李爭(zhēng)+孫宏旺+智若東+薛增濤

摘 要： 針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池的使用特點(diǎn)和其自身的充放電特性，以提高其充電效率，延長(zhǎng)循環(huán)壽命為目的，設(shè)計(jì)制造了間歇?正負(fù)脈沖智能充電器，實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)脈沖交替充電。模擬部分荷電和深度放電的實(shí)際使用特點(diǎn)，進(jìn)行不同的充電模式循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)失效單體電池進(jìn)行了容量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)電池進(jìn)行正負(fù)級(jí)電位測(cè)量分析，驗(yàn)證對(duì)其結(jié)構(gòu)的恢復(fù)作用，并對(duì)修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，間歇?正負(fù)脈沖充電提高了正負(fù)極的活性，抑制了濃差極化的形成，且修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定，從而有效提高了電池的循環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)力鋰離子電池； 充電模式； 脈沖充電； 交替充電； 電池修復(fù)； 循環(huán)壽命

中圖分類號(hào)： TN136?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

環(huán)境污染和能源短缺的威脅日益嚴(yán)重，促進(jìn)了可再生能源的開發(fā)與利用及電動(dòng)交通工具的發(fā)展，而動(dòng)力電池又是制約上述技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[1?2]。鋰離子電池單體電壓高，自放電率低，能量密度大，幾乎沒有 “記憶效應(yīng)”， 與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的恒壓限流和單向脈沖充電，導(dǎo)致鋰電池在充電過程中產(chǎn)生極化現(xiàn)象，電池容量降低，循環(huán)壽命縮減[4]。這對(duì)于很少遇到深度放電情況的蓄電池組來(lái)說，問題尚不突出，例如用于備用電源（如 UPS、通信電源、電力備用電源等）的蓄電池組。而用于可再生能源和電動(dòng)交通工具中的動(dòng)力蓄電池，卻經(jīng)常處于全負(fù)荷深度放電（100% Depth Of Discharge，DOD）狀態(tài)，而且部分充電后，再次投入使用，即動(dòng)力鋰電池常態(tài)化地處于部分荷電狀態(tài)（Partial State Of Charge，PSOC）[5]。這種常態(tài)化地處于部分荷電和深度放電（PSOC?DOD）的使用特點(diǎn)加速了鋰電池的極化現(xiàn)象，大大縮減了電池壽命[6]。因此，研究一種針對(duì)動(dòng)力用鋰電池PSOC?DOD使用特點(diǎn)的充電模式具有明顯的實(shí)用價(jià)值。一些研究表明變頻率和變幅值的間歇?正負(fù)脈沖充電能有效地改善極化現(xiàn)象，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命[7]。然而以上研究結(jié)論的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定均是100%充電，即電池可以充滿電，與動(dòng)力鋰電池實(shí)際使用中的PSOC?DOD狀況區(qū)別較大。在前述研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)更接近動(dòng)力鋰電池實(shí)際使用情況的PSOC?DOD過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的充電器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了間歇?正負(fù)脈沖充電器，并較全面地對(duì)比了其與傳統(tǒng)充電器在PSOC?DOD條件下的充放電性能。

1 智能脈沖充電器

1.1 基本的Reflex TM充電方法

本文設(shè)計(jì)基于在鉛酸電池中已經(jīng)得到應(yīng)用的Reflex TM充電方法[8]。這種方法采用間歇?正負(fù)脈沖的模式進(jìn)行充電，即正、負(fù)、停式脈沖充電，其基本波形如圖1所示。其機(jī)理是利用負(fù)脈沖產(chǎn)生的“打嗝”效應(yīng)，消除電極表面充電時(shí)產(chǎn)生的氣體，阻止電池析氣，同時(shí)消除濃度極化從而提高充電速度，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命[9]。endprint

圖1中，充電波形分為3個(gè)階段：正脈沖充電階段（PPP），負(fù)脈沖去極化階段（NPP）和無(wú)脈沖休整階段（RP）[10]。

PPP階段給電池施加正向脈沖電流，此時(shí)雙向DC?DC變換器形成Buck電路，電池電流與濾波電容電流相等，如圖2所示。電池電流可表示為：

NPP用于延緩電池內(nèi)部極化反應(yīng)，以延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。雙向 DC?DC 變換器在該階段起到Boost 電路的作用[11]，能量從電池流出，儲(chǔ)存在電容中，回收電池釋放能量，避免能量浪費(fèi)，提高充電效率。此時(shí)電池電流等于濾波電感電流，如下：

