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電動(dòng)汽車電池組快速充電研究
引言
　　隨著全球氣候惡化,全人類在討論如何應(yīng)對(duì)氣候變化,節(jié)能減排、尋找新能源是減少環(huán)境破壞的重要途徑.目前全球汽車保有量已達(dá)10億,汽車尾氣是加劇環(huán)境惡化的重要因素,為此,許多企業(yè)機(jī)構(gòu)正在研發(fā)無污染的電動(dòng)汽車,而電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是其中最核心的部分,是重點(diǎn)研究的方向.
　　目前,大多數(shù)電動(dòng)汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均采用鋰離子電池組作為其動(dòng)力電池.鋰離子電池有很多優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫電池相比,鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大,鋰離子電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率,另外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”,不含鉛、鎘等有毒物質(zhì),因此成為電動(dòng)車用電池的首選.
　　大功率的電動(dòng)汽車所使用的鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián),以獲得較高的輸出電壓,但是,鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區(qū)別的.在電池組中,各單體鋰離子電池在生產(chǎn)制造中必然存在個(gè)體差異,在使用中老化程度也不一樣,若不在充電過程中采取措施,這種差異將被累積甚至擴(kuò)大,導(dǎo)致整個(gè)電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴(yán)重縮短.另外,由于電池組容量較大,采用傳統(tǒng)的充電方式效率低,充電時(shí)間長,嚴(yán)重阻礙了電動(dòng)汽車的推廣.
　　因此,快速有效安全可靠的充電系統(tǒng)是目前電動(dòng)汽車行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù).
　　1傳統(tǒng)鋰離子電池充電方式研究
　　不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素.合適的充電方式不僅能夠最大限度的發(fā)揮電池的容量,而且可以延長電池的使用壽命.這種影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:
　　(1)電壓的影響.一方面,在充電過程中要嚴(yán)格控制電池電壓不能超過充電限制電壓,超過充電限制電壓稱為過充,輕微過充多次會(huì)導(dǎo)致電池容量減小,電池發(fā)生變形,過充嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸.另一方面,在充電結(jié)束后,應(yīng)使電池電壓盡量接近滿充電壓,否則會(huì)導(dǎo)致電池容量大大降低.
　　(2)電流的影響.鋰離子電池可接受的充電電流是有限的,若充電電流高于這個(gè)上限值,會(huì)造成電池中電解液發(fā)生析氣反應(yīng),大量發(fā)熱,使電池溫度急劇上升.
　　(3)溫度的影響.鋰離子電池溫度過高,會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng),電池可能爆炸,因此在充電過程中,要及時(shí)監(jiān)測電池溫度情況并對(duì)其加以控制.
　　選擇合適的充電方法可以提高充電效率,延長使用壽命.鋰離子電池的充電方法有很多種,常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等.

　　1.1恒定電壓充電法
　　恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電.在這個(gè)過程中,充電電流滿足公式:I=（U–E）/R(式中:I為充電電流,U為充電電壓,E為電池電壓,R為充電回路電阻).
1.4變流充電法
　　鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降,若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線(圖2中曲線1)以上會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng),影響電池壽命.

