动力锂离子电池部分荷电和深度放电状态下的脉冲充电技术

李争+孙宏旺+智若东+薛增涛

摘 要： 针对动力锂离子电池的使用特点和其自身的充放电特性，以提高其充电效率，延长循环寿命为目的，设计制造了间歇?正负脉冲智能充电器，实现了正、负脉冲交替充电。模拟部分荷电和深度放电的实际使用特点，进行不同的充电模式循环对比实验，同时对失效单体电池进行了容量恢复实验。实验中对电池进行正负级电位测量分析，验证对其结构的恢复作用，并对修复结果稳定性进行验证。实验结果表明，间歇?正负脉冲充电提高了正负极的活性，抑制了浓差极化的形成，且修复结果稳定，从而有效提高了电池的循环寿命。

关键词： 动力锂离子电池； 充电模式； 脉冲充电； 交替充电； 电池修复； 循环寿命

中图分类号： TN136?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0102?05

Abstract： In view of the usage characteristics and charge?discharge characteristics of the power lithium?ion battery， and in order to improve the charging efficiency and prolong the cycle life， a smart intermittent?positive and negative pulse charger was designed and manufactured to realize the alternating charging of positive and negative pulses. The cycle contrast experiment of different charging modes was carried out by simulating the actual usage characteristic of partial state of charge and depth of discharge （PSOC?DOD）. The capacity recovery experiment was carried out for drained?off single cells， in which the positive and negative potentials of the battery were measured and analyzed to verify the recovery effect of the structure and the stability of the recovery results. The experimental results show that the intermittent?positive and negative pulse charging method can improve the activity of positive and negative electrodes， suppress the formation of concentration polarization， and has stable recovery results， thereby the cycle life of the battery is increased effectively.

Keywords： power lithium?ion battery； charging mode； pulse current charge； alternative current charge； battery repair； cycle life

0 引 言

环境污染和能源短缺的威胁日益严重，促进了可再生能源的开发与利用及电动交通工具的发展，而动力电池又是制约上述技术发展的关键[1?2]。锂离子电池单体电压高，自放电率低，能量密度大，几乎没有 “记忆效应”， 与传统的铅酸电池相比具有明显优势[3]，被广泛应用于各个领域。传统的恒压限流和单向脉冲充电，导致锂电池在充电过程中产生极化现象，电池容量降低，循环寿命缩减[4]。这对于很少遇到深度放电情况的蓄电池组来说，问题尚不突出，例如用于备用电源（如 UPS、通信电源、电力备用电源等）的蓄电池组。而用于可再生能源和电动交通工具中的动力蓄电池，却经常处于全负荷深度放电（100% Depth Of Discharge，DOD）状态，而且部分充电后，再次投入使用，即动力锂电池常态化地处于部分荷电状态（Partial State Of Charge，PSOC）[5]。这种常态化地处于部分荷电和深度放电（PSOC?DOD）的使用特点加速了锂电池的极化现象，大大缩减了电池寿命[6]。因此，研究一种针对动力用锂电池PSOC?DOD使用特点的充电模式具有明显的实用价值。一些研究表明变频率和变幅值的间歇?正负脉冲充电能有效地改善极化现象，延长电池循环寿命[7]。然而以上研究结论的实验条件设定均是100%充电，即电池可以充满电，与动力锂电池实际使用中的PSOC?DOD状况区别较大。在前述研究的基础上，本文针对更接近动力锂电池实际使用情况的PSOC?DOD过程进行实验设计，对传统的充电器进行改进，设计了间歇?正负脉冲充电器，并较全面地对比了其与传统充电器在PSOC?DOD条件下的充放电性能。

1 智能脉冲充电器

1.1 基本的Reflex TM充电方法

本文设计基于在铅酸电池中已经得到应用的Reflex TM充电方法[8]。这种方法采用间歇?正负脉冲的模式进行充电，即正、负、停式脉冲充电，其基本波形如图1所示。其机理是利用负脉冲产生的“打嗝”效应，消除电极表面充电时产生的气体，阻止电池析气，同时消除浓度极化从而提高充电速度，延长电池循环寿命[9]。endprint

图1中，充电波形分为3个阶段：正脉冲充电阶段（PPP），负脉冲去极化阶段（NPP）和无脉冲休整阶段（RP）[10]。

PPP阶段给电池施加正向脉冲电流，此时双向DC?DC变换器形成Buck电路，电池电流与滤波电容电流相等，如图2所示。电池电流可表示为：

NPP用于延缓电池内部极化反应，以延长电池循环寿命。双向 DC?DC 变换器在该阶段起到Boost 电路的作用[11]，能量从电池流出，储存在电容中，回收电池释放能量，避免能量浪费，提高充电效率。此时电池电流等于滤波电感电流，如下：

1.2 方式改进

基本的Reflex TM充电策略、脉冲频率和幅值保持不变，本文加入PWM调制，调节DC?DC电路占空比[12]，改变其幅值和宽度，使得去极化效果更为明显，对电池修复效果更加显著，使电池循环寿命明显提高。控制电路见图3，其主要由1个差分放大器和2个模拟开关组成，模拟开关由主控芯片的两个输出引脚控制。主控芯片对电池组的电压信号实时采集，经过内部运算，实现D/A变换，改变脉冲幅值和占空比。

由图2、图3可知，D/A电路中，占空比和幅值可变的PWM波从DSP的PWM引脚发出，经过R3，C2组成的二阶巴特沃斯低通滤波器的处理，产生只含直流分量的模拟信号[13]。

对于电池的电压采集，本文采用到DSP2812的ADC模块，将采集到的电压信号输送到电流控制回路，经过处理得到电流内环给定电流，给定电流值通过D/A 电路调整后，与反馈的电感电流比较，通过电流控制器产生控制信号，调控三角载波，驱动上下开关实现换流[14]。图4为高精度电池测量实验平台，图5为实测充电过程流过电池的电流信号（通过高精度电池测量实验平台测得）。