1.2 方式改進(jìn)

基本的Reflex TM充電策略、脈沖頻率和幅值保持不變，本文加入PWM調(diào)制，調(diào)節(jié)DC?DC電路占空比[12]，改變其幅值和寬度，使得去極化效果更為明顯，對(duì)電池修復(fù)效果更加顯著，使電池循環(huán)壽命明顯提高。控制電路見圖3，其主要由1個(gè)差分放大器和2個(gè)模擬開關(guān)組成，模擬開關(guān)由主控芯片的兩個(gè)輸出引腳控制。主控芯片對(duì)電池組的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)D/A變換，改變脈沖幅值和占空比。

由圖2、圖3可知，D/A電路中，占空比和幅值可變的PWM波從DSP的PWM引腳發(fā)出，經(jīng)過R3，C2組成的二階巴特沃斯低通濾波器的處理，產(chǎn)生只含直流分量的模擬信號(hào)[13]。

對(duì)于電池的電壓采集，本文采用到DSP2812的ADC模塊，將采集到的電壓信號(hào)輸送到電流控制回路，經(jīng)過處理得到電流內(nèi)環(huán)給定電流，給定電流值通過D/A 電路調(diào)整后，與反饋的電感電流比較，通過電流控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)控三角載波，驅(qū)動(dòng)上下開關(guān)實(shí)現(xiàn)換流[14]。圖4為高精度電池測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖5為實(shí)測(cè)充電過程流過電池的電流信號(hào)（通過高精度電池測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)1）采用恒壓限流和間歇?正負(fù)脈沖充電進(jìn)行PSOC?DOD循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取同一電池組中的兩塊初始容量相等的3.7 V/1 500 mAh 的鋰離子電池，分別編號(hào)為1#和2#。1#電池采用常規(guī)恒壓限流充電方法：限流0.5C，恒壓4.2 V，進(jìn)行90%充電（本實(shí)驗(yàn)用到電池檢測(cè)裝置可顯示電池充電容量）?100%全負(fù)荷深度放電的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)。2#電池采用間歇?正負(fù)脈沖充電，同樣進(jìn)行90%充電?100%深度放電的充放電循環(huán)，充電過程中正脈沖電流幅值逐漸減小，從3 A降至 0.7 A左右，負(fù)脈沖幅值逐漸增大，從0.9 A升至1 A左右，正脈沖寬度逐漸減小，由60 ms 減至30 ms，負(fù)脈沖寬度逐漸增大，由0增至10 ms，停頓時(shí)間不變，為10 ms。

采用恒壓限流充電與間歇?正負(fù)脈沖充電進(jìn)行90%充電?100%深度放電的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6結(jié)果表明，在PSOC?DOD狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)使用時(shí)，采用恒壓限流充電的電池容量衰減狀況明顯。在循環(huán)25次以后，其容量已經(jīng)下降到額定容量的85%左右。意味著該電池性能已經(jīng)下降，電極活性下降，充放電效率降低，進(jìn)入惡性循環(huán)，繼續(xù)循環(huán)至35次僅剩原容量的80%，采用間歇?正負(fù)脈沖充電，經(jīng)過35次充放電循環(huán)后容量基本無(wú)衰減。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了間歇?正負(fù)脈沖充電相對(duì)于恒壓限流充電的顯著優(yōu)勢(shì)：間歇?正負(fù)脈沖充電在PSOC?DOD狀態(tài)下可保證電池更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

實(shí)驗(yàn)2）采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法和恒壓限流方法對(duì)PSOC?DOD循環(huán)實(shí)驗(yàn)中失效的電池進(jìn)行容量恢復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取實(shí)驗(yàn)1）中兩個(gè)壽命衰減程度相同的單體電池進(jìn)作為恢復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：其中一個(gè)采用常規(guī)充電方法進(jìn)行100%充電?100%深度放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，循環(huán)10次，對(duì)每次循環(huán)進(jìn)行容量判定，充電條件為限流0.5C，恒壓4.2 V截止電流50 mA。另一個(gè)單體電池則采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法進(jìn)行100%充電?100%深度放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，循環(huán)10次，對(duì)每次循環(huán)進(jìn)行容量判定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，用于PSOC?DOD狀態(tài)下的動(dòng)力鋰電池失效后，傳統(tǒng)恒壓限流充電方法對(duì)其無(wú)明顯修復(fù)作用，10次長(zhǎng)時(shí)間完全充電后，容量仍為80%，對(duì)于常規(guī)充電方法來(lái)講電池的損壞不可逆。同樣循環(huán)次數(shù)后間歇?正負(fù)脈沖充電方法修復(fù)效果明顯，循環(huán)5次后由起始的原額定容量的80%恢復(fù)至原額定容量的100%左右，循環(huán)7次后達(dá)到原額定容量110%左右并趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于恒壓限流充電方法而言，其對(duì)電池造成的損壞時(shí)不可逆的，而間歇?正負(fù)脈沖充電方法對(duì)PSOC?DOD狀態(tài)下循環(huán)失效的動(dòng)力鋰電池有顯著恢復(fù)作用。

