电动汽车锂电池快速充电方法研究

郭辉

摘要：近年来伴随着人们环保意识的提升，绿色出行成为了越来越多人的选择，但是电动汽车在推广的过程中面临着很多技术问题，最为重要的就是锂电池快速充电方法方面的研究。锂电池作为目前最具发展潜力的动力电池，在现阶段的发展过程中存在着充电速度较慢和安全性相对匮乏等问题。本文对集中较常应用的电动汽车锂电池充电方法进行阐述和分析，并对其今后的发展趋势做出适当地分析。

关键词：电动汽车;锂电池;快速充电

0  引言

随着经济多年来的高速发展，各国的能源消耗量与日俱增，逐渐出现了能源紧张的问题，可运用到生产中的化石能源也越来越少。受全球变暖的影响，各国也都推出了相应的应对政策，提倡节能减排，严格控制碳排放量。在这种社会背景下，节能又环保的电动汽车慢慢地进入了人们的视野，成为了交通领域研发的主要对象。动力电池作为电动汽车研发中的最重要的一环，电池性能的好坏直接影响到电动汽车的续航力和使用寿命。经过多次研究和比较，锂电池相对其他动力电池拥有更好的性能，相同质量的锂电池所蕴含的能量是石铅酸电池和镍氢电池的数倍之多。同时相较于传统电池，锂电池拥有重量轻、可用周期长、续航力持久、绿色环保等优势。与此同时，其放电曲线也相对平缓，放电期的功率也相对平稳。我国锂资源储备量丰富，生产锂电池相对方便，对电动汽车的推广可以起到一定的辅助作用。

1  电动汽车中常用的锂电池种类

1.1 水溶液锂电池

金属锂薄片表面被特殊材质的复合膜紧紧包覆，然后将其放于PH值适中的溶液内，产生的物质会和锂电池中自有的尖晶石锰酸锂相互反应融合，就可以得到充电、放电电压分别为4.2V和4.0V的水溶液锂电池。该锂电池的能量效率极高，可高达95%，实际能量密度不小于220瓦时/公斤，装备此款锂电池的电动汽车，在均速行驶下，持续行驶距离可突破400公里，续航力得到了很大的提升，充电时间也大幅度减少。

1.1.1 水溶液锂电池应用原理

其应用原理具体如下，其包裹在外的复合膜成分中主要由GPE和LISICON膜两部分构成。其中LISICON膜起到的主要隔离作用，作为一种固体电解质，可以有效地抵挡水分子和其他质子、离子的通过。GPE则是一种三明治构造，可以吸收多余的电解液，性质稳定不易与锂金属产生反应。GPE可以通过形成电势差来将LISICON膜和金属锂薄片分隔开。三明治结构的复合膜只允许锂离子通过，确保其运行稳定性，需要注意的是GPE的特有粘性和LISICON的结构可以抑制锂枝晶的形成。哪怕偶尔有锂枝晶产生，也无法穿过LISICON膜，其安全性和可循环性不受影响。

水溶液锂电池中含有的水溶液电解质拥有较高的比热容，具有良好的吸热性。在电动汽车的充过程中，应用水溶液锂电池产生的温度较低，可以极大地提升电池的安全性。举例来讲，如果在充电过程中电池系统中的GPE和LISCION膜产生磨损，那么水会直接碰触金属锂薄片。二者相互反应会于金属锂薄片表面生成LIOH膜，阻止继续发生反应现象，形成LIOH膜时产生的H2含量极少，无须担心火灾的产生。产生的H2也会随着内部的空气流动直接排放到空中，可以有效解决传统电池充电过程中易发生爆炸的问题。

1.1.2 水溶液锂电池快速充电的方法

水溶液锂电池经过严格的优化设计，即使将电解质替换成水溶液电池依旧拥有出色的能量密度，安全性和可循环性也可以得到良好的保留。制作有机电解质的技术及其复发，投资和人力投入都相对较大，替换成水溶液会极大地降低生产成本，与此同时，新型水溶液更具有优良地环境友好性，更加贴合当下绿色环保的发展观念。用水溶液代替传统电解质的又一好处是可以提升锂离子的迁移速度。传统有机电解质中的聚合物粘度相对较大，在一定程度上阻碍了锂离子的迁移。通过数据我们可以得知，二者的迁移速率相差倍数可达一百倍，这也就意味着在10秒内就可完成锂电池的充电工作。

1.2 石墨烯表面锂离子交换电池

石墨烯表面锂电池兼具锂电池和超级电容的优势，其在高功率密度等方面远超普通锂离子电池，功率密度最高可至100千瓦/kg。功率密度的大小直接影响着能量转移率，100千瓦/kg的功率密度可大大缩短充电时间。

1.2.1 石墨烯表面锂电池的应用原理

石墨烯表面锂电池自身的阴阳两极配有大面积的石墨烯表面，可直接与液体电解质进行接触，借助氧化还原反应，石墨烯表面锂电池可以迅速地收集锂离子。在首次放电过程中，锂电池阴极产生的锂离子以液体电解质为通道，移动至充满纳米元素的阳极，最终迁移至石墨烯锂电池表面。由于阳极设计采用的是纳米结构，所以其拥有较大的表面积，为锂离子的高速率沉积提供了有益的条件，沉积后的锂离子也会构建起全新的阴阳化学势。在多次的反复循环之后，可以实现锂离子在电极表面进行转换，一改传统锂离子易在电池两级嵌入和脱落的问题。

