钠-氯化镍动力电池快速充电方法研究

袁利国， 郭朝有， 徐 海， 吴雄学

(1.北海舰队装备部，山东 青岛266071；2.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033)

钠-氯化镍动力电池快速充电方法研究

袁利国1， 郭朝有2， 徐 海2， 吴雄学2

(1.北海舰队装备部，山东 青岛266071；2.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033)

基于深潜救生艇执行救援任务需求，开展了钠-氯化镍动力电池快速充电方法研究。基于分段恒流快速充电和REFLEXTM快速充电法，提出了钠-氯化镍电池的分段恒流脉冲快速充电法，并结合所建立的钠-氯化镍电池快速充电仿真模型进行了仿真研究。仿真结果表明：分段恒流脉冲快速充电法可实现钠-氯化镍动力电池的快速充电。

钠-氯化镍动力电池；分段恒流脉冲；快速充电法

LR7型深潜救生艇为英国设计、最先进的深海援潜救生设备，该艇采用钠-氯化镍动力电池系统作为水下推进动力、全艇监测与控制仪器电力的唯一动力源。钠-氯化镍电池是20世纪80年代中期以来开发的一种新型高能蓄电池；与铅酸电池相比，具有高可靠性、高比能量、高能量转换效率、无自放电、免维护(全密封结构)、零排放、长寿命(储存＞5年，充放电循环＞1 000周次)、全寿命费用低等突出特点[1]；LR7型深潜救生艇以钠-氯化镍电池替代铅酸电池为动力源，大幅度提升了深潜救生艇动力系统的可靠性，增加了深潜救生艇的续航时间。但相关资料显示LR7型深潜救生艇用钠-氯化镍动力电池的快速充电方法为恒流恒压快速充电方法[2－3]，尚不能满足深潜救生艇执行救援任务的需求，为此，本文参考常规电池的快速充电方法—分段恒流快速充电和REFLEXTM快速充电法，开展了钠-氯化镍动力电池的快速充电方法研究。

1 钠-氯化镍动力电池快速充电法

1.1 恒流恒压快速充电法

目前，国内外关于钠-氯化镍电池快速充电方法研究的公开报道还不多见，仅有文献[2-3]表明钠-氯化镍电池以恒流恒压方法实现快速充电，即如图1所示，先以－1C(本文规定放电电流为正，充电电流为负)电流恒流充电，再以308 V电压恒压充电，其充电效率为30 min可充入50%，75 min可充入80%。

图1 恒流恒压快速充电电流曲线

图1所示表明，恒流恒压法虽可实现电池的快速充电，但其充电效率还不高，且充电电流长时间位于电池最佳充电曲线之上，极易导致电池电解液发生析气反应，电池极化效应明显。

1.2 分段恒流脉冲快速充电法

1.2.1 分段恒流快速充电法和REFLEXTM快速充电法

分段恒流快速充电电流曲线如图2所示，即基于容量控制法将电池充电电流按SOC分段递减方式充电[4-5]。分段恒流快速充电法的充电电流曲线比恒流恒压快速充电法的更逼近马斯最佳充电曲线，可减轻快速充电过程中对电池的损失，提高充电效率。

图2 分段恒流快速充电法电流曲线

REFLEXTM快速充电电流曲线如图3所示，又可称为正负脉冲快速充电法，是对脉冲快速充电法的改进，其充电过程控制相对较复杂[6-7]，可看作周期变脉冲充电过程，每个周期分为负脉冲、前停充、正脉冲、后停充4个阶段。

图3 REFLEXTM快速充电法电流曲线

其中负脉冲充电电流根据马斯最佳充电曲线理论分段递减降低，能有效提高充电效率；而前/后停充阶段和正脉冲放电阶段主要为了降低电池极化效应影响，减少电池析气量，提高下一充电周期的可接受充电电流。因此，REFLEXTM快速充电法可降低电池极化效应，保障电池充电安全，大幅提高电池充电效率，实现电池快速充电。

1.2.2 分段恒流脉冲快速充电法

针对钠-氯化镍动力电池，为提高充电效率，降低电池极化效应影响，基于上述电池分段恒流快速充电法和REFLEXTM快速充电法，提出钠-氯化镍动力电池分段恒流脉冲快速充电法，其充电电流曲线如图4所示。

图4 分段恒流脉冲快速充电法电流曲线

分段恒流脉冲快速充电法的充电电流基于SOC分段法控制；同时参考钠-氯化镍电池在恒流恒压快速充电过程中以－1C电流可充到50%的经验[4-5]，结合马斯最佳充电曲线理论，将各阶段分别以－1.25C、－1.125C、－1C、－0.875C、－0.75C、－0.625C电流对电池进行充电。

其中，前四个阶段，即SOC从0至60%阶段为分段恒流充电阶段，充电电流从－1.25C(－88 A)随上述方法逐段降至－0.875C(－56 A)；而后两阶段，即SOC从60%至80%阶段为REFLEXTM脉冲充电阶段，以120 s为一充电周期，每个周期的前停电、负脉冲、后停充、正脉冲等四个阶段的时间分别设定为2、110、2、6 s。为降低电流倍率效应和电容效应的极化影响，在分段恒流和REFLEXTM快速充电阶段之间加一去极化阶段，即当SOC达到60%时，电池停止充电，以96 A的电流进行去极化放电直至SOC下降到58%。

