一種新型鋰電池充電技術(shù)

謝信奇， 秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

現(xiàn)階段蓄電池的充電方法基本是圍繞最佳充電曲線開(kāi)展，傳統(tǒng)的鋰電池充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、脈沖充電、Relax充電等。Mas J A提出瞬時(shí)停充或者大電流放電，可消除極化現(xiàn)象，使電池的可接受充電曲線不斷右移，從而提高充電效率，這是加快充電速度的理論基礎(chǔ)[1]。目前應(yīng)用最廣泛的充電方法是三階段充電法,存在充電速度慢，效率低，無(wú)法消除電池充電時(shí)的極化現(xiàn)象等問(wèn)題[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)型階段充電方法，分為保護(hù)性涓流充電、變電流間歇充電、恒壓間歇充電三階段，依據(jù)最佳充電曲線計(jì)算充電電流并合理設(shè)置充電間歇，提高了充電速度和效率。由于鋰電池的抗過(guò)充電能較弱[3]，充電后期的停充檢測(cè)也至關(guān)重要，是鋰電池充電技術(shù)的研究方向之一[4，5]，為此提出了一種停充檢測(cè)方法，依據(jù)充電間歇期的電壓變化率進(jìn)行滿充判定，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，避免過(guò)充并提高了電池剩余容量。單體鋰電池成組之后，充電過(guò)程中無(wú)法保證單體電池的一致性，因此，均衡控制技術(shù)研究必不可少[6]。針對(duì)鋰電池成組充電[7，8]，提出了一種電容均衡控制方法，保證了單體電池在充電過(guò)程中的一致性。

1 充電方法

具體充電流程如圖1所示。

圖1 充電流程

1.1 保護(hù)性涓流預(yù)充電

當(dāng)鋰電池端電壓小于下限閾值電壓Vlow=2.5 V時(shí)，證明該電池存在過(guò)放，如果此時(shí)直接對(duì)其進(jìn)行大電流充電，會(huì)對(duì)電池造成損害[9]。采集鋰電池的端電壓，若電池端電壓小于下限閾值電壓，則首先采用0.1C(C為倍率，1C=1 200 mA)的涓流對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)性充電，將電池端電壓拉升到下限閾值電壓以上。若電池端電壓大于Vlow，則直接進(jìn)入變電流間歇充電階段。

1.2 變電流間歇充電

變電流間歇充電分為充電期和間歇期。充電期通過(guò)大電流快速充電提升充電速度，間歇期為鋰電池提供充分的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，減少充電期產(chǎn)生的析氣量。依據(jù)最佳充電曲線設(shè)定階梯狀的遞減式電流脈沖，充電電流與鋰電池剩余容量呈線性關(guān)系，可通過(guò)鋰電池的電池剩余容量(state of chare,SOC)計(jì)算得到。隨著充電的進(jìn)行，充電期持續(xù)時(shí)間越來(lái)越短，間歇期持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

1.2.1 電流—容量關(guān)系

根據(jù)鋰電池的最佳充電曲線，充電過(guò)程中充電電流不斷變化且遞減，需要根據(jù)電池實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流大小。本文研究了一種容量控制方法，研究電池容量和最佳充電電流的關(guān)系，通過(guò)不同的電池容量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的充電電流。電池充電時(shí)，容量Q計(jì)算公式為

(1)

式中Ic為最佳充電電流。又有最佳充電曲線

Ic=I0e-αt

(2)

式中I0為初始電電流；t為充電時(shí)間；α為充電接受率。運(yùn)算得

Ic=I0-α·Q

(3)

從式(3)可看出，電池的最佳充電電流與電池容量呈線性關(guān)系[10]。α隨著極化現(xiàn)象的發(fā)生而降低，當(dāng)剩余容量小于額定容量的50 %時(shí)，α≈1.6 ；當(dāng)剩余容量大于額定容量的50 %時(shí)，α≈1.4 。假設(shè)Q=2 Ah ，可推導(dǎo)出最佳充電電流為分段線性函數(shù)

(4)

容量與電流關(guān)系如圖2所示。

圖2 Q-I關(guān)系

1.2.2 電流區(qū)間劃分

假定電池額定容量為2 Ah充電過(guò)程中，SOC按20 %，40 %，60 %，80 %劃分，根據(jù)式(4)電流與容量關(guān)系，得出最佳充電電流分別為1.28，0.96，0.61，0.33 C。

