马进红,王正仕,苏秀蓉
(浙江大学电气工程学院,浙江 杭州 310027)
随着电动汽车等大功率蓄电池供电设备的发展,大容量动力电池的需求日益增加。传统的铅酸蓄电池有寿命短、重量和尺寸大等缺点,与之相比锂离子电池有更高的能量密度、更长的使用寿命、质量轻、无污染,因此得到了广泛的应用[1]。蓄电池的充电方式与电池的循环寿命、充电效率有着直接的联系,对于大容量蓄电池通常我们希望充电时间尽量短、效率尽量高,同时对电池的损害尽量小。要减少充电时间,必须提高充电电流,但蓄电池可接受的持续最大充电电流有限,传统充电方式无法大幅提高充电电流。已经证实,脉冲充电能在保证充电效率前提下,提高铅酸蓄电池的充电效率[2],但对于大容量锂离子电池的充电效果缺乏实验依据,特别是大电流 (电流1C以上,C为电池额定容量数值)充电条件下的电池特性。
本文通过大量实验,对大容量锂离子电池的大电流脉冲充电特性进行了研究。
锂离子电池相对于目前常用的铅酸蓄电池有诸多优点,但其对充电环境的要求也比较严格。
(1)锂离子电池耐过充的能力极其有限[3]。如果充电电压超过其充电截止电压,电池电压将持续升高,负极将析出固态金属锂,从而导致电池容量不可逆的物理性减小,持续过充甚至可能发生爆炸。
(2)锂离子电池可承受的持续最大充电电流有限。蓄电池最大充电电流与时间的关系如图1,由于蓄电池极化现象的存在,随着充电时间的增加,蓄电池可接受的最大充电电流减小。持续大电流充电条件下,正负极离子浓度升高,极化加剧,电池端电压将很快达到充电截止电压导致无法继续充电。同时大电流充电下电池温度会过高,对电池安全性产生影响。
蓄电池传统的充电方式有很多,常用的方式有恒压、恒流、两段式恒流恒压、三段式恒流恒压浮充等方式。
恒压充电:恒压充电的电压电流曲线如图2所示,充电过程中保持充电电压恒定,充电电流不断下降。恒压充电方式结构简单,容易实现,缺点是充电速度慢,在充电初期的充电电流过大,对电池寿命影响很大。
恒流充电:整个充电过程电流恒定。根据图1,电池在充电后期的电流会超过其最大充电电流,导致电池无法充满,电池温度上升过快,影响电池寿命。
两段式恒流恒压与三段式恒流恒压浮充方式:这是目前使用最普遍的充电方式,恒流阶段电流保持恒定,电池端电压持续上升;当端电压上升到充电截止电压时改为恒压充电,保持电池端电压恒定,充电电流不断减小;当电流减小到一定值时,如果还有浮充阶段,则提供一个很小的浮充电流,以弥补蓄电池的内部损耗使其保持在充满状态。
以上传统充电方式应用广泛,但它们共同的缺点是充电速度比较慢,充电电流受限于图1所示的最大充电电流。随着大容量动力电池的日益普及,寻求高效安全的快速充电方式变得非常必要。
为提高锂离子电池的充电速度,必须提高充电电流,但充电电流越大,蓄电池正负极板上积累的电荷越多,因此极化现象越严重,致使蓄电池端电压迅速上升到充电截止电压,无法达到充满电的目的,并且对电池造成损害。为克服以上困难,发展出了一些新型快速充电方式。
脉冲充电方式是一种能有效消除铅酸蓄电池极化现象、减少充电时间的快速充电方法[4,5]。其原理是,每隔一段正向充电脉冲后,加入一段充电停止时间和放电脉冲。脉冲充电有两种形式:正脉冲充电形式和正负脉冲充电形式[6],正脉冲充电形式在正脉冲中间加入一段停止时间,而正负脉冲充电形式在正脉冲之后加入一段放电脉冲,如图3。短暂的充电停止时间和放电脉冲能有效减少或消除极化现象,从而能够用较大的电流给蓄电池充电,提高充电速度。
脉冲充电的主要参数有:充电电流I,脉冲充电周期T,正脉冲充电时间T1,负脉冲放电时间T2,停止充电时间Ts,其中T=T1+T2+Ts。选择不同的参数将对充电效果产生不同影响。
目前对于大容量锂离子电池,大电流脉冲充电效果缺乏实验依据。
为研究脉冲充电电流、正负脉冲充电时间、停止充电时间对锂离子电池充电效果的影响,本文选取正负脉冲充电方式作为测试方法,使用的主要测试器材:
(1) LT-40 Ah,3 V 锂离子电池;
(2)WWL-PS型直流稳压开关电源 (0~15 V,0~300 A);
