电动汽车用磷酸铁锂电池充电特性的分析*

胡银全，刘和平，刘 平，张 毅

(重庆大学，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030)

前言

发展电动汽车是改善城市环境的最有效措施，也是消除能源危机的重要途径和国家安全的战略[1]。磷酸铁锂动力电池具有超长寿命、使用安全、大容量和绿色环保等其它动力电池无法比拟的优点，问世以来一直就是研究的热点[2－4]。在理论上，单节磷酸铁锂电池循环充放电2 000次时，还可保持80%以上的容量。但在实际使用中，由于受荷电状态、充电电流和温度等因素的影响，磷酸铁锂动力电池的循环寿命往往低于2 000次。因此，目前混合动力汽车、纯电动汽车中使用的主要还是铅酸动力电池、钴酸锂动力电池和锰酸锂动力电池等[5－6]。

文献[7]中研究了充电截止电压和充电温度对锂离子动力电池的影响;文献[8]中对磷酸铁锂电池容量衰减机理做了比较分析。文献[9]和文献[10]中的研究表明，锂离子电池充电截止电压越高，动力电池循环寿命越短;温度越高，单节动力电池容量衰减越快。而文献[11]和文献[12]中则指出，动力电池组的连接方式与摆放位置和充放电倍率等也对动力电池的循环寿命有影响。

本文中将对单节磷酸铁锂动力电池进行不同电流、不同放电深度(depth of discharge，DOD)和不同充电截止电压等情况下的充电实验，并对不同状态下动力电池的充电特性进行分析和研究。提出了一种根据磷酸铁锂动力电池的充电特性来设置充电方式的方法。

1 实验

对200A·h/3.2V的单节磷酸铁锂动力电池进行实验。电池技术参数如表1所示。在室温(25℃)下，用功率电阻对动力电池进行恒电阻放电，用充电机对动力电池进行充电，充电电流采用手动方式进行设置。

表1 200A·h磷酸铁锂动力电池技术参数

1.1 不同充电电流下动力电池充电实验

为研究磷酸铁锂动力电池在不同充电电流下的充电特性，在动力电池放电深度为1(动力电池能量全部放完)时，对动力电池分别进行了20、40、60、80和100A的恒流-恒压(constant current-constant voltage，CC-CV)充电实验。充电截止电压为3.75V，当充电电流下降到6A时，充电完成。不同充电电流下的充电实验曲线如图1所示。

从图1可以看出，动力电池充电电压平台随着充电电流的增加而升高，如充电电流20A时，充电电压平台约3.38V，充电电流100A时，充电电压平台约3.45V。在恒流充电阶段，随着充电电流的增加，动力电池的充电时间不断缩短。在恒流充电末期，不同充电电流下，动力电池电压的上升率基本相同。

1.2 不同放电深度下动力电池充电实验

为研究在不同放电深度下动力电池的充电特性，在放电深度按 1、0.8、0.6、0.4、0.2 的顺序依次减小和按 0.2、0.4、0.6、0.8、1 的顺序依次增大的情况下，对动力电池进行了恒流-恒压充电，恒流电流值80A，恒压电压值3.65V，当充电电流下降到6A时，充电完成，充电曲线分别如图2和图3所示。再将图2和图3合并在一起就得到不同放电深度下的充电曲线比较，如图4所示。

从图2和图3可以看出，在恒流充电阶段，动力电池充电电压平台随着放电深度的减小而降低。从图4可见，当放电深度从1到0.2和从0.2到1进行充电时，在相同的放电深度下(如放电深度为1和0.2)，动力电池的充电曲线基本重合，但在放电深度为0.4、0.6和0.8时，相同放电深度下动力电池的充电曲线差异较大。

1.3 不同充电截止电压下动力电池充电实验

为研究在不同充电截止电压下动力电池的充电特性，在动力电池放电深度为1时，对动力电池进行了恒流-恒压充电，恒流电流值80A，恒压电压值分别为3.50、3.55、3.60、3.65、3.70、3.75 和3.80V，当充电电流下降到6A时，充电完成。不同充电截止电压的充电实验曲线如图5所示。