1.2.3 充電期與間歇期

在變電流間歇充電階段，充電曲線如圖3所示。曲線Z為鋰電池端電壓變化曲線。輸入電流Ic劃分為1.28，0.96，0.61，0.33 C。充電期與間歇期組成一個(gè)完整的充電周期，持續(xù)時(shí)間分別為Tc和Tp。首先進(jìn)入充電期，控制輸入電流Ic恒定[11]，此時(shí)電池端電壓逐漸增加，當(dāng)上升至上限閾值電壓Vup=4.2 V時(shí)，充電期結(jié)束，斷開(kāi)輸入。進(jìn)入間歇期，此時(shí)電池端電壓先不斷回落后趨于穩(wěn)定，短暫延時(shí)后完成一個(gè)充電周期。變電流間歇充電通常需要進(jìn)行4～6個(gè)充電周期，隨著充電的進(jìn)行，Tc逐漸減小，Tp逐漸增大，直至電池端電壓穩(wěn)定趨于Vup。

圖3 變電流間歇充電曲線

1.3 恒壓間歇充電

恒壓間歇充電階段，如圖4所示，設(shè)置最高充電電壓Vmax=4.242 V。該階段分為充電期和間歇期。首先進(jìn)入充電期，以Vup大小的恒定電壓對(duì)電池充電，此時(shí)電池端電壓不斷上升，當(dāng)上升至Vmax時(shí)，斷開(kāi)輸入，暫停充電。進(jìn)入間歇期，間歇期電池端電壓從Vmax開(kāi)始下降，當(dāng)下降至Vup時(shí)，完成一個(gè)充電周期。隨后重啟相同電壓值的輸入，繼續(xù)下一輪充電，該階段大約需要3～5個(gè)充電周期。隨著充電的進(jìn)行，電池剩余電量逐漸接近飽和，每一個(gè)充電周期的充電時(shí)間逐漸減小，間歇時(shí)間逐漸增加。如此往復(fù)，直至滿足停充條件，充電結(jié)束。

2 停充控制

傳統(tǒng)的停充檢測(cè)技術(shù)主要是電壓檢測(cè)和溫度檢測(cè)，但2種檢測(cè)方法受外界因素影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)檢測(cè)不準(zhǔn)，導(dǎo)致電池過(guò)充的情況[12]。本文提出了一種電壓變化率檢測(cè)法，通過(guò)采集一斷時(shí)間內(nèi)電池端電壓差值計(jì)算電壓變化率，當(dāng)變化率小于閾值時(shí)，判定滿充。如圖4所示，在恒壓間歇充電階段，間歇期電池端電壓會(huì)從Vmax回落至Vup，在充電初期端電壓下降較快，當(dāng)電池剩余容量接近額定容量時(shí)，端電壓下降很慢。設(shè)電壓變化率為K，可得

(5)

由式(5)可得，在充電后期，當(dāng)K=3 mA/s 時(shí)，表明電池剩余容量接近額定容量，可停止輸入，判定充電結(jié)束。

圖4 恒壓間歇充電曲線

3 均衡控制

受鋰電池制備工藝和技術(shù)的影響，即使同一批鋰電池在出廠時(shí)也無(wú)法保證各種參數(shù)指標(biāo)完全相同。特別是容量、端電壓、電池內(nèi)阻值等參數(shù)，差異更是無(wú)法避免。如果沒(méi)有均衡控制，在多節(jié)鋰電池串/并聯(lián)充電的情形下，內(nèi)阻值低的單體電池較內(nèi)阻值高的更快充滿，此時(shí)如果繼續(xù)充電，會(huì)造成過(guò)充。隨著循環(huán)充電的次數(shù)增多，單體電池間的差異將越來(lái)越明顯，進(jìn)而整個(gè)電池組的壽命均將受到影響，甚至可能有安全隱患[13]。故對(duì)于多節(jié)電池串/并聯(lián)充電，需通過(guò)合理的均衡控制技術(shù)減小單體電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生的差異，保證SOC、端電壓等參數(shù)的一致性。傳統(tǒng)的均衡控制技術(shù)主要是耗散型的電阻均衡法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路和控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是均衡時(shí)多余的電池能量主要以熱能的形式損耗在電阻器上，造成一定的浪費(fèi)。本文采用非耗散型的電容均衡法，當(dāng)相鄰單體電池間端電壓差大于閾值電壓Vd=0.2 V時(shí)，控制功率開(kāi)關(guān)選擇通路，將端電壓高的電池能量向鄰近端電壓低的電池轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的均衡控制，保證了一致性。如圖5所示，當(dāng)電池B1與B2的壓差大于Vd時(shí)，即VB1-VB2>Vd，則控制器控制S1合向a，S2合向c，S1首先對(duì)C1放電，當(dāng)VB1下降Vd/2時(shí)，控制器控制S1合向b，S2合向d，C1對(duì)B2放電，VB2上升約Vd/2。結(jié)束后VB1≈VB2，完成均衡控制。電容均衡法均衡效果良好，且能量利用率高，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，均衡速度相對(duì)較慢。

