電動(dòng)汽車(chē)充電特性研究

摘 要：為了滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)在整車(chē)充電模式下對(duì)電池的性能要求，現(xiàn)模擬三元鋰電池在接受充電時(shí)的工況下的研究及評(píng)價(jià)，對(duì)比該電池在不同倍率下的充電特性，以及不同倍率充電的溫度變化情況。結(jié)果表明：在同等時(shí)間同等電壓下，倍率小的充電容量會(huì)比倍率大的充電容量更快增加；同時(shí)證明了整車(chē)充電模式在兩種快速充電方式下，同等條件下脈沖充電會(huì)比恒流充電更快，而且溫度穩(wěn)定，溫升幅度小，有利于減少極化現(xiàn)象，提高電池壽命。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 三元鋰電池 充電特性 溫升

1 緒論

由于充電速度影響電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)體驗(yàn)，一定程度上制約了電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用，最直觀(guān)的對(duì)比就是汽油車(chē)加一次油，需要多少時(shí)間，還沒(méi)考慮充電站的數(shù)量問(wèn)題。為此，發(fā)展大功率充電是提升電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)滲入率的重要技術(shù)途徑[1]，包括兩輪的電動(dòng)車(chē)，用鋰電池代替原來(lái)的鉛酸電池。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池由鉛酸電池、氫鎳電池、燃料電池，發(fā)展到鋰離子電池。縮短動(dòng)力電池的充電時(shí)間[2]，縮短充電時(shí)間對(duì)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是雪中送炭，可以減緩城市的擁堵，減緩充電站的擁堵。現(xiàn)階段中，動(dòng)力鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池中的主要成員，其占據(jù)地位不言而喻，因此研究其充電技術(shù)意義重大。鋰電池由于其優(yōu)越的循環(huán)充放電性能、能量密度大、可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。針對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)中常用的快速充電方法為大電流恒流充電和脈沖充電[3-4]。隨著充電速度的提升，會(huì)帶來(lái)不少困擾，那就是溫度。近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生自燃現(xiàn)象，溫度的失控更是警醒了整個(gè)新能源汽車(chē)行業(yè)。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)上的動(dòng)力電池充電過(guò)程中都帶有強(qiáng)制風(fēng)冷，甚至水冷，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程形成鮮明的對(duì)比。鋰電池充電對(duì)外界環(huán)境溫度非常敏感，基于此本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有采取任何降溫手段，確保電池測(cè)試安全完成。真實(shí)的電池?cái)?shù)據(jù)更有利于我們對(duì)充電特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，溫升曲線(xiàn)更是如此。而所有的降溫手段，都是基于最原始的電池實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，如在某個(gè)時(shí)刻需要降溫，在某個(gè)時(shí)刻需要升溫，都是基于準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這樣我們對(duì)后面的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)就能得到設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的降溫策略，對(duì)后續(xù)的研究也有一定的數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)此，為了排除外界環(huán)境溫度對(duì)電池充電特性的影響，本文將電池放在常溫環(huán)境下進(jìn)行充電，對(duì)比兩個(gè)快速充電方法進(jìn)行研究；對(duì)其充電曲線(xiàn)、溫升曲線(xiàn)進(jìn)行分析；對(duì)在不同倍率充電特性以及不同倍率充電的溫度變化進(jìn)行研究。

2 快速充電原理

2.1 恒流充電方法

恒流充電是指電流維持在恒定值的充電，是一種廣泛采用的充電方法。恒流充電的初始階段，可對(duì)電池進(jìn)行快速充電，但后期階段，由于繼續(xù)充電，電流大于電池的最大充電電流，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電池充不滿(mǎn)電，且極化現(xiàn)象伴隨著熱量的產(chǎn)生，造成電池的溫度上升，從而影響電池的使用壽命[3]。采用陳琛等[5]的恒流充電方法，能有效避免在電池電壓的飽和值附近，仍對(duì)電池進(jìn)行大電流充電，出現(xiàn)過(guò)熱這一現(xiàn)象。

2.2 脈沖充電方法

脈沖充電原理主要通過(guò)間隙性的電壓脈沖激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了將電能儲(chǔ)存在電池或者其他儲(chǔ)能裝置中，它是一種特殊的充電方式。進(jìn)一步解釋即脈沖電源在脈沖電鍍這一過(guò)程中，當(dāng)電路導(dǎo)通時(shí)，脈沖的峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電流，是其幾倍甚至幾十倍，正是這一瞬時(shí)的高電流密度還原了金屬離子，使其沉積晶粒變細(xì)；電路斷開(kāi)時(shí)，陰極區(qū)域的放電金屬離子又恢復(fù)了初始濃度，使得濃度差極化得以消除。通過(guò)電路導(dǎo)通與斷開(kāi)，使得下一個(gè)脈沖得利于繼續(xù)使用這一高的脈沖峰值電，同時(shí)斷開(kāi)電路期間會(huì)出現(xiàn)吸脫附、重結(jié)晶等對(duì)沉積層有利的現(xiàn)象。