2 实验结果与讨论

实验1）采用恒压限流和间歇?正负脉冲充电进行PSOC?DOD循环对比实验。选取同一电池组中的两块初始容量相等的3.7 V/1 500 mAh 的锂离子电池，分别编号为1#和2#。1#电池采用常规恒压限流充电方法：限流0.5C，恒压4.2 V，进行90%充电（本实验用到电池检测装置可显示电池充电容量）?100%全负荷深度放电的充放电循环实验。2#电池采用间歇?正负脉冲充电，同样进行90%充电?100%深度放电的充放电循环，充电过程中正脉冲电流幅值逐渐减小，从3 A降至 0.7 A左右，负脉冲幅值逐渐增大，从0.9 A升至1 A左右，正脉冲宽度逐渐减小，由60 ms 减至30 ms，负脉冲宽度逐渐增大，由0增至10 ms，停顿时间不变，为10 ms。

采用恒压限流充电与间歇?正负脉冲充电进行90%充电?100%深度放电的充放电循环实验对比结果如图6所示。

图6结果表明，在PSOC?DOD状态下进行循环使用时，采用恒压限流充电的电池容量衰减状况明显。在循环25次以后，其容量已经下降到额定容量的85%左右。意味着该电池性能已经下降，电极活性下降，充放电效率降低，进入恶性循环，继续循环至35次仅剩原容量的80%，采用间歇?正负脉冲充电，经过35次充放电循环后容量基本无衰减。对比实验结果显示了間歇?正负脉冲充电相对于恒压限流充电的显著优势：间歇?正负脉冲充电在PSOC?DOD状态下可保证电池更长的循环寿命。

实验2）采用间歇?正负脉冲充电方法和恒压限流方法对PSOC?DOD循环实验中失效的电池进行容量恢复对比实验。选取实验1）中两个寿命衰减程度相同的单体电池进作为恢复实验对象，进行以下实验：其中一个采用常规充电方法进行100%充电?100%深度放电循环实验，循环10次，对每次循环进行容量判定，充电条件为限流0.5C，恒压4.2 V截止电流50 mA。另一个单体电池则采用间歇?正负脉冲充电方法进行100%充电?100%深度放电循环实验，循环10次，对每次循环进行容量判定。

实验结果如图7所示，用于PSOC?DOD状态下的动力锂电池失效后，传统恒压限流充电方法对其无明显修复作用，10次长时间完全充电后，容量仍为80%，对于常规充电方法来讲电池的损坏不可逆。同样循环次数后间歇?正负脉冲充电方法修复效果明显，循环5次后由起始的原额定容量的80%恢复至原额定容量的100%左右，循环7次后达到原额定容量110%左右并趋于稳定。实验结果表明对于恒压限流充电方法而言，其对电池造成的损坏时不可逆的，而间歇?正负脉冲充电方法对PSOC?DOD状态下循环失效的动力锂电池有显著恢复作用。

实验3）验证间歇?正负脉冲充电方法对电池修复结果的稳定性。选取实验2）中间歇?正负脉冲充电方法修复的电池，采用常规恒压限流充电方式进行完全充电，100%深度放电，循环10次，判定其容量，充电条件为限流0.5C，恒压4.2 V截止电流50 mA。

实验结果如图8所示，常规充电方式下10次循环后，电池容量保持原容量97%左右。表明修复结果稳定。对比实验2）中采用间歇?正负脉冲充电方法可充入原容量110%电量，表明同样状态的动力锂电池采用间歇?正负脉冲充电方法，可提高充电容量。

实验4）正负极板电位比较实验。为了进一步验证间歇?正负脉冲充电方法对电池修复作用，进了行正负极板电位比较实验：分别选取常规恒压限流充电方式和间歇?正负脉冲充电方法修复后的单体电池进行正负电位测试比较；分别测量两块电池从70%～10%放电容量（测量梯度选择10%）时的正负极板电位变化，参比电极选择锂电极[15]。测定结果如图9和图10所示。

图9和10结果对比显示，采用间歇?正负脉冲充电方法和常规恒压限流充电方式修复后的单体电池正极电位分别降低0.12 V和0.06 V，负极电位分别升高 0.13 V和0.07 V。充分表明，采用间歇?正负脉冲充电方法相对恒压恒流充电，在消除电池极化现象方面有明显效果。提高了电池正负极活性物质的电导，从根本上对电池进行了一定程度的修复。endprint

3 结 论

改进后的间歇?正负脉冲充电方法，在与实际使用情况更接近的PSOC?DOD循环实验中，相对于传统的恒压限流充电方法表现出优越的特性：

1） 常规恒压限流充电在PSOC?DOD循环使用中明显减少了电池容量，缩短电池寿命，且在继续使用恒压限流方法进行完全充电后容量不能恢复，即对于恒压限流充电方法来说其对电池造成损害是不可逆的。

2） 间歇?正负脉冲充电方法PSOC?DOD循环使用中对电池容量基本无影响，明显延长电池循环寿命，且能明显恢复使用恒压限流充电方法损坏电池的容量。

3） 恒压限流充电方法降低了电池极板活性物质活性，对电池结构造成了损伤。间歇?正负脉冲充电可有效修复这种损伤，提高电池极板活性物质活性。这种修复结果稳定，采用恒压限流方法规范充电，修复结果依然能较好维持。

4） 相对于恒压限流充电方法，间歇?正负脉冲充电可提高电池容量，提高比容量。

本文所做工作皆是针对单体动力锂电池，针对电池组的实用性间歇?正负脉冲充电方法还需进一步研究。

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