锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究

马进红，王正仕,苏秀蓉

(浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027)

引言

随着电动汽车等大功率蓄电池供电设备的发展，大容量动力电池的需求日益增加。传统的铅酸蓄电池有寿命短、重量和尺寸大等缺点，与之相比锂离子电池有更高的能量密度、更长的使用寿命、质量轻、无污染，因此得到了广泛的应用[1]。蓄电池的充电方式与电池的循环寿命、充电效率有着直接的联系，对于大容量蓄电池通常我们希望充电时间尽量短、效率尽量高，同时对电池的损害尽量小。要减少充电时间，必须提高充电电流，但蓄电池可接受的持续最大充电电流有限，传统充电方式无法大幅提高充电电流。已经证实，脉冲充电能在保证充电效率前提下，提高铅酸蓄电池的充电效率[2]，但对于大容量锂离子电池的充电效果缺乏实验依据，特别是大电流 （电流1C以上，C为电池额定容量数值）充电条件下的电池特性。

本文通过大量实验，对大容量锂离子电池的大电流脉冲充电特性进行了研究。

1 锂离子电池充电方式概述

1.1 锂离子电池充电特点

锂离子电池相对于目前常用的铅酸蓄电池有诸多优点，但其对充电环境的要求也比较严格。

（1）锂离子电池耐过充的能力极其有限[3]。如果充电电压超过其充电截止电压，电池电压将持续升高，负极将析出固态金属锂，从而导致电池容量不可逆的物理性减小，持续过充甚至可能发生爆炸。

（2）锂离子电池可承受的持续最大充电电流有限。蓄电池最大充电电流与时间的关系如图1，由于蓄电池极化现象的存在，随着充电时间的增加，蓄电池可接受的最大充电电流减小。持续大电流充电条件下，正负极离子浓度升高，极化加剧，电池端电压将很快达到充电截止电压导致无法继续充电。同时大电流充电下电池温度会过高，对电池安全性产生影响。

1.2 传统充电方式

蓄电池传统的充电方式有很多，常用的方式有恒压、恒流、两段式恒流恒压、三段式恒流恒压浮充等方式。

恒压充电：恒压充电的电压电流曲线如图2所示，充电过程中保持充电电压恒定，充电电流不断下降。恒压充电方式结构简单，容易实现，缺点是充电速度慢，在充电初期的充电电流过大，对电池寿命影响很大。

恒流充电：整个充电过程电流恒定。根据图1，电池在充电后期的电流会超过其最大充电电流，导致电池无法充满，电池温度上升过快，影响电池寿命。

两段式恒流恒压与三段式恒流恒压浮充方式：这是目前使用最普遍的充电方式，恒流阶段电流保持恒定，电池端电压持续上升；当端电压上升到充电截止电压时改为恒压充电，保持电池端电压恒定，充电电流不断减小；当电流减小到一定值时，如果还有浮充阶段，则提供一个很小的浮充电流，以弥补蓄电池的内部损耗使其保持在充满状态。

以上传统充电方式应用广泛，但它们共同的缺点是充电速度比较慢，充电电流受限于图1所示的最大充电电流。随着大容量动力电池的日益普及，寻求高效安全的快速充电方式变得非常必要。

1.3 脉冲充电方式

为提高锂离子电池的充电速度，必须提高充电电流，但充电电流越大，蓄电池正负极板上积累的电荷越多，因此极化现象越严重，致使蓄电池端电压迅速上升到充电截止电压，无法达到充满电的目的，并且对电池造成损害。为克服以上困难，发展出了一些新型快速充电方式。

脉冲充电方式是一种能有效消除铅酸蓄电池极化现象、减少充电时间的快速充电方法[4,5]。其原理是，每隔一段正向充电脉冲后，加入一段充电停止时间和放电脉冲。脉冲充电有两种形式：正脉冲充电形式和正负脉冲充电形式[6]，正脉冲充电形式在正脉冲中间加入一段停止时间，而正负脉冲充电形式在正脉冲之后加入一段放电脉冲，如图3。短暂的充电停止时间和放电脉冲能有效减少或消除极化现象，从而能够用较大的电流给蓄电池充电，提高充电速度。

脉冲充电的主要参数有：充电电流I，脉冲充电周期T，正脉冲充电时间T1，负脉冲放电时间T2，停止充电时间Ts，其中T=T1+T2+Ts。选择不同的参数将对充电效果产生不同影响。