圖5 電容均衡法控制示意

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

4.1 充電方法實(shí)驗(yàn)

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，以相同實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別進(jìn)行恒流—恒壓充電、脈沖充電、本文充電方法3種充電實(shí)驗(yàn)，初始條件如下：12 ℃室溫，5節(jié)2 Ah的18650鈷酸鋰電池串聯(lián)，單體電池初始端電壓為2.54 V。以3種不同的充電方法對(duì)電池組進(jìn)行充電，傳統(tǒng)的恒流—恒壓充電速度最慢，充電時(shí)長(zhǎng)為2.79 h；脈沖充電法是現(xiàn)有較快的充電方法之一，速度優(yōu)于恒流—恒壓充電，充電時(shí)長(zhǎng)為1.95 h；而本文改進(jìn)型階段充電法在脈沖充電的基礎(chǔ)上再次提升了充電速度，充電時(shí)長(zhǎng)縮短至1.5 h。本文充電法遵循最佳充電曲線，根據(jù)Q-I關(guān)系計(jì)算出最佳充電電流，利用大電流脈沖顯著地提升了充電速度。另外，在變電流間歇充電和恒壓間歇充電階段均設(shè)置了充電間歇期，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)充分，減少了電池充電時(shí)產(chǎn)生的析氣量，提升了充電效率。

4.2 停充檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用3種不同的停充檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，溫度檢測(cè)法受外界因素影響較大，準(zhǔn)確度不高。電壓檢測(cè)法通過(guò)采集端電壓大小，判定滿充，相對(duì)較為準(zhǔn)確。而本文依據(jù)電池端電壓變化率的檢測(cè)方法，受外界因素影響最小，只與間歇期“ΔV/Δt”的計(jì)算結(jié)果有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以電壓變化率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行停充檢測(cè)最為準(zhǔn)確。

表1 3種停充檢測(cè)法比較

4.3 均衡控制實(shí)驗(yàn)

以無(wú)均衡控制的充電系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表2所示，串聯(lián)的5節(jié)18 650鈷酸鋰電池的內(nèi)阻值各不相同，B3和B5的內(nèi)阻值差異很大，未進(jìn)行均衡控制的電池組在充電結(jié)束后，相鄰鋰電池的端電壓差距較大，最大電壓差達(dá)到150 mV，隨著充電次數(shù)的增加，差異越來(lái)越明顯。而通過(guò)本文的電容均衡法進(jìn)行均衡控制的電池組，相鄰電池端電壓差最大僅為11 mV，實(shí)驗(yàn)可知，均衡控制在成組充電時(shí)可保證單體電池參數(shù)一致性，且本文電容均衡控制法有效。

表2 均衡控制比較

5 結(jié) 論

提出了一種新型鋰電池充電技術(shù)，分別從充電方法、停充檢測(cè)和均衡控制3方面展開(kāi)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)變電流間歇充電遵循最佳充電曲線，可顯著提高鋰電池的充電速度；

2)變電流間歇充電和恒壓間歇充電設(shè)置充電間歇，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)充分，減少析氣量，充電效率提高；

3)利用電壓變化率停充檢測(cè)方法，不僅保證了電池的充電安全還能最大限度地實(shí)現(xiàn)滿充；

4)本文電容均衡控制方法可保證鋰電池成組充電時(shí)單體電池的一致性，提升了電池循環(huán)使用壽命，且均衡過(guò)程中能量利用率高。

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