锂离子动力电池脉冲快速充电实验研究

潘盛辉，丁修乘，郭毅锋

(广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006)

锂离子动力电池脉冲快速充电实验研究

潘盛辉，丁修乘，郭毅锋

(广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006)

为了满足电动车用锂离子动力电池快速高效充电的要求，根据马斯三定律提出了一种大电流带负脉冲充电方法作为电池的快速充电方式。通过大量实验，证实了带负脉冲形式的大电流脉冲充电是一种能明显减小极化效应、缩短充电时间、快速高效的充电方式，并且通过实验确定了放电负脉冲的幅值和宽度最佳值。结合放电负脉冲参数值对10 Ah/3.2 V锂离子动力电池进行充电实验，在充电量不低于90%的前提下，比常规大电流恒流充电速度提高了32.85%，达到了快速高效充电的目的。

锂离子动力电池；负脉冲；快速充电

动力电池作为电动汽车动力源，其性能直接关系到电动汽车的续驶里程、使用寿命等问题。锂离子动力电池的性能和使用寿命与动力电池的充电方法有着密切的关系，选择合理的快速充电方法对锂离子动力电池的使用有着十分重要的意义[1]。目前恒流充电、恒压充电[2]、分段式恒流恒压充电[3]等方法广泛运用在充电设备中。这些充电方法，所设定的充电电流相对较小，整个充电过程所需的时间较长，不能很好地起到快速充电的作用。为了实现快速充电，应采用大电流方式进行充电，但是简单的大电流充电不能使电池达到充满状态，同时还会损伤电池、缩短电池使用寿命。因此，本文根据电池快速充电基本理论，结合充放电实验，提出了大电流带负脉冲充电方法，以实现锂离子动力电池的快速充电。

1 脉冲快速充电基本理论

锂离子动力电池充电过程总是受到其电化学反应所产生的极化效应的影响，主要极化表现为电化学极化、浓差极化和欧姆极化等。由于极化效应的存在，电池本身固有的可接受充电电流按一定形式衰减，因此使得锂离子动力电池无法接受长时间大电流充电，从而表现为充电速度减慢。

根据美国学者马斯研究所得理论，电池在充电过程中适当的停充或大电流放电，可以使充电速度得到改善，其提出的马斯三定律为快速充电提供了重要的理论依据。

第一定律：对于任意给定的放电电流，电池充电接受率与放电容量的平方根成反比。即：

式中：α为充电接受率；C为放电容量；K为常数；I0为充电初始电流。

由式(1)可知，电池放电深度不同，充电时的可接受能力发生变化。由式(2)可知，电池的放电深度越深，充电时可接受更大的初始电流值。

第二定律：对于任意给定放电深度，电池的充电接受率与放电电流的对数成正比。即：

由式(3)可知，电池放电率不同，充电时的可接受能力发生变化。由式(4)可知，电池的放电电流越大，充电时电池对于电流的接受能力就越强。

第三定律：电池经几种放电率放电，其接受电流是各种放电率下接受电流之和。即：

马斯三定律揭示了充电时蓄电池对电流的可接受能力与放电量之间的关系。通过对马斯三定律的分析可知，在锂离子动力电池充电的过程中，进行一定深度的放电，可以提高电池的充电电流接受能力，从而加快电池的充电速度。

2 脉冲快速充电实验研究

电动车用锂离子动力电池对充电过程要求严格，要求在保证充电安全和不影响使用寿命的前提下实现快速、节能、高效充电。本文结合马斯三定律，在恒流恒压充电过程中加入放电负脉冲电流，用以减小充电过程中的极化效应，提高电池大电流充电接受能力，从而提高充电速率，缩短充电时间。

2.1 锂离子动力电池测试实验系统

锂离子动力电池测试实验采用Stropower动力电池测试系统XP-EVBT-BS-100-150，最大容量为100 V/150 A。该测试系统能够测量和记录电流、电压、温度等参数，数据采集和最小记录周期为250 ms。测试系统提供了编写电池测试程序的环境，测试程序最大可设200阶段。电池测试系统原理结构如图1所示。

图1 电池测试系统原理结构框图

本文中被测电池为国产某公司10 Ah/3.2 V磷酸铁锂动力电池，电池的充电上限电压为3.65 V，放电下限电压为2.5 V。电池的性能和循环使用寿命、安全性与温度有着密切的联系，因此在电池充放电过程中应严格控制其温度。电池温度的变化是由本身内部的化学反应所造成的，温度的测量应采集电池内部温度。但由于电池外围结构和封装的限制，内部温度的采集比较困难。因此，本文选用多点采集电池外部温度求平均值的方法来确定电池的温度。

