磷酸铁锂电池带负脉冲的快速充电方法的研究

黄丽敏 熊英鹏

摘 要：以磷酸铁锂电池为研究对象，针对其在传统充电方法下充电速度慢的问题开展研究，提出了一种带负脉冲放电的快速充电方法.在分析了带负脉冲充电可行性的基础上，对其正脉冲和负脉冲的大小以及时间进行了具体的计算与仿真分析，结合实验测试数据证实该充电方法相比传统的充电方法确实缩短了充电时间.

关键词：磷酸铁锂电池；负脉冲；快速充电

中图分类号：TM912 DOI：10. 16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.014

0 引言

进入21世纪以来，随着全球城镇化、工业化进程的加快，环境污染以及可持续发展的问题已成为国际社会关注的重点问题[1] .纯电动汽车拥有零排放、低噪声等特点，但其续航里程较短，充电时间长等问题严重影响了纯电动汽车的应用[2].2015年10月中国共产党第十八届中央委员会第五次全体会议通过《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》，建议中明确提出“实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平”的指导思想，2020年我国电动车的保有量目标是500万辆，其充电问题受到了巨大关注[3]，但充电速度慢成为了电动汽车发展的瓶颈[4].目前，锂离子动力电池在纯电动汽车上使用最多的为磷酸铁锂电池，传统充电方法包括：恒流充电、恒压充电、阶段充电等，由于电池自身极化导致其无法完全接受充电电流，从而无法在短时间内完全充满电池容量.为了解决无法充满电量的问题，国内外研究人员提出了间歇充电、脉冲充电等方法，这些方法虽然在一定程度上解决了无法充满电量的问题，但其充电时间较长.而动力电池的内部工作状态是一个复杂的电化学反应[5]，要缩短充电时间，就必须加大充电电流，但对磷酸铁锂电池进行大电流充电时，电池将会受到极大损伤.对锂电池充电，既需要充电快速，又需要充电过程对锂电池使用寿命损耗小[6]，因此，研究一种无伤的快速充电方法具有现实意义.研究无损快速充电，必须检测锂离子电池当前的充电状态，如电压、电流、温度等，根据当前状态调整充电电流的大小及时间，进行合理地充电，以增加电池的充电效率[7].所以，研究快速充电中各个充电参数的合理性，以达到快速、高效、无损的充电目的是缩短锂离子动力电池充电时间的关键环节之一.由此，文章提出了一种带负脉冲的脉冲充电方法，对充电电流正脉冲和负脉冲的大小、时间等参数进行了具体计算、仿真分析，以选取带负脉冲快速充电的最佳参数.

1 快速充电的原理

在20世纪60年代，美国学者JosephA.mas在对蓄电池进行恒流充电时发现，当电池电量超过一定容量后，电池内部就会产生析气现象，并伴随着温度升高、充电速率下降等现象[8].根据这一现象，马斯做了大量的实验，通过对实验数据的分析，提出了电池充电可接受电流的最佳曲线[9]，如图1所示.

由图1可知，无论充电电流太高或太低，都会影响电池充电的效率、使用寿命和性能等.只有当充电电流越接近蓄电池充电可接受电流的最佳曲线时，电池的充电效率才会越高，同时不影响电池的使用寿命及其性能.在第二届国际电动车辆会议上，马斯提出了著名的“马斯三定律”，为快速充电提供了理论基础[10] .由马斯三定律可知，瞬间的大电流放电可以增加电池的充电可接受率，使下一刻可接受更大的电流.有实验证明，在充电过程中当电池电压达到临界值时，加入短时间的大电流放电，能显著提升电池对电流的接收能力[11].

由图2可知，带负脉冲的脉冲充电是指在脉冲充电停充阶段加入负向脉冲来进行充电.在整个充电过程中，通过调整正向脉冲的幅值、充电时间、负向脉冲的幅值以及放电时间来进行控制.

2 正向脉冲幅值的确定

2.1 正向脉冲幅值的确定

为了确定正向脉冲的幅值，需要知道3.2 V/20 Ah磷酸铁锂动力电池在不同充电电流下，电池电压达到充电截止电压3.65 V的充电时间以及电池已充电容量.通过ITS5000电池测试系统对电池进行20次充电测试，测试所得到的充电时间的平均值以及电池已充电容量的平均值，如表1所示.

由表1可知，在充电电流为20 A时，通过计算其充电容量为（18.213 6/20）×100%=91.068%；同理，在充电电流为40 A时，充电容量为68.819%；在充电电流为48 A时，充电容量为31.432%；在充电电流为60 A时，充电容量为5.5%.文章所研究的前提为电池充电容量不低于电池额定容量的80%，因此，在恒流充电时，电池的充电容量不能过低或者过高.根据上述数据，最终选取充电电流的幅值为40 A，即为2C电流（C—电池充放电倍率）.

2.2 正向脉冲充电时间的确定

当充电电流的幅值为40 A时，其充电容量只有68.819%.为了将电池的充电容量提高到电池总容量的80%以上，根据马斯三定律可知，适当地进行放电可以在一定程度上消除极化现象，因此，在恒流充电的基础上加入负向脉冲对电池进行放电，让充电可接受电流有一定的回升，从而使得充电容量得到增加.根据马斯所提出的理论，一般当可接受电流下降1%就进行一次放电，正向脉冲充电时间的表达式为：

由式（1）可知，要确定正向脉冲的充电时间，需先确定充电可接受率[α].根据可接受电流曲线可知，若在某时刻对其积分，则可得到已充电的容量，即如式（2）所示：

将表1的相关数值代入式（2），电池的额定容量取20 Ah，即可得到在不同充电电流下的电池充电接受率.再根据充电接受率可算出起始最大可接受电流，如表2所示.