由图可见，在恒流充电阶段，动力电池在不同截止电压下的充电曲线基本重合。在恒压阶段，动力电池充电时间随充电截止电压的升高而减小。

1.4 动力电池充电效率实验

为研究磷酸铁锂动力电池的充电效率，对动力电池进行了5次循环充放电实验。放电方式:先采用小电阻对电池进行大电流放电，当电池电压下降到2.50V时，静置6min，再对电池进行小电流放电，当电池电压再次下降到2.50V时，停止放电。充电方式:采用恒流-恒压充电，先恒流充电，充电电流60A，当电池电压上升到充电截止电压3.75V时，开始进行恒压充电，当充电电流降到6A时，充电完成。其中1次的动力电池充放电实验曲线如图6所示。

从图6可以看出，在恒流充电初期，电池电压上升较快，在恒流充电中期，电池电压变化缓慢，电池充电电压平台大约3.42V，在恒流充电后期动力电池电压上升也较快，电池的恒压过程时间较长。在动力电池恒电阻放电过程中电池放电电流随放电电压的降低而降低。

2 结果及讨论

2.1 不同充电电流下动力电池的充电实验

对不同充电电流下动力电池的充电过程进行了比较研究，结果如表2所示。

表2 不同充电电流下的充电过程比较

从表2可以看出，以充电电量来分析，在恒流充电阶段，动力电池充入电量随着充电电流的增大而有所减少，但减少的幅度不大，在恒压充电阶段则动力电池充入电量随着充电电流的增大而增加。在整个恒流-恒压阶段，动力电池充入电量随着充电电流的增大逐渐减少，但减少的幅度很小。以充电时间分析，在恒流充电阶段，动力电池充电时间随着充电电流的增大而逐渐缩短，在恒压阶段充电时间则相差不大。在整个恒流-恒压充电过程中，动力电池充电时间则随着充电电流的增大而缩短。

从上面的分析可以得出，电池在小电流充电下，恒流阶段充入电量较多，但充电时间较长。电池在100A大电流(0.5C)充电下，恒流阶段充入电量减少，但可大大缩短充电时间，而且恒流阶段可充入容量的90%以上。因此，利用大电流对电池进行充电，可以起到快速充电的目的。

2.2 不同放电深度下动力电池的充电实验

对不同放电深度下动力电池的恒流-恒压充电过程进行了比较研究，结果如表3所示。

从表3可以看出，以充电电量分析，在恒流充电阶段，动力电池充入电量随着放电深度的减小而减少，恒压充电阶段动力电池充入电量也随着放电深度的减小而减少。在整个恒流-恒压阶段，动力电池充入电量随着放电深度的减小而逐渐减少。以充电时间分析，在恒流充电阶段，动力电池充电时间随着

表3 不同放电深度下的充电过程比较

放电深度的减小而缩短;在恒压阶段，动力电池充电时间也随着放电深度的减小而缩短;在整个恒流-恒压充电过程，动力电池充电时间也随放电深度的减小而缩短。

从以上分析可以得出，动力电池充电电压平台随着放电深度的减小而降低，且在充电末期，动力电池电压上升率随着放电深度的减小而增加。在恒流充电结束时，动力电池均充入了容量的90%以上。因此，为了保护动力电池，可考虑在相同充电电流下，动力电池充电截止电压随着放电深度的减小而降低。这样既可以在恒流阶段进行快速充电，又可以减小动力电池的充电截止电压，从而减小动力电池容量衰减的步伐，延长动力电池的循环寿命。

2.3 不同充电截止电压下动力电池的充电实验

对不同充电截止电压下动力电池的充电曲线进行了比较研究，结果如表4所示。

表4 不同充电截止电压下的充电过程比较

从表4可以看出，以充电电量分析，在恒流充电阶段，动力电池充入电量随着充电截止电压的升高而逐渐增加，恒压充电阶段动力电池充入电量则随着充电截止电压的升高而减少。在整个恒流-恒压阶段，动力电池充入电量随着充电截止电压的升高而增加，但增加量很少。以充电时间分析，在恒流充电阶段，动力电池充电时间随着充电截止电压的升高而增加，在恒压阶段，动力电池充电时间则随着充电截止电压的升高而缩短。在整个恒流-恒压充电过程，动力电池充电时间随着充电截止电压的升高而缩短。