上述的過(guò)程始終貫穿著整個(gè)脈沖電鍍過(guò)程的始末，其所包含的原理即構(gòu)成了脈沖電鍍的最基本原理。對(duì)比恒流充電方法，脈沖充電引入了負(fù)脈沖放電。而放電是充電的逆過(guò)程，因此在充電過(guò)程中始終伴隨著反極化作用，這一作用大大減小了大電流中存在的極化現(xiàn)象，以及充電過(guò)程中電池升溫這一現(xiàn)象，進(jìn)而提高了電池壽命[3]。在其他文獻(xiàn)中也有脈沖充電技術(shù)分析顯示，設(shè)計(jì)一種電壓負(fù)增長(zhǎng)率控制方法對(duì)電池處于滿(mǎn)充這一狀態(tài)進(jìn)行了準(zhǔn)確的控制[4]。同時(shí)，基于Matlab/Simulnik軟件平臺(tái)上構(gòu)造鋰電池的PNGV等效模型，設(shè)計(jì)鋰電池充電電路，對(duì)于變電流快速充電進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的充電方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了變電流快速充電方法的優(yōu)越性。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與目的

本次實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是天博電子信息科技有限公司的電池單體充放電測(cè)試系統(tǒng)，型號(hào)為CBTS-100A-0（圖1a）。該設(shè)備有一個(gè)溫度讀取器，兩個(gè)溫度采集傳感器[7]。本次實(shí)驗(yàn)所用電池為NCM材料的方形鋰離子電池，型號(hào)為SEPNi8688190P-15Ah，標(biāo)稱(chēng)容量為15 Ah（圖1b），可以根據(jù)電池的當(dāng)前狀態(tài)，如電池容量，電池電壓，電池放電速率，電池溫度等參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備的充電電流，充電電壓及充電時(shí)間[6]。模擬電動(dòng)汽車(chē)在充電工況下，對(duì)電池的充電溫度升高狀態(tài)與其電化學(xué)行為進(jìn)行研究[7]。為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，本次對(duì)電池溫度數(shù)據(jù)采集的位置置于方形鋰電池的中間，已有大量文獻(xiàn)證明鋰電池充電時(shí)，溫度最高的地方就是中間位置。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)文中所研究的三元鋰離子電池，均采取不同倍率的充電。充電工況（三段式）包括：恒流充電、恒壓充電、階段充電等[8]。本文研究的充電倍率分別是0.5C倍率和1C倍率，及設(shè)定目標(biāo)電壓為4.2V，當(dāng)充電過(guò)程中，達(dá)到目標(biāo)電壓（4.2V）的設(shè)定，則將其中的充電容量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比。

3.3 充電工況

根據(jù)充電的不同要求及條件，本次實(shí)驗(yàn)的充電工況設(shè)置如下：選擇7.5A的電流倍率對(duì)電池進(jìn)行脈沖充電，且充電電壓閾值為4.2V；其次對(duì)電池采取恒壓限流充電（涓流充電），在充電過(guò)程中，電流一直減少，而充電電流閾值是0.1A，因此減少至0.1A即停止，期間擱置時(shí)間為1802S，因此在電腦上設(shè)定0.1s作為采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，具體的充電工況如表1所示。再通過(guò)1C倍率對(duì)電池采取恒流充電方法，充電至電池電壓閾值即4.2V左右，基于此基礎(chǔ)再對(duì)電池采用恒壓限流的充電方法，使其充電至電流小于0.6A（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置）即停止，期間擱置時(shí)間為300S。同樣在電腦上設(shè)定采集數(shù)據(jù)的時(shí)間仍為0.1s，具體的充電工況如表2所示[7]。同時(shí)，兩個(gè)溫度采集傳感器均會(huì)進(jìn)行溫度的每秒記錄，并查看極化和反極化現(xiàn)象，對(duì)電池溫度的影響。

4 結(jié)果與分析

4.1 充電特性

圖2為三元鋰電池以表1及表2進(jìn)行對(duì)比的充電工況充電后的充電曲線(xiàn)。根據(jù)圖所示，在整個(gè)充電的過(guò)程中，0.5C_charge曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)可分為2個(gè)階段：第一階段是低電流恒流逐漸緩慢提升至電壓充電，且充電倍率為0.5C，電流為7.5 A，可發(fā)現(xiàn)初始階段的充電容量是呈快速上升趨勢(shì)，但在進(jìn)入3.62V的平臺(tái)后降低速度較緩慢上升；第二階段為涓流充電（恒壓限流充電），電流閾值為7.5A，可發(fā)現(xiàn)該階段電池容量上升依舊較快，且其上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于第一階段的上升速率，當(dāng)電壓升至4.2V左右維持不變。當(dāng)充電電流達(dá)到0.1A時(shí)，充電結(jié)束；充電過(guò)程共112297S。1C_charge曲線(xiàn)同樣可分為2個(gè)階段進(jìn)行分析：第一階段依然是低電流恒流并緩慢提升至電壓充電，其充電倍率1C，電流12A，可知該條件下，初始階段的充電容量也是呈快速上升趨勢(shì)，在進(jìn)入3.68V平臺(tái)后上升速度有所降低，對(duì)比初始階段呈較緩慢上升趨勢(shì)；第二階段為恒壓限流充電（涓流充電），設(shè)置電流值為12A，根據(jù)圖可知，該階段中電池容量上升速度依舊較快，可發(fā)現(xiàn)其上升速率是大于第一階段，同樣當(dāng)電壓值升至為4.2V左右時(shí)保持不變。當(dāng)充電電流減小到0.6A時(shí)，充電結(jié)束；充電時(shí)間共9002秒。