根据表2可知，40 A恒流充电的起始最大可接受电流为67.72 A，根据马斯定律可知，从67.72 A降到40 A的时间为560 s.在这段时间内，电池对于40 A的电流是完全接受的，可算出电池充电容量为6.222 Ah.在此之后，则会进入带负脉冲的脉冲充电，以此来消除电池的极化现象，使充电可接受電流尽可能维持在40 A.随着充电的进行，电池充电容量会逐渐变大，电池的接受率也会随之变大，其公式如式（3）所示：

根据式（3）可知，当最大可接受电流掉落到40 A时，此时[Cs]为6.222 Ah，C为20 Ah，可算出此时电池充电接受率为2.903.将充电接受率代入式（1），可算出正向脉冲充电时间为12.46 s.

由式（2）和式（3）可知，随着充电时间的增加，电池容量增加，电池充电接受率也随着改变.因此，需要在每进行一个周期的充放电后，更新正向脉冲的充电时间.

综上所述，选取的正向脉冲初始充电时间为12.46 s.随着充电的进行，再根据式（2）和式（3）来更新正向脉冲的充电时间.

2.3 负向脉冲幅值和放电时间的确定

根据复合脉冲功率特性测试（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）可知，锂离子动力电池最大可接受的放电电流为5C，文章选取的电池为3.2 V/20 Ah磷酸铁锂动力电池，因此其最大放电电流为100 A.当放电电流越大时，达到相同放电容量的时间越短，整个充放电过程所用的时间会更短，因此放电电流的幅值选择100 A.

为了确定负向脉冲的放电时间，需确定负向脉冲放电容量的大小，通过结合马斯第一定律和第二定律可推导出式（4）：

根据式（4），可推导出负向脉冲所需放出的容量的表达式为：

由式（5）可知，要确定负向脉冲放电容量的大小，需先确定K值和k值.根据式（4）可知，要确定K值和k值，需先确定充电可接受率[α].而要确定充电可接受率[α]，需要知道在相同放电容量的情况下不同放电电流的放电容量以及放电时间.表3为在相同放电容量不同放电电流下的实测数据，该数据为测得的20次数据所取的平均值.

将表3的实测数据代入式（1），可得出放电电流为20 A时，电池充电接受率为1.026；放电电流为40 A时，电池充电接受率为2.029.将相应的参数代入式（4），可算出K为3.332，k为0.102.将所得到的K值和k值代入式（5）可算出放电容量C为0.014 17 Ah.

由于放电的电流恒定，因此负向脉冲的放电时间的表达式为：

根据式（6），可算出负向脉冲放电时间为0.51 s.

综上所述，选取负向脉冲的幅值为100 A，即为5C，其放电时间为0.51 s.

2.4 带负脉冲的充电方法的仿真结果与验证

在实际环境中，磷酸铁锂动力电池静置后的电压为3.2 V.因此，为了模拟真实环境下的情况，在仿真中，电池模型的初始充電电压为3.2 V，充电截止电压为3.65 V.根据上述所论述的充电方法对锂电池模型进行充电，带负脉冲的充电方法的电池电流、剩余电量（State of Charge，SOC）和时间的曲线如图3所示.将在带负脉冲的充电方法下测得的SOC与20 A、40 A恒流充电下的SOC进行对比，其对比曲线如图4所示.

由图3和图4可知，加入负脉冲的充电方法，对充电效果和充电时间有显著的改善.20 A恒流充电，在达到电池截止电压时，所能充进的容量为17.94 Ah，占额定容量的89.7%，所用的充电时间为3 230 s；40 A恒流充电，在达到电池截止电压时，所能充进的容量为13.87 Ah，占额定容量的69.35%，所用时间为1 249 s；40 A带100 A负脉冲的充电方法则能充入17.37 Ah，占额定容量的86.85%，所用时间为2 932s.

比较3种充电方法，当充电容量与时间之比越大时，充电速度越快.40 A恒流充电的容量与时间之比为39.98；20 A恒流充电的容量与时间之比为19.99；40 A带100 A负脉冲的充电容量与时间之比为21.32.根据上述分析，3种充电方法中40 A恒流充电的充电速度最快，但是其最多只能充到电容额定容量的69.35%，不满足前提条件.在充电电量达到80%时，20 A恒流充电所用时间为2 880 s，其容量与时间之比为20；40 A带100 A负脉冲的充电所用时间为1 819 s，其容量与时间之比为31.66.因此，40 A带100 A负脉冲的充电快于20 A恒流充电.综上所述，在充电电量不低于80%的前提下，2C带5C负脉冲的充电方法最好，相较于1C恒流充电时间缩短了36.84%.

3 结论

以3.2 V/20 Ah磷酸铁锂动力电池为研究对象，结合马斯三定律与实际的实验数据开展带负脉冲放电的充电方法研究，得到了带负脉冲放电的充电方法中正脉冲和负脉冲的最佳大小和时间.通过仿真与实验测试数据验证表明，在充电过程中采用大小为2C，初始时间为12.46 s，并跟随充电容量曲线不断变化的正向脉冲，结合大小为1C，时间为0.51 s的负脉冲进行充电的方式能够有效地缩短充电时间.该方法结合充电容量和充电时间综合考虑，相对于1C恒流充电时间缩短了36.84%，加快了充电速度.

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