动力驱动系统锂电池单体充电特性的实验分析

毛鹏军，丁月华，张松泓，张亚龙

(河南科技大学农业工程学院，河南洛阳471003)

动力驱动系统锂电池单体充电特性的实验分析

毛鹏军，丁月华，张松泓，张亚龙

(河南科技大学农业工程学院，河南洛阳471003)

对动力驱动系统单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，通过对单体18650锂电池充电曲线以及相关数据的分析，得出了单体18650锂电池在充电后期(恒压阶段)所充入的容量占总容量的比例很小，而且所用的时间很长，充电效率很低的结论。所以对充电时间进行了限制，以不同倍率的电流进行1 h的充电，记录下电池的端电压、容量和时间，得出以0.5C倍率的电流对单体18650电池进行充电，充电效率最好。

18650锂电池;充电特性;充电时间

近年来随着世界各国私家车数量的增加，我们所面临的能源短缺、环境污染等问题也日益严峻[1]，因此环保型车辆的研究成为汽车工业可持续发展的一个重大研究方向。目前，发展新能源电动汽车是现在世界汽车发展的一种趋势[2-3]。锂电池由于容量大、充放电寿命长、无记忆效应、自放电率低和无污染等优点，在越来越多的电动车上得到广泛的应用[4-5]。

电动车的能源研究大部分集中在电池的特性研究上，电池的特性研究包括充电特性以及放电特性研究。为了进一步了解锂电池的充电特性，本文对单体18650锂电池的充电特性进行了一系列研究。

1　18650锂电池概述及实验设计

1.118650锂电池概述

18650电池分为锂离子电池和氢镍电池，本文只对锂离子电池进行了研究。本实验对神火3 800 mAh/3.7 V的单节18650锂电池进行充电特性实验。电池部分技术参数如下：标称电压3.7 V，标称容量3 000 mAh，锂电池直径18.0mm，高度65.0mm。在室温(25℃)下进行实验，充电截止电压4.2 V，放电截止电压2.75 V。

1.218650锂电池充电实验设计

根据18650锂电池的特性及马斯最佳充电电流曲线，本实验采用“恒流-恒压”的充电方式，既避免了恒流充电法后期过充电的现象，又避免了恒压充电法前期充电电流过大的现象。

本实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，充电电流值控制在标称容量值以内。在充电初始阶段，先采用小电流对电池进行预充电，然后采用较大的恒流对电池进行快速充电，当电池电压接近其额定电压时，充电方式采用恒压方式，由于充电机的功率恒定，这样会使充电电流渐渐减小，最后对电池进行涓流充电，直到达到额定电压为止[6-7]。单体18650锂电池“恒流-恒压”的充电方式曲线如图1所示。在“恒流-恒压”的充电之前，先采用小电流对18650锂电池进行预充电处理，对有可能发生过放现象的电池进行修复保护。然后再进入“恒流-恒压”的充电模式，首先采用大电流进行恒流充电，缩短了充电时间；再采用恒压充电，当电池达到充电的终止电压后，采用恒压法充电，确保电池充满电。由于在恒压阶段中所充入的容量占总容量的比例很小，而且所用的时间较长，充电效率很低，所以对充电时间进行了限制。实验以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流进行1小时的充电，记录充电过程中的时间、电压、电流、容量的变化，从而分析电池的充电特性，找到最佳充电电流。

图1　18650锂电池“恒流-恒压”的充电方式曲线

2　单体18650锂电池充电特性实验及分析

2.1单体18650锂电池充电时电压与时间的关系

实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流对单体18650锂电池进行1小时的充电，记录充电过程中的电压随时间的变化，对单体18650锂电池5次循环充放电实验。对实验结果进行预处理，将实验结果进行数据处理，处理结果如图2所示。

图2　锂电池端电压与充电时间的关系

由图2可知，不同充电电流倍率下单体18650锂电池端电压与充电时间的关系：以不同充电倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流进行充电，电压随着充电时间的增加不断增大。在初始一定阶段，电压随着充电时间的变化急剧增长；当进行充电一定时间后，进入恒流转为恒压的过渡时期，电压增长减缓，最后趋于稳定。其中，在0.2C充电倍率充电时，单体18650锂电池充电截止电压所用的时间最长，在1C充电倍率充电时，单体18650锂电池充电截止电压所用的时间最短。实验结果表明，随着充电电流的增加，单体18650锂电池达到充电截止电压所用的时间就越短。

2.2单体18650锂电池充电时容量与时间的关系

实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C)的电流对单体18650锂电池进行1小时的充电，记录充电过程中的容量随时间的变化，对单体18650锂电池5次循环充放电实验。对实验结果进行预处理，将实验结果进行数据处理，处理结果如图3所示。

由图3可知，不同充电电流倍率下单体18650锂电池充电容量与充电时间的关系：在充电的初始阶段，锂电池充入的容量基本一致。在充电的中间阶段，充入的容量与时间几乎成正比(简称“充容速率”)，而且充电电流越大充容速率也就越大。由锂电池容量与充电时间的结果可以看出，以0.2C倍率的电流充电，充电1 h能达到锂电池标称容量的70%；以0.4C倍率的电流充电，充电1 h能达到锂电池标称容量的95%；以0.5C倍率的电流充电，充电效率最好，锂电池在30 min左右充满电量。实验结果表明，在锂电池充电阶段，充入的容量与时间几乎成正比，而且充电电流越大充容速率也就越大。以0.5C倍率的电流充电，单体18650锂电池充电效率最好。

图3　锂电池容量与充电时间的关系

2.3单体18650锂电池充电时电流与时间的关系

实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流对单体18650锂电池进行1小时的充电，记录充电过程中的电流随时间的变化，对单体18650锂电池5次循环充放电实验。对实验结果进行预处理，将实验结果进行数据处理，处理结果如图4所示。