　　理想化的充電過程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值.如圖2中曲線2為變流充電電流曲線.圖2中可以看出,在充電初期,充電電流較大,效率較高,克服了恒流/恒壓充電階段初期充電電流設(shè)置較小的缺點(diǎn),隨著充電繼續(xù),充電電流逐步減小,因此,可以將其原有的恒流充電階段用分段恒流充電的過程來代替,達(dá)到提高充電效率.
　　在變流充電階段,通過對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測,確定起始的電流進(jìn)行恒流充電,同時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測,當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時(shí),結(jié)束該分段,調(diào)整電流值,進(jìn)入下一分段,直至電池狀態(tài)達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí),終止變流充電,進(jìn)入恒壓充電,以確保電池完全充滿.
　　變流充電法的主要困難在于確定各階段恒流充電電流值,選取適當(dāng)?shù)膮?shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù).
在變流充電法中,通過提高初始階段的充電電流來實(shí)現(xiàn)快速充電的目的.但實(shí)際上,充電電流過大會(huì)造成電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象而縮短壽命.為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應(yīng),研究人員通過對(duì)不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進(jìn)行比較,提出了間歇充電和脈沖充電的方法.
　　1.5間歇充電法
　　間歇充電法是指在充電一段時(shí)間后增加一段間歇時(shí)間,減少極化現(xiàn)象.在間歇階段,電解液析氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時(shí)間得以重新化合,可以有效的減緩電池內(nèi)電壓升高,消除歐姆極化,減小內(nèi)阻,使電池在接下來的充電過程中能夠接受更多的電量.
　　1.6脈沖充電法
　　在脈沖充電過程中,在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎(chǔ)上,用脈沖電流對(duì)電池充電,充電電流時(shí)有時(shí)無,充電狀態(tài)和暫停狀態(tài)相互交替.脈沖充電方式有正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電兩種方式,在正脈沖充電方式中,正脈沖空閑時(shí)間內(nèi),電解液中的離子自由擴(kuò)散,減小了極化的加劇;在正負(fù)脈沖充電方式中,正脈沖空閑時(shí)間內(nèi)加上了負(fù)脈沖,電解液中的離子受反向作用力向相反方向運(yùn)動(dòng),有效的抑制了極化現(xiàn)象.
　　2本文采用的充電方式
　　對(duì)以上各種傳統(tǒng)充電方法的特點(diǎn)相比較可以看出,每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn).電動(dòng)汽車電池組對(duì)充電過程要求很高,既要要求安全充電,盡可能延長電池使用壽命,又必須滿足快速充電的特點(diǎn),快速、高效、安全、長使用壽命這幾項(xiàng)指標(biāo)都必須達(dá)到,綜合每一種充電方法的優(yōu)點(diǎn),本文在傳統(tǒng)充電方式上做了變形和改進(jìn),提出了限壓變流脈沖充電方法.
　　限壓變流脈沖充電方法的特點(diǎn)是,將恒流/恒壓充電方式的恒流充電階段改為變流脈沖充電,這一階段電流的大小符合變流充電的特點(diǎn),初期電流較大,盡量逼近充電可接受電流,以保證電池獲得足夠電流,同時(shí),采用脈沖式充電電流,有效抑制極化效應(yīng),減緩電池內(nèi)壓升高,減小內(nèi)阻.后期采用恒壓充電方式,以獲得過充電量.
　　3研究電池組均衡充電的意義
　　電動(dòng)汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓.由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中電池特性必然存在差異,造成這種差異的原因有: 在生產(chǎn)過程中,由于加工工藝等原因,同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異;使用過程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡;不同電池之間的放電情況存在差異,長時(shí)間累積,造成電池狀態(tài)的不平衡.長期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡,從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量,縮短壽命,造成浪費(fèi), 增大成本.
　　和其他電池相比,鋰離子電池幾乎沒有耐過充的能力,在電池荷電狀態(tài)已滿時(shí),若繼續(xù)充電,電池的電壓將繼續(xù)升高.電壓過高會(huì)造成鋰離子在負(fù)極積累,解析出金屬鋰,使電池的蓄電能力喪失,而且這一過程是不可逆的,同時(shí),電解液發(fā)生電解,析出氫氣和氧氣,伴隨著大量熱量的產(chǎn)生,電池溫度逐漸升高,氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸.因此,鋰電池切不可過充電,否則會(huì)給電池造成致命的損壞或造成安全事故.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,過充電將嚴(yán)重減少電池的充電循環(huán)次數(shù).
　　因此,在對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí),不能通過過充的方式使各單體電池達(dá)到性能均衡.若以容量大的電池充滿為依據(jù),必然導(dǎo)致容量小的電池過充電,損害電池;若以容量小的電池充滿為依據(jù),必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電,這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài).同樣在放電過程中,若以容量大電池放電結(jié)束為依據(jù),必然導(dǎo)致容量小的電池過放,若以容量小的電池放電結(jié)束為依據(jù),容量大的電池的電量還將剩余大部分電量,不能得到充分利用.電動(dòng)汽車電池組需要頻繁的充放電,隨著充放電次數(shù)的增多,將形成惡性循環(huán),各電池的不均衡將加劇,造成整個(gè)電池組性能明顯惡化
　　.為應(yīng)對(duì)以上問題,就要在充電過程中,通過某種方法,使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電,達(dá)到均衡狀態(tài),實(shí)現(xiàn)均衡控制.
　　在充電初期,由于電池電勢(shì)較低,因此充電電流較大,隨著充電過程的進(jìn)行,電池電勢(shì)逐漸升高,充電電流逐漸減小.恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,而且充電電流比較接近可接受充電電流,具有一定的自適應(yīng)性,但在充電初期電流比較大,有可能造成電池溫度上升過快,對(duì)電池帶來不利影響.
　　1.2恒定電流充電法
　　恒定電流充電法是指在充電過程中全程以恒定不變電流進(jìn)行充電.鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降,而充電電流保持不變,若充電電流較大,在恒流充電后期可能出現(xiàn)充電電流超過可接受電流而導(dǎo)致電池電解液發(fā)生析氣反應(yīng),但若充電電流太小,就會(huì)延長充電時(shí)間,降低充電效率.
　　以上兩種方法都比較簡單,也都有很多不足之處.恒壓充電初期電流過大而恒流充電后期電流過大,因此,可采用先恒流后恒壓的充電方法以克服這兩種方式在這兩個(gè)階段的弊端.
　　1.3恒流/恒壓充電法
　　這種充電方法將充電過程分為三個(gè)階段.如圖1所示.