2.2 脉冲快速充电法参数实验

为了体现锂离子动力电池脉冲充电的快速性和可行性，进行了一些对比实验。将电池所有电量完全放电后，分别以10、18 A电流恒流充电，18 A充电电流加入幅值为5 A放电电流进行充电的结果如图2所示。

图2 带放电负脉冲的充电效果曲线

从图2中可知，加入放电负脉冲的充电方式，对充电效果和充电时间有明显的改善。10 A恒流充电，在电池达到截止电压时，所能充进的电量为10.585 Ah，充电所用时间为3 820 s；18 A恒流充电，充进的电量为9.261 Ah，所用时间为1 854 s；而加入放电脉冲的充电方式则能充入电量为10.253 Ah，所用时间为2 565 s。比较三种充电方式可知：18 A恒流充电方式电池电压在相对较短的时间内达到了充电截止电压，表明过大的充电电流会使得电池的极化效应加剧，不利于电池对大电流的接受；加入反向放电脉冲的充电方式，可以减缓极化效应，提高电池对大电流的接受能力，使电池达到截止电压的时间延长了38.35%，充入电量增加了10.71%；加入反向放电脉冲的充电方式与10 A恒流充电方式比较，充电时间缩短了32.85%，但充入电量减少了3.14%。

为了验证三种充电方法实际充入的电量，进行了相同方式下的放电实验。以10 A电流恒流放电，直至电池电压为2.5 V，得到的放电数据如表1所示。

表1 不同充电方式在相同放电条件下的放电情况统计

从表1可知，加入放电负脉冲的充电方式虽然比10 A恒流充电方式少充入3.14%电量，但实际放电量相当，而加入放电负脉冲的充电方式放电效率高于10 A恒流充电方式。说明加入放电负脉冲的充电方式在确保充电电量的前提下可以有效地缩短充电时间，提高充电速率。

2.2.1 放电负脉冲幅值实验

锂离子动力电池在大电流恒流充电过程中，适当的加入放电负脉冲可以有效地消除或抑制电池的极化效应。放电负脉冲的幅值是关键的参数之一，为了探寻合适的负脉冲幅值，采用了不同负脉冲幅值进行充电实验。

实验在完全放电的情况下，电池的电压为2.85 V。充电电流为18 A，放电负脉冲幅值分别设为-7、-5和-3 A，进行充电实验。相关实验曲线和数据如图3、图4和表2所示。

图3 不同幅值放电负脉冲充电效果曲线

图4 不同幅值放电负脉冲充电截段效果

表2 不同幅值放电负脉冲充电数据统计

从表2可知，放电负脉冲幅值为-5 A的充电方式，在充电时间上没有放电负脉冲幅值为-3 A的充电方式短，在改善电池极化效应的效果上没有放电负脉冲幅值为-7 A的充电方式好，但就其充电时的温升、放电容量以及放电效率上都是三种方式中最好的。其原因是，该幅值的放电脉冲在一定程度上很好地平衡了电池充放电过程。因此，根据实验数据，针对测试电池，放电负脉冲幅值为-5 A的充电方式为最佳选择。

2.2.2 放电负脉冲宽度实验

充电过程中加入适当时间的负脉冲，可以有效地消除或抑制极化效应，延长大电流充电持续的时间。因此放电负脉冲的脉冲宽度也是一个很关键的参数。放电负脉冲宽度的设定，要考虑到电池本身的化学反应速度。放电脉冲宽度过窄，电池还未来得及反应，放电脉冲就已结束，这样就不能起到改善电池极化效应的目的。放电脉冲宽度过宽，虽能达到改善电池极化效应的目的，但是增加了整体的充电时间，这与快速充电的原则相违背。因此，放电脉冲宽度具体设定，是研究脉冲快速充电的重要内容。

根据马斯三定律原理，结合电池手册数据参数，实验采用18 A充电电流，充电脉冲宽度为50 s，分别用脉冲宽度为5、6、7、8、9 s对锂离子动力电池进行充电实验[4]。同时为了验证实际充电电量，每次充电结束后静置3 h再对电池进行恒流放电实验。充放电实验得到的数据如图5、图6和表3所示。