剛開(kāi)始1C_charge曲線(xiàn)的恒流是比0.5C_charge曲線(xiàn)的大，所以在初始階段1C_charge曲線(xiàn)的充電容量比0.5C_charge曲線(xiàn)的大。不過(guò)，相比充電容量的增長(zhǎng)的速率是0.5C_charge曲線(xiàn)大于1C_charge曲線(xiàn)；之后，到了電壓為3.83V左右的時(shí)候，二者的充電容量開(kāi)始相等，并持續(xù)增加到電壓達(dá)到設(shè)定目標(biāo)4.2V時(shí)停止增加。圖表電壓設(shè)定為4.2 V左右，目的是防止電池正極會(huì)因?yàn)殇囯x子丟失太多而損傷電池。

4.2 溫度分析

圖3為三元鋰電池以不同倍率充電時(shí)的溫度變化。其中以脈沖充電為主的0.5C_charge曲線(xiàn)的溫度在整個(gè)充電過(guò)程中持續(xù)維持在30℃-31℃左右，起伏不大，在沒(méi)有強(qiáng)制風(fēng)冷水冷的情況下，不需要人工對(duì)電池進(jìn)行降溫；而以恒流充電為主的1C_charge曲線(xiàn)的溫度則在整個(gè)充電過(guò)程起伏較大，溫度甚至高達(dá)到34℃，可以看出恒流充電時(shí)產(chǎn)生了一點(diǎn)極化現(xiàn)象，導(dǎo)致電池溫度升高；脈沖充電則沒(méi)有受到極化現(xiàn)象的影響。

5 結(jié)論

本文基于電池單體充放電測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)三元鋰離子電池的充電特性進(jìn)行了研究，分析了不同充電倍率下，充電容量與溫度的變化。同時(shí)針對(duì)兩種不同快速對(duì)鋰離子電池的充電方式，用相同的平均電壓進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了兩種充電方式及不同倍率的充電特性，結(jié)果表明：

（1）證明了0.5C倍率充電容量和1C倍率充電容量的增長(zhǎng)的速率是一致，都是前期快速增長(zhǎng)后開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，后期再呈現(xiàn)出快速增加的速率出來(lái)。

（2）證明了在相同的時(shí)間內(nèi)，電池的充電容量是脈沖充電方式大于恒流充電的。也驗(yàn)證了當(dāng)電池低于預(yù)設(shè)電壓閾值時(shí)，使用涓流充電可以提高電池充電容量[10]。同時(shí)，同等條件下脈沖充電會(huì)比恒流充電更快，而且溫度穩(wěn)定，幅度小，可減小極化現(xiàn)象，提高電池使用壽命。

（3）證明了在同等時(shí)間同等電壓下，不同倍率充電的時(shí)候，在0.5C倍率充電時(shí)電流容量會(huì)比在1C倍率充電大一些。

基金項(xiàng)目：廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃”專(zhuān)項(xiàng)資金）《一種無(wú)人智能鑿巖臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)及方法》的科研論文，課題編號(hào)（13W-17240889）。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳曉剛，崔智昊，孫一釗，等.電動(dòng)汽車(chē)大功率充電過(guò)程動(dòng)力電池充電策略與熱管理技術(shù)綜述[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2021，10（06）：2218-2234.

[2]丁躍澆，張萬(wàn)奎.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及其充電技術(shù)[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（03）：59-61.

[3]程廣明，胡海兵，邢巖.電動(dòng)汽車(chē)鋰電池快速充電特性的研究[J].電力電子技術(shù)，2016，50（06）：88-90.

[4]徐磊.動(dòng)力鋰電池充電技術(shù)研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2014.

[5]陳琛，何樂(lè)年.恒流/恒壓充電方式的鋰電池充電器芯片（英文）[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007（07）：1030-1035.

[6]婁玉萍，蔣偉.車(chē)載智能鋰電池充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2022，36（21）：76-79.

[7]梁倫，楊年炯，吳秋滿(mǎn)，等.FSEC方程式賽車(chē)電池充放電特性研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，30（02）：20-24.

[8]張彥會(huì)，李鑫，左紅明.磷酸鐵鋰電池滯回特性的修正算法研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，29（01）：31-36.

[9]梁倫.基于FSEC賽車(chē)與儲(chǔ)能系統(tǒng)PACK技術(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2020.

[10]應(yīng)建華，陳建興，唐仙，等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2008（03）：445-448.