由文献[6-7]研究结果表明：铅酸电池、锂离子电池等动力电池采用REFLEXTM快速充电法时，当放电脉冲幅度为充电脉冲幅度的2～3倍时去极化效果最佳。由于钠-氯化镍动力电池在REFLEXTM脉冲充电阶段的充电幅度为0.75C和0.625C，因此可选取钠-氯化镍动力电池REFLEXTM脉冲充电阶段正脉冲放电电流为一定值1.5C。由图5可知，SOC为60%～80%时，最大允许充电温度为330～310℃；结合图6可知，此温度范围电池最大放电电流为224 A(3.5C)。因此，放电正脉冲电流设定为1.5C符合温度和电流限制条件。

图5 最大充电温度和SOC关系

图6 最大放电电流和温度关系

2 分段恒流脉冲快速充电法的仿真研究

2.1 仿真模型

为了验证分段恒流脉冲快速充电法的充电效率及其去极化效果，基于Matlab/Simulink平台，参考E.Micolano等[8]所建立的钠-氯化镍电池仿真模型，考虑BMI的控制作用，建立了钠-氯化镍动力电池的快速充电仿真模型如图7所示。该模型包括BMI控制电流、等效电路、SOC估算和辅助系统四个子系统，如图8所示，以SOC初始值、环境温度和电池初始内部温度为输入，可仿真得到电池电流、端电压、SOC、内部温度和充电时间等。

2.2 分段恒流脉冲快速充电法仿真分析

图7 钠-氯化镍电池快速充电仿真模型

图8 快速充电仿真模型结构

图9 为0时分段恒流脉冲快速充电仿真输出曲线

图9(b)表明，在分段恒流充电阶段初期，由于充电电流较大，电池浓差极化电压和电化学极化电压快速上升，其中浓差极化电压在SOC为30%时达到最高，电化学极化电压在SOC为51.8%时达到最高，此后开始降低；在去极化阶段，放电脉冲电流使电池浓差极化电压快速下降；在REFLEXTM脉冲充电阶段，浓差极化电压和电化学极化电压缓慢下降。至充电结束时，浓差极化电压降低了50%，电化学极化电压降低了42.8%。因此，分段恒流脉冲快速充电法可有效降低电池快速充电过程中的极化效应影响。

图9(c)表明，电池经过1 650 s可充入50%，经过3 510 s (约1 h)可充入80%，分别比恒流恒压快速充电法缩短了150 s和990 s，总充电效率提高了22%。

综上所述，分段恒流脉冲快速充电法相对于恒流恒压快速充电法而言，极大地提高了钠-氯化镍动力电池充电效率，同时可有效降低极化效应影响，可实现钠-氯化镍动力电池的快速充电。

3 结论

钠-氯化镍动力电池为LR7型深潜救生艇水下唯一动力源，采用恒流恒压快速充电尚不能满足深潜救生艇执行救援任务的需求，基于常规电池的快速充电方法---分段恒流快速充电和REFLEXTM快速充电法，提出了钠-氯化镍电池的分段恒流脉冲快速充电法，并基于所建立的快速充电仿真模型进行了仿真研究。研究表明：分段恒流脉冲快速充电法可提高了充电效率，同时可有效降低极化效应影响，可用于LR7型深潜救生艇用钠-氯化镍动力电池的快速充电。

[1]DUSTMANN C H.Advances in ZEBRA batteries[J].Journal of Power Sources，2004，127：85-92.

[2]SUDWORTH J L.The sodium/nickel chloride(ZEBRA)battery [J].Journal of Power Sources，2001，100：149-163.

[3]DUSTMANN C H，BITO A.Secondary batteries-high temperature systems safety[J].Encyclopedia of Electrochemical Power Sources，2009，4：324-333.

[4]徐磊.动力锂电池充电技术研究[D].太原：太原科技大学，2014.

[5]刘占军.低速电动汽车智能快速充电系统的研究[D].扬州：扬州大学，2013.

[6]白婷.锂离子电池间歇-正负脉冲充电方法研究[D].武汉：湖北工业大学，2014.

[7]余文正.动力电池模型分析及其快速充放电策略研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[8]MICOLANO E M.Wind turbine and electrochemical based storage modelling and integrated control strategies to improve renewable energy integration in the grid[D].Genova：University of Genova，2011.

Research on fast charge method for sodium-nickel chloride battery

Based on the rescue demand of deep submergence rescue vehicle,the researches on the fast charge method for sodium-nickel chloride power battery were developed.The multi-stage constant current charge pulse fast change method used for the sodium-nickel chloride battery was proposed based on the multi-stage constant current fast change method and the REFLEXTM fast change method.Combined with the built fast charge method for sodium-nichel choride battery,the charge method were simulated.The results show that the methods are appropriate for sodium-nickel chloride power battery and can realize the fast charge.

sodium-nickel chloride power battery;multi-stage constant current pulse;fast change method

TM912

A

1002-087X(2016)12-2368-03

2016-05-12

袁利国（1975—），男，山东省人，工程师，主要研究方向为动力系统监测与控制等。

郭朝有（1976—），男，浙江省人，副教授，主要研究方向为动力系统监测与控制、动力电池管理系统等。