實(shí)驗(yàn)3）驗(yàn)證間歇?正負(fù)脈沖充電方法對(duì)電池修復(fù)結(jié)果的穩(wěn)定性。選取實(shí)驗(yàn)2）中間歇?正負(fù)脈沖充電方法修復(fù)的電池，采用常規(guī)恒壓限流充電方式進(jìn)行完全充電，100%深度放電，循環(huán)10次，判定其容量，充電條件為限流0.5C，恒壓4.2 V截止電流50 mA。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，常規(guī)充電方式下10次循環(huán)后，電池容量保持原容量97%左右。表明修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定。對(duì)比實(shí)驗(yàn)2）中采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法可充入原容量110%電量，表明同樣狀態(tài)的動(dòng)力鋰電池采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法，可提高充電容量。

實(shí)驗(yàn)4）正負(fù)極板電位比較實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證間歇?正負(fù)脈沖充電方法對(duì)電池修復(fù)作用，進(jìn)了行正負(fù)極板電位比較實(shí)驗(yàn)：分別選取常規(guī)恒壓限流充電方式和間歇?正負(fù)脈沖充電方法修復(fù)后的單體電池進(jìn)行正負(fù)電位測(cè)試比較；分別測(cè)量?jī)蓧K電池從70%～10%放電容量（測(cè)量梯度選擇10%）時(shí)的正負(fù)極板電位變化，參比電極選擇鋰電極[15]。測(cè)定結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9和10結(jié)果對(duì)比顯示，采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法和常規(guī)恒壓限流充電方式修復(fù)后的單體電池正極電位分別降低0.12 V和0.06 V，負(fù)極電位分別升高 0.13 V和0.07 V。充分表明，采用間歇?正負(fù)脈沖充電方法相對(duì)恒壓恒流充電，在消除電池極化現(xiàn)象方面有明顯效果。提高了電池正負(fù)極活性物質(zhì)的電導(dǎo)，從根本上對(duì)電池進(jìn)行了一定程度的修復(fù)。endprint

3 結(jié) 論

改進(jìn)后的間歇?正負(fù)脈沖充電方法，在與實(shí)際使用情況更接近的PSOC?DOD循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的恒壓限流充電方法表現(xiàn)出優(yōu)越的特性：

1） 常規(guī)恒壓限流充電在PSOC?DOD循環(huán)使用中明顯減少了電池容量，縮短電池壽命，且在繼續(xù)使用恒壓限流方法進(jìn)行完全充電后容量不能恢復(fù)，即對(duì)于恒壓限流充電方法來(lái)說其對(duì)電池造成損害是不可逆的。

2） 間歇?正負(fù)脈沖充電方法PSOC?DOD循環(huán)使用中對(duì)電池容量基本無(wú)影響，明顯延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命，且能明顯恢復(fù)使用恒壓限流充電方法損壞電池的容量。

3） 恒壓限流充電方法降低了電池極板活性物質(zhì)活性，對(duì)電池結(jié)構(gòu)造成了損傷。間歇?正負(fù)脈沖充電可有效修復(fù)這種損傷，提高電池極板活性物質(zhì)活性。這種修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定，采用恒壓限流方法規(guī)范充電，修復(fù)結(jié)果依然能較好維持。

4） 相對(duì)于恒壓限流充電方法，間歇?正負(fù)脈沖充電可提高電池容量，提高比容量。

本文所做工作皆是針對(duì)單體動(dòng)力鋰電池，針對(duì)電池組的實(shí)用性間歇?正負(fù)脈沖充電方法還需進(jìn)一步研究。

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