　　(1)預(yù)充階段.接通直流電源后,當(dāng)檢測到電池時(shí),充電芯片啟動(dòng),進(jìn)入預(yù)充過程,在此期間充電控制器以較小的電流給電池充電,使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài).
　　(2)恒流充電階段.在充電初期,充電電路以恒定的電流對(duì)鋰離子電池充電,一般鋰電池大多選用標(biāo)準(zhǔn)充電速率.恒流充電時(shí),電池電壓將緩慢上升,一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓,恒流充電終止,進(jìn)入恒壓充電過程.
　　(3)恒壓充電階段.在恒壓充電過程中,充電電流逐漸衰減,當(dāng)監(jiān)測到充電電流降到設(shè)置值以下,或滿充時(shí)間超時(shí)轉(zhuǎn)入頂端截止充電,此時(shí)充電控制器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量,一般情況下,該過程可以延長電池5%~10%的使用時(shí)間.
　　這種充電方法中,為避免電流過大,電池溫度過高,在恒流階段,通常采用較小的充電電流進(jìn)行充電,充電效率仍然不高.為提高充電效率,可采用變流充電法.
4電池組充電均衡控制研究
　　目前均衡控制的方法,按照能耗主要分能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式.
　　能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來實(shí)現(xiàn)均衡.常使用的方法是電流分流法.分流法是將每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻,并通過開關(guān)進(jìn)行控制, 在充電過程中,當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí),其分流開關(guān)閉合,電池進(jìn)行分流.這種方法結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率,能效低,而且產(chǎn)生熱量比較大.電動(dòng)汽車需要考慮能效的問題,否則無法大規(guī)模推廣,顯然,這種均衡方法不適用.能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種,一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充,另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化.常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法,利用變壓器將能量補(bǔ)充給饑餓的電池,有開關(guān)式、共享式、獨(dú)立式三種結(jié)構(gòu),線圈能量轉(zhuǎn)換法對(duì)充電電流進(jìn)行均衡,充電速率很快,但在大量電池串聯(lián)充電時(shí),其缺點(diǎn)就突顯出來了,這時(shí)需要大量的變壓器,磁場損耗大,均衡設(shè)備的體積很大,效率變低.因此,這種方法對(duì)電動(dòng)汽車電池組充電也不適用.
　　能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲(chǔ)能元件將能量進(jìn)行傳遞,在充電過程中,電池組中容量低的電池端電壓會(huì)比其他電池高,這時(shí)容量低的電池會(huì)對(duì)容量高的電池充電.常用的有電容法和電感法.
　　電容式均衡電路是通過MCU控制開關(guān)的切換,先由電壓最高的電池向電容充電,充滿后切換開關(guān),由電容向電壓低的電池充電,并多次重復(fù)這個(gè)過程.這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積可以做的很小,缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開關(guān)器件,損耗大,需要的時(shí)間也較長,因此不適宜電動(dòng)汽車電池組充電.
　　電感式相鄰均衡電路的原理是每一個(gè)電池都并聯(lián)一個(gè)電感,檢測比較相鄰兩個(gè)電池B1、B2的電壓,若B1電壓較高,由MCU控制PWM輸出信號(hào)的占空比來控制開關(guān)器件,使B1能量儲(chǔ)存在電感,并對(duì)公共電容充電,然后將能量傳送給B2;反之,若B2電壓較高,PWM輸出的占空比變化,使能量由B2流向B1. 這種均衡電路的特點(diǎn)是效率高,速度快,體積小,缺點(diǎn)是控制算法比較復(fù)雜.
　　通過對(duì)以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較,本文認(rèn)為電感式均衡電路較適用于電動(dòng)汽車電池組充電均衡.電動(dòng)汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點(diǎn),因此,本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路(如圖3),實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移,達(dá)到均衡的目的.

　　系統(tǒng)中,及時(shí)檢測電池組中各電池的狀態(tài)信息,送入MCU中,通過算法處理,控制PWM的輸出,驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷.當(dāng)某個(gè)電池電壓較高時(shí),相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通,電池將能量儲(chǔ)存到相應(yīng)的電感中,當(dāng)開關(guān)斷開后,能量轉(zhuǎn)移到下游的電池,多余能量轉(zhuǎn)移到公共電容上并回饋給充電電路.
　　5鋰離子電池組充電電路設(shè)計(jì)
　　在以上研究的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一種基于限壓變流脈沖充電方法的具有均衡功能的充電系統(tǒng),該系統(tǒng)采用MCU進(jìn)行控制,對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣,送入MCU中,并通過一定的算法,控制PWM輸出信號(hào)的占空比,控制脈沖充電電流,控制均衡電路的開關(guān)器件,實(shí)現(xiàn)均衡充電,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下.

　　6總結(jié)
　　本文在通過對(duì)多種傳統(tǒng)充電方式的研究,綜合各種方式的優(yōu)點(diǎn),提出了限壓變流脈沖充電方式,使實(shí)際充電電流接近充電可接受電流,縮短充電時(shí)間,并有效防止極化,快速、高效、安全.同時(shí),應(yīng)對(duì)電池組中單個(gè)電池狀態(tài)不均衡的問題,進(jìn)行了均衡控制研究,使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移,保證在充電結(jié)束時(shí)各電池達(dá)到均衡狀態(tài),并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).