从上面的分析可以得出，动力电池在80A恒流充电下，恒流阶段充入的电量随着充电截止电压的升高而增加，但充电截止电压提高到3.60V以后，在恒流阶段充入的电量随着充电截止电压的升高增加量却很少。在恒流充电结束时，动力电池均充入了容量的90%以上。

2.4 动力电池的充电效率实验

对动力电池其中1次的充放电实验(图6)数据进行了比较分析。动力电池的充电效率见表5。

表5 动力电池的充电效率

从表5可以得出，磷酸铁锂动力电池的充电安时效率非常高，能达到99%以上。这是因为锂离子动力电池在充放电反应中，锂离子在正负极之间来回转移，即外部有1库仑的电子通过，内部几乎就有1库仑的锂离子转移。而磷酸铁锂动力电池能量衰减非常缓慢，所以在一个循环内，动力电池的安时效率非常高。而磷酸铁锂动力电池的充电能量效率要低一些，大约在91%。这是由于动力电池的充电电压平台与放电电压平台相差较大(图6)，电池充电电压平台约3.42V，放电电压平台约3.20V。所以磷酸铁锂电池充电能量效率低于充电安时效率。

2.5 动力电池的充电方法

通过实验分析得出，如果采用常规的恒流-恒压充电方法对磷酸铁锂动力电池进行充电，电池充电截止电压是一个定值。在不同的状态下用常规的充电方法对动力电池充电可能降低动力电池的充电速度或影响动力电池的循环寿命。因此须根据动力电池的实际状态和充电需求选择相应的充电方法，以延长动力电池的循环寿命。而当动力电池组串联使用时，根据单节动力电池的状态来控制动力电池组的充电过程，有利于保护单节动力电池，在延长单节动力电池循环寿命的同时也延长了动力电池组的循环寿命。

根据充电需求，一般动力电池或动力电池组充电过程分快速充电和常规充电。快速充电是指在短时间内(1h内)充入动力电池容量的90%以上，适合于白天须快速充电的场合;常规充电是指采用小电流进行恒流-恒压充电，充电完成时，动力电池充入容量的100%，适合于夜间利用市电慢速充电。从动力电池的充放电特性可以得出，常规充电过程控制比较简单，利用夜间时间比较长的特点，采用0.2C电流对动力电池进行恒流-恒压充电，当充电结束时，动力电池能充入容量的100%。

从磷酸铁锂动力电池充电特性分析可以得出，大电流快速充电过程须根据动力电池的状态进行控制。由动力电池在不同放电深度下的充电特性可以看出，在恒流充电后期，动力电池在不同放电深度下的充电曲线并不一样。动力电池充电电压平台随着放电深度的减小而降低，且在充电末期，动力电池电压上升率随着放电深度的减小而增加。在恒流充电结束时，动力电池均充入了容量的90%以上。因此，本文中提出的根据放电深度来设定充电截止电压，即随着放电深度的减小而减小充电截止电压，比如当放电深度为1时，充电截止电压设置为3.70V，放电深度为0时，充电截止电压设置为3.50V。然后在放电深度1到0之间，充电截止电压设置为3.70V到3.50V不等。通过这种方法既可对动力电池进行大电流快速充电，又可减小对动力电池损坏的危险，从而延长动力电池的循环寿命。通过磷酸铁锂动力电池充放电实验，验证了该方法的正确性和可行性。

3 结论

在室温下对磷酸铁锂动力电池进行了不同充电电流、不同放电深度以及不同充电截止电压下的充电实验。结果表明:当放电深度为1时，在小电流充电下，动力电池在恒流阶段充入电量较多，但充电时间较长;在大电流充电下，动力电池在恒流阶段充入电量较少，但可大大缩短充电时间，且可充入容量的90%以上;当放电深度不同时，动力电池充电电压平台随着放电深度的减小而降低，且在充电末期，动力电池电压上升率随着放电深度的减小而增加。

本文中提出的根据磷酸铁锂动力电池的充电特性和充电需求来选择合适的充电方式的方法，不仅适用于单节磷酸铁锂动力电池，也适用于磷酸铁锂动力电池组。该方法既可以对磷酸铁锂动力电池进行大电流快速充电，又可以减缓动力电池容量衰减的速度，从而延长了动力电池的循环寿命。

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