1.2.2 石墨烯表面锂电池实现快速充电的方法

以当前应用的较为普遍的锂电池为例，两极上附着很多细小的微孔结构，微孔的数量也直接影响着可嵌入的锂原子数量，微孔数量越多电池容量也就越高。但是从正极表面脱离的锂离子迁移到负极需要消耗大量的时间，这也是当前绝大部分锂离子电池充电较慢的原因。石墨烯表面锂电池正负两极交换锂离子时可以不借助通道迁移，直接在表面完成转换工作，这一技术的突破极大地缩短了充电时间。通过对能量储存性能进行对比，装备石墨烯表面锂电池为电动汽车提供相同行程里数的同时，所消耗的充电时间更短。

2  电动汽车锂电池快速充電的拓扑结构

电动汽车的锂电池若想完成快速充电，通常都需要借助直流充电机来完成，但是此种充电方式对充电设备性能要求较高，所需要使用的充电面积也相对较大，而且通常需要借助专业的充电站来完成充电工作。充电机的主要工作内容是将交流电转换为直流电，换句话来讲，其实质是AC/DC的变换器。直流充电机是由AC/DC变换器、电能计量元件、通信模块和充电枪四部分组成。直流充电机电源的闭合方式通常都是采用高频方式，采用此种方式，电动汽车充电更加迅速和高效。以拓扑结构来分析，该充电机机构可划分为两类，单级和多级结构。

2.1 单级式结构

三相PWM整流器拓扑是单级式结构中最常应用的直流式电机结构，电路中交流电先通过隔离变压器，在经过隔离处理后，移动至LCL滤波器，最后转变为直流电为电动汽车进行充电。目前应用的三相PWM整流器经过长时间的发展和使用，技术相对成熟，适用于大功率场合，也正是因为这些优点才让其在电动汽车充电应用上具有较强的竞争力。自身就有较强的控制能力，无须借助无功补偿等辅助设备来进行电流谐波含量的调配和控制。在输出电压的控制方面精准度也极高，完全可以满足电池充电的基本需求。

此外由于单级式结构的拓扑构造相对简单，所以相较于复杂结构具有高效率的优点。但是此种拓扑结构的缺点也十分明显，其中输出电压范围过窄就是限制其应用和普及的最大阻碍因素。由于电动汽车电池端的电压受荷电影响较大，举例来讲，若所选锂电池组的额定电压为700V，在电量较低时其实际电压可能仅为350V，所以此种单级式结构的整流器拓扑无法应用于电压要求较宽的使用场合。

2.2 多级式结构

多级式结构就是单级式结构的升级版，采用的是前端AC/DC整流，后端DC/DC调压的组合模式，AC/DC整流器由前文所提到的单级式拓扑组合而成，DC/DC调压器则是根据前端反馈的数据来确定选取隔离或非隔离拓扑。在现有的电动汽车锂电池充电系统中，较常使用的是非隔离DC/DC转换器，其本质为双向拓扑，与三相PWM合作可以组成具有双向充电功能的电池机组，还可以与V2G新概念进行融合，制造出性能更加全面地智能充放电机。

3  电动汽车锂电池充电技术的发展趋势

3.1 实现智能充电控制

电动汽车因其自身具有较强流动性，所以充电行为也具有随机性，会在一定程度上对电网造成冲击。所以在电动汽车锂电池充电技术的发展过程中，如何做到充电器械和电力系统的统筹融合就显得尤为重要，既要确保设施多元化也要保证电网安全运行。如果在确保电动汽车充电便利的前提下，运用先进的科技力量和现代化的管理方式对充电设备进行管控，从传统管理方式过渡到更具智能化的管理方式，实现自动化和网格化管理。运用集中统筹的智能管理模式可有效解决因充电不规律、具有间歇性等问题引起的电力系统的损失实现“友好符合”，确保电力系统高效平稳的运行。

3.2 配合新能源发电

随着减能减排理念的兴起和人们环保理念的提升，绿色出行成为了越来越多人的选择，新能源的发展和应用也是必然的选择。运用新型能源发电，既可以缓解非可再生能源缺乏的现象，还可以减少二氧化碳的产生，减轻温室效应，起到保护环境的作用。如果可以借助科技力量，将充电设备与新型能源完美融合，既可以降低新型能源融入电力系统时造成的不良影响，还可以削减充电设备在工作时带给电力系统的压力。在实际推广过程中，可以采用充电站和电池组更换服务相结合的方式，郊区可用面积大，新能源管丰富，可建立充电站以供电动汽车使用，市区可利用的公共面积较小，且服务人数众多，可以为电动汽车提供替换电池组的服务，满足电动汽车在郊区与市区之间的双向行驶需求。二者的相互融合，既可以起到推进电动汽车快速普及和发展，还能为新能源的开发和使用提供助力，有助于资源的整合和优化。

4  结束语

对电动汽车锂电池充电方法进行深入地探讨和研究有助于该项技术的推广，在未来的社会发展过程中，为了贴合绿色环保的发展需求，电动汽车等新能源交通工具方式会成为人们的主要选择，解决锂电池充电过程中容易出现的问题也是为其推广打好基础。本文从常用的锂电池种类、锂电池快速充电的解决方法和电动汽车锂电池充电技术的发展趋势等多角度出发，阐述了其发展优势和可实施性，希望可以为锂电池充电技术今后的发展起到推动和优化作用。

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