(3)M9714型可编程直流电子负载 (0~240 A,0~1 200 W)。
充电电路结构如图4所示。
电路主要结构为MOS管构成的H桥。为了提供恒定充电电流,测试中将直流稳压源和恒流模式的电子负载串联,形成可提供高达200 A的等效电流源,其中直流稳压源提供所需功率,电子负载的恒流模式实现输出恒定电流功能。D3和Bat2为电流旁路回路,在停止充电阶段,H桥关断,恒流源通过此回路旁路,其中Bat2为非测试蓄电池,可以为铅酸蓄电池等。下面介绍电路工作原理。
正脉冲充电时:T1和T4管导通,电流流经T1、D1给待充电电池Bat1充电,然后通过T4、D2回到稳压源负极。
停止充电时:此时H桥关断,由于恒流源不可开路,因此将二极管D3和旁路电池Bat2组成电流旁路,电流在这一段停充时间流过此旁路。
负脉冲充电时:T2和T3管导通,电流流经T3给Bat1反向充电(即电池放电),然后通过T2回到稳压源负极。二极管D1、D2的作用是防止电流经过T1和T4的体二极管在 T1、T3和 T2、T4够成的上下两个回路中形成通路。
实验中锂离子电池的充电截止电压设置为4.2 V。DSP不断检测电池端电压,通过SCI通信模块,每隔一段时间将电池电压数据上传到上位机软件。当检测到电池端电压已达到充电截止电压,DSP发出触发指令给电子负载,从而使电子负载关断,充电停止。
为测试脉冲充电效果,实验中将脉冲充电方式和恒流充电方式进行比较。两种充电方式的过程都为:将放电至放电截止电压(2.5 V)的锂离子电池静置5 h,然后充电至充电截止电压(4.2 V)。把两种方式充好电的电池进行同一基准(放电电流1 C,即40 A)放电,通过放出的电量来衡量充进电量的多少。图5为充电电流为2 C下的脉冲充电电流波形和锂离子电池端电压波形。
脉冲充电的正负脉冲和停充时间参数选取为:T1=0.9 s,T2=70 ms,Ts=30 ms。检测充电电流的霍尔元件转换比为40 A:1 V。表1为两种充电方式在1 C、2 C、3 C充电电流下的数据,图6为充电电流与充进电量和充电时间关系曲线。
表1 脉冲充电与恒流充电部分数据
由表1和图6可以看出,(1)脉冲充电能够保持电池充进电量基本不变(充满),不会随充电电流的增大而明显减小,而恒流充电随着充电电流增大,充进电量急剧减小。可以得知,脉冲充电的负脉冲和停充过程消除或减小了电池电极的极化现象。而大电流恒流充电条件下,极化现象加剧,电极离子浓度升高,使端电压很快达到截止电压,产生“充满”的假象。同时电池温升加快,对电池的安全性产生影响。(2)脉冲充电时间相比恒流充电时间会长一些,这是因为脉冲充电的电流平均值小于恒流充电电流。但随着充电电流增大,两者的充电时间之差越小,脉冲充电方式优势越明显。
一个周期中正负脉冲所占时间比例是脉冲充电的重要参数。表2为正负脉冲充电电流大小为2.5 C下,不同正负脉冲占空比下的充电数据,正脉冲占空比=1-负脉冲占空比-停充占空比 (固定为3%)。
图7反映出不同正负脉冲占空比下的充进电量和充电效率的关系曲线。充电效率计算公式为[7]:
由图7可知,(1)随着负脉冲占空比的提高,能充进的电量逐渐增加,提高到7%左右时,充进的电量基本保持最大值(充满)不变。当负脉冲占空比太小时,负脉冲时间太短,不足以消除电极的极化现象,因此能充进的电量达不到充满状态,但负脉冲占空比太大将使充电时间增加。(2)随着负脉冲占空比的提高,充电效率也逐渐提高,这也反映出当减弱或消除极化现象后,能充进的电量增加。
综合可知,需要选择一组最优的正负脉冲充电时间,以达到用最短的时间充满电池,同时达到较高的充电效率。本实验中,当正脉冲占90%,负脉冲占7%,停充时间占3%时,充进电量和充电效率达到较好效果,同时充电时间也较短。
实验验证了在大充电电流条件下,脉冲充电方式可以有效减小和消除锂离子电池的极化现象,从而可以对其进行快速充电,并且极大的减小对电池的损害。通过合理选择脉冲充电参数,可以使脉冲充电效果达到最优化。
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