图5 不同放电脉冲宽度下充电效果曲线

图6 不同放电脉冲宽度下充电截段效果

表3 不同放电脉冲宽度下充电数据统计

从表3可知，当放电负脉冲小于7 s时，充电到达截止电压的时间、负脉冲放电前后电压降以及充入电量随放电脉冲宽度增加而增加。这是由于充电过程中，放电脉冲时间越长，对电池极化效应改善越明显，同时整个充电过程温升也就越低。当放电负脉冲大于7 s时，放电脉冲宽度逐渐增加，充电到达截止电压的时间随着增加，但负脉冲放电前后电压降以及充入电量并不是随之增加。这是因为一定幅值的放电负脉冲对改善电池极化效应是有限的，放电脉冲宽度过宽将导致累计放电时间变长，同时累计放出电量随之增多，从而表现出充电时间长但充入电量少的现象；另外随着大电流充电时间增加，电池的温升也逐渐增加。因此，放电脉冲宽度从5 s增加到9 s的过程中，电池充电时间是随宽度的增加而逐渐变长，电池充电过程的温升、充入的电量、负脉冲放电前后的电压降以及放电容量表现为先增大后减小的趋势。

基于实验数据与理论计算，综合充电时间、充入电量、温升、放电容量以及放电效率等因素，选择放电脉冲宽度为7 s最为合适。

2.3 脉冲快速充电法充电效果分析

选取10 Ah/3.2 V锂离子动力电池作为实验对象，按完全充电状态电池的实际放电量为基准，用10 A电流进行不同深度放电，使电池处于不同荷电状态(SOC)。采用放电负脉冲幅值为-5 A，宽度为7 s的带负脉冲充电方式进行充电，分别记录充电时间和放电量。实验结果如表4所示。

表4 不同荷电状态下充电效果统计

由表4可知，放电负脉冲幅值为-5 A，宽度为7 s的带负脉冲充电方式在不同SOC状态下，充电时间随SOC增加而减少，符合真实变化情况。从放电容量看，放电容量变化甚微，说明该充电方式适应于不同SOC条件下的充电。

在SOC为零时，该充电方式在确保充电容量和放电容量达到要求的前提下，比10 A恒流充电在时间上缩短了1 255 s，充电速度提高了32.85%。

3 结论

通过理论计算与实验数据分析可知：锂离子动力电池在大电流充电过程中加入适当的放电脉冲，可以有效地减缓极化效应，提高电池充电过程中大电流的接受率，从而缩短充电时间，加快充电速度。本文以10 Ah/3.2 V锂离子动力电池为实验对象，确定放电脉冲幅值为-5 A，放电宽度为7 s的带负脉冲充电方式对电池进行充电实验，其结果表明该方法在不到44min的时间内，使电池电量达到90%以上，充电速度比常规大电流充电提高了32.85%。

[1]何秋生,徐磊,吴雪雪.锂电池充电技术综述[J].电源技术，2013，37(8):1464-1466.

[2]张彦琴,刘汉雨,卢明哲.锂离子电池充电方法及其评价指标[J].电池工业，2013，18(3/4):99-102.

[3]王鸿雁,李广凯,江政昕,等.锂离子电池快速充电方法研究[J].电源技术，2012，36(11):1616-1619.

[4]郭毅锋,王志福,黄丽敏.矿用铅酸动力电池带负脉冲放电的快速充电方法研究[J].煤矿机械，2012，33(9):75-77.

Experimental study on pulse fast charging of lithium-ion battery

In order to achieve the requirements for quickly and efficiently charging of lithium-ion battery used in electric vehicle,according to Mas three laws,the high current charging method with negative pulse was introduced as one of the fast charging methods.A great number of tests show this charging method can effectively eliminate polarization effects and shorten the charging time.The optimal value of the amplitude and the width for the discharge negative pulse is determined.The charging experiments were conducted for the 10 Ah/3.2 V lithium-ion battery by using the parameters of the discharge negative pulse.The results show that the speed increases by 32.85% compared with conventional high-current constant current charging in 90%of the amount of charge provided, achieving the purpose of fast and efficient charge.

lithium-ion battery;negative pulse;fast charge

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1172-04

2015-12-09

国家自然科学基金 (51407038)；广西自然科学基金(2013GXNSFBA019241)；广西汽车零部件与整车技术重点实验室基金项目(13-051-38，2013KFMS02)

潘盛辉(1971—)，男(侗族)，广西壮族自治区人，硕士，副教授，主要研究方向为车辆动力学与控制、新能源汽车技术。