目前对于大容量锂离子电池，大电流脉冲充电效果缺乏实验依据。

2 使用的充电策略

为研究脉冲充电电流、正负脉冲充电时间、停止充电时间对锂离子电池充电效果的影响，本文选取正负脉冲充电方式作为测试方法，使用的主要测试器材：

（1） LT-40 Ah，3 V 锂离子电池；

（2）WWL-PS型直流稳压开关电源 （0～15 V，0～300 A）；

（3）M9714型可编程直流电子负载 （0～240 A，0～1 200 W）。

充电电路结构如图4所示。

电路主要结构为MOS管构成的H桥。为了提供恒定充电电流，测试中将直流稳压源和恒流模式的电子负载串联，形成可提供高达200 A的等效电流源，其中直流稳压源提供所需功率，电子负载的恒流模式实现输出恒定电流功能。D3和Bat2为电流旁路回路，在停止充电阶段，H桥关断，恒流源通过此回路旁路，其中Bat2为非测试蓄电池，可以为铅酸蓄电池等。下面介绍电路工作原理。

正脉冲充电时：T1和T4管导通，电流流经T1、D1给待充电电池Bat1充电，然后通过T4、D2回到稳压源负极。

停止充电时：此时H桥关断，由于恒流源不可开路，因此将二极管D3和旁路电池Bat2组成电流旁路，电流在这一段停充时间流过此旁路。

负脉冲充电时：T2和T3管导通，电流流经T3给Bat1反向充电（即电池放电），然后通过T2回到稳压源负极。二极管D1、D2的作用是防止电流经过T1和T4的体二极管在 T1、T3和 T2、T4够成的上下两个回路中形成通路。

实验中锂离子电池的充电截止电压设置为4.2 V。DSP不断检测电池端电压，通过SCI通信模块，每隔一段时间将电池电压数据上传到上位机软件。当检测到电池端电压已达到充电截止电压，DSP发出触发指令给电子负载，从而使电子负载关断，充电停止。

3 实验及结果

3.1 脉冲充电与恒流充电方式比较

为测试脉冲充电效果，实验中将脉冲充电方式和恒流充电方式进行比较。两种充电方式的过程都为：将放电至放电截止电压(2.5 V)的锂离子电池静置5 h，然后充电至充电截止电压(4.2 V)。把两种方式充好电的电池进行同一基准(放电电流1 C，即40 A)放电，通过放出的电量来衡量充进电量的多少。图5为充电电流为2 C下的脉冲充电电流波形和锂离子电池端电压波形。

脉冲充电的正负脉冲和停充时间参数选取为：T1=0.9 s，T2=70 ms，Ts=30 ms。检测充电电流的霍尔元件转换比为40 A：1 V。表1为两种充电方式在1 C、2 C、3 C充电电流下的数据，图6为充电电流与充进电量和充电时间关系曲线。

表1 脉冲充电与恒流充电部分数据

由表1和图6可以看出，（1）脉冲充电能够保持电池充进电量基本不变（充满），不会随充电电流的增大而明显减小，而恒流充电随着充电电流增大，充进电量急剧减小。可以得知，脉冲充电的负脉冲和停充过程消除或减小了电池电极的极化现象。而大电流恒流充电条件下，极化现象加剧，电极离子浓度升高，使端电压很快达到截止电压，产生“充满”的假象。同时电池温升加快，对电池的安全性产生影响。（2）脉冲充电时间相比恒流充电时间会长一些，这是因为脉冲充电的电流平均值小于恒流充电电流。但随着充电电流增大，两者的充电时间之差越小，脉冲充电方式优势越明显。

3.2 不同正负脉冲时间对充电效果的影响

一个周期中正负脉冲所占时间比例是脉冲充电的重要参数。表2为正负脉冲充电电流大小为2.5 C下，不同正负脉冲占空比下的充电数据，正脉冲占空比=1-负脉冲占空比-停充占空比 （固定为3%）。

图7反映出不同正负脉冲占空比下的充进电量和充电效率的关系曲线。充电效率计算公式为[7]：

由图7可知，（1）随着负脉冲占空比的提高，能充进的电量逐渐增加，提高到7%左右时，充进的电量基本保持最大值（充满）不变。当负脉冲占空比太小时，负脉冲时间太短，不足以消除电极的极化现象，因此能充进的电量达不到充满状态，但负脉冲占空比太大将使充电时间增加。（2）随着负脉冲占空比的提高，充电效率也逐渐提高，这也反映出当减弱或消除极化现象后，能充进的电量增加。

综合可知，需要选择一组最优的正负脉冲充电时间，以达到用最短的时间充满电池，同时达到较高的充电效率。本实验中，当正脉冲占90%，负脉冲占7%，停充时间占3%时，充进电量和充电效率达到较好效果，同时充电时间也较短。

4 结束语

实验验证了在大充电电流条件下，脉冲充电方式可以有效减小和消除锂离子电池的极化现象，从而可以对其进行快速充电，并且极大的减小对电池的损害。通过合理选择脉冲充电参数，可以使脉冲充电效果达到最优化。

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