隨著全球氣候惡化,全人類在討論如何應對氣候變化,節能減排、尋找新能源是減少環境破壞的重要途徑.目前全球汽車保有量已達10億,汽車尾氣是加劇環境惡化的重要因素,為此,許多公司機構正在研發無污染的電動汽車,而電動汽車動力鋰離子電池是其中最核心的部分,是重點研究的方向。

目前,大多數電動汽車公司和研究機構均采用鋰離子電池組作為其動力鋰離子電池.鋰離子電池有很多優點,與傳統的鎳鎘、鎳氫電池相比,鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大,鋰離子電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率,另外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”,不含鉛、鎘等有毒物質,因此成為電動汽車用電池的首選。

大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節單體鋰離子電池串聯,以獲得較高的輸出電壓,但是,鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大差別的.在電池組中,各單體鋰離子電池在生產制造中必然存在個體差異,在使用中老化程度也不相同,若不在充電過程中采取措施,這種差異將被累積甚至擴大,導致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴重縮短.另外,由于電池組容量較大,采用傳統的充電方式效率低,充電時間長,嚴重阻礙了電動汽車的推廣。

因此,快速有效安全可靠的充電系統是目前電動汽車行業重點研發的技術。

1傳統鋰離子電池充電方式研究

不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素.合適的充電方式不僅能夠最大限度的發揮電池的容量,而且可以延長電池的使用壽命.這種影響重要體現在三個方面:

(1)電壓的影響.一方面,在充電過程中要嚴格控制電池電壓不能超過充電限制電壓,超過充電限制電壓稱為過充,輕微過充多次會導致電池容量減小,電池發生變形,過充嚴重時會直接導致電池發生爆炸.另一方面,在充電結束后,應使電池電壓盡量接近滿充電壓,否則會導致電池容量大大降低。

(2)電流的影響.鋰離子電池可接受的充電電流是有限的,若充電電流高于這個上限值,會造成電池中電解液發生析氣反應,大量發熱,使電池溫度急劇上升。

(3)溫度的影響.鋰離子電池溫度過高,會導致電池內部發生一系列反應,電池可能爆炸,因此在充電過程中,要及時監測電池溫度情況并對其加以控制。

選擇合適的充電方法可以提高充電效率,延長使用壽命.鋰離子電池的充電方法有很多種,常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。

1.1恒定電壓充電法

恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進行充電.在這個過程中,充電電流滿足公式:I=(U–E)/R(式中:I為充電電流,U為充電電壓,E為電池電壓,R為充電回路電阻)。

在充電初期,由于電池電勢較低,因此充電電流較大,隨著充電過程的進行,電池電勢逐漸升高,充電電流逐漸減小.恒壓控制系統結構簡單,而且充電電流比較接近可接受充電電流,具有一定的自適應性,但在充電初期電流比較大,有可能造成電池溫度上升過快,對電池帶來不利影響。

1.2恒定電流充電法

恒定電流充電法是指在充電過程中全程以恒定不變電流進行充電.鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時間呈指數規律下降,而充電電流保持不變,若充電電流較大,在恒流充電后期可能出現充電電流超過可接受電流而導致電池電解液發生析氣反應,但若充電電流太小,就會延長充電時間,降低充電效率。

以上兩種方法都比較簡單,也都有很多不足之處.恒壓充電初期電流過大而恒流充電后期電流過大,因此,可采用先恒流后恒壓的充電方法以克服這兩種方式在這兩個階段的弊端。

1.3恒流/恒壓充電法

這種充電方法將充電過程分為三個階段。

(1)預充階段.接通直流電源后,當檢測到電池時,充電芯片啟動,進入預充過程,在此期間充電控制器以較小的電流給電池充電,使電池電壓、溫度恢復到正常狀態。

(2)恒流充電階段.在充電初期,充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電,一般鋰離子電池大多選用標準充電速率.恒流充電時,電池電壓將緩慢上升,一旦電池電壓達到所設定的終止電壓,恒流充電終止,進入恒壓充電過程。

(3)恒壓充電階段.在恒壓充電過程中,充電電流逐漸衰減,當監測到充電電流降到設置值以下,或滿充時間超時轉入頂端截止充電,此時充電控制器以極小的充電電流為電池補充能量,一般情況下,該過程可以延長電池5%~10%的使用時間。

這種充電方法中,為防止電流過大,電池溫度過高,在恒流階段,通常采用較小的充電電流進行充電,充電效率仍然不高.為提高充電效率,可采用變流充電法。

1.4變流充電法

鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時間呈指數規律下降,若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線以上會導致電池電解液發生析氣反應,影響電池壽命。

理想化的充電過程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值.如圖2中曲線2為變流充電電流曲線.圖2中可以看出,在充電初期,充電電流較大,效率較高,克服了恒流/恒壓充電階段初期充電電流設置較小的缺點,隨著充電繼續,充電電流逐步減小,因此,可以將其原有的恒流充電階段用分段恒流充電的過程來代替,達到提高充電效率。

在變流充電階段,通過對電池狀態進行檢測,確定起始的電流進行恒流充電,同時對電池狀態進行檢測,當電池狀態達到該恒流充電分段終止標準時,結束該分段,調整電流值,進入下一分段,直至電池狀態達到設定的標準時,終止變流充電,進入恒壓充電,以確保電池完全充滿。

變流充電法的重要困難在于確定各階段恒流充電電流值,選取適當的參數作為階段恒流充電終止的判斷依據。

在變流充電法中,通過提高初始階段的充電電流來實現快速充電的目的.但實際上,充電電流過大會造成電池出現極化現象而縮短壽命.為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應,研究人員通過對不同充電波形使電池出現的極化情況進行比較,提出了間歇充電和脈沖充電的方法。

（待續）