图4　锂电池电流与充电时间的关系

由图4可知，不同充电电流倍率下单体18650锂电池充电电流与充电时间的关系：以不同充电倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流进行充电，电流随着充电时间的变化不断降低，最后电流趋于一定值。其中，在0.2C充电倍率充电时，单体18650锂电池恒流阶段所用的时间最长，恒压阶段电流下降最少；在1C充电倍率充电时，单体18650锂电池恒流阶段所用的时间最短，恒压阶段电流下降最多。实验结果表明，充电电流越大，恒流阶段所用的时间就越短，而在恒压阶段电流下降的就越多，充电性能越优。

2.4单体18650锂电池充电时电压与时间的关系

实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流对单体18650锂电池进行1小时的充电，记录充电过程中的电压随电池容量的变化，对单体18650锂电池5次循环充放电实验。对实验结果进行预处理，将实验结果进行数据处理，处理结果如图5所示。

图5　锂电池电压与容量的关系

由图5可知，不同充电电流倍率下单体18650锂电池端电压与充电容量的关系：以不同充电倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流进行充电，电压随着充电容量的增大不断增大。在初始一定阶段，电压随着充电容量的变化急剧增长；当一定时间后，电压增长减缓，最后趋于稳定。其中，以0.2C倍率的电流充电，恒流阶段结束时(即达到恒压阶段)，锂电池充入的容量为55%；以0.4C倍率的电流充电，恒流阶段结束时(即达到恒压阶段)，锂电池充入的容量为19%；以0.5C倍率的电流充电，恒流阶段结束时(即达到恒压阶段)，锂电池充入的容量为7%；以1C倍率的电流充电，恒流阶段结束时(即达到恒压阶段)，锂电池充入的容量为5%。虽然以0.5C倍率的电流充电，恒流阶段充入的容量仅为7%，不过所用时间仅为2 min，在充电时间为30 min时，充入的容量可以达到100%。实验结果表明，18650锂电池以0.5C倍率的电流充电，充电效率最好。

3　18650锂电池特性实验结果分析

实验对单体18650锂电池采用“恒流-恒压”的充电方式，以不同倍率(0.2C、0.4C、0.5C、1C)的电流进行1小时的充电，记录充电过程中的时间、电压、电流、容量的变化以及之间的关系。从实验结果分析表明，在“恒流-恒压”充电条件下，充电电流越大时，单体18650锂电池充电截止电压所用的时间就越短；单体18650锂电池充电恒流阶段所用的时间就越短，而在恒压阶段电流下降的就越多。同时，达到标称电压时，显示的电池容量值要比实际的容量值要大；也会降低电池的使用寿命。在恒流转为恒压的过渡时期，充电电流越小，过渡时期越长，过渡时间越长，电池越容易充满。电池的充电技术决定了电池的寿命和电动车辆的使用范围，充电时间较长是制约其推广应用的瓶颈。所以，选择一个最佳充电电流是有必要的。通过实验可知，当单体18650锂电池以0.5C倍率的电流充电时，锂电池充电效率最好，充电时间最短。

4　结论

对单体18650锂电池进行充电实验，采用以不同倍率的充电电流先恒流再恒压的充电方法，充电截止电压为4.2 V，放电截止电压2.75 V，充电电流值控制在标称容量值以内。通过采用不同倍率的电流进行充电，对充电过程中的时间、电压、电流、容量的变化建立关系图。

根据实验结果表明：充电电流越大时，单体18650锂电池充电截止电压所用的时间就越短；单体18650锂电池充电恒流阶段所用的时间就越短，而在恒压阶段电流下降得就越多。当单体18650锂电池以0.5C倍率的电流充电，锂电池充电效率最好。本实验对单体18650锂电池充电特性的研究，为电池组的实验研究奠定了基础。

[1]王增红，潘勇.18650动力电池SOC的智能估算[D].湖南：湘潭大学，2013:1-2

[2]何洪文，孙逢春，张晨光，等.锂离子动力电池充放电特性的实验研究[J].北京理工大学学报,2002,22(5):578-581.

[3]王志福，彭连云，孙逢春，等.电动车用锂离子动力电池充放电特性[J].电池,2003,33(3):167-168.

[4]张庆，李革臣.锂离子电池充放电特性的研究[J].自动化技术及应用,2008,27(12):107-108.

[5]柏林，汪泉弟.电动汽车动力电池的电气特性分析及模型研究[D].重庆：重庆大学，2013:1-2.

[6]范玉超.电动汽车电池管理系统的研究[D].河南：郑州大学，2013: 6-15.

[7]刘再飞.电动汽车锂电池管理系统的研究[D].山东：青岛大学，2013:2-5.

Charging characteristic test analysis of lithium cells for power drive systems

MAO Peng-jun,DING Yue-hua,ZHANG Song-hong,ZHANG Ya-long
(College of Agricultural Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China)

The 18650 lithium cells for dynamic drive system were charged by constant current under constant pressure.Based on the analysis of charging curve and relevant data of 18650 lithium cells,it is concluded that the proportion of the charged capacity in the total capacity is small at the late charging stage(constant phase)with a long time and a low charging efficiency.Therefore,during the charging period,the cells were charged at various charging rates for 1 h,and the voltages,capacities and times were recorded.it is concluded that the charging efficiency is the best when charging 18650 lithium cells at 0.5C.

18650 lithium battery;charging characteristics;charging time

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1926-03

2016-03-19

毛鹏军(1972—)，男，河南省人，教授，博士，主要研究方向为农业电气化与自动化。