的研究，對促進新能源汽車發展具有重要意義。本文通過分析總結變電壓間歇充電法和Reflex脈沖快速充電法的優點和不足，提出了變壓-恒壓分階段脈沖充電法，能夠有效消除極化現象，及時降低電池內壓，解除變電壓間歇充電法對電池本身充電接受能力的限制。實現了對電池高效率、低損耗的充電。并通過MATLAB進行建模仿真從而驗證出方法的可行性和有效性。該方法不拘泥于傳統恒流充電，以恒壓充電為基礎進行深入研究探討，為快速充電、智慧充電的研究發展提供了一條思路。

參考文獻

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