锂离子电池快速充电系统技术研究

龚瑞昆 徐广璐

摘  要： 以电动汽车常用的锂离子电池为研究对象，针对充电过程中容易出现的问题，研究充电系统的快速充电方法及分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法的参数。文中通过对锂离子电池快速充电的原理及方法、充电过程各参数的确定和快速充电硬件电路设计等方面的分析和研究，结合锂离子电池模型进行充电过程各参数的确定，采取分段限压定电流间歇?正负脉冲充电方法，建立充电系统主电路，在Matlab仿真条件下对主电路进行仿真实验，证实了搭建的充电系统快速充电的可行性和高效性。

关键词： 电动汽车; 锂离子电池; 快速充电系统; 系统设计; 充电参数确定; Matlab仿真

中图分类号： TN36?34; TM910.6; U469.72        文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）22?0027?03

Abstract： The lithium?ion batteries commonly used in electric vehicles are taken as the research object. In allusion to the problems that are easy to appear in charging process， the parameters of the rapid charging method and intermittent positive and negative pulse charging method with sectional voltage limiting and constant current are researched. The principle and method of lithium?ion battery fast charging， the determination of parameters in the charging process and the design of fast charging hardware circuit are analyzed and studied. The parameters of the charging process are determined in combination with the model of lithium ion battery. The main circuit of the charging system is established by adopting the intermittent positive and negative pulse charging method with sectional voltage limiting and constant current. The simulation experiment of main circuit is performed under the condition of Matlab simulation， which verifies the feasibility and efficiency of the fast charging system.

Keywords： electric vehicle; lithium?ion battery; rapid charging system; system design; charging parameter determination; Matlab simulation

0  引  言

电动汽车的发展打破了传统燃油汽车的垄断，成为汽车产业发展的新型模式，电动汽车快速充电技术是使电动汽车产业向着商业化、产业化、规模化的方向发展的重要支点，快速充电技术的发展为电动汽车行业的发展提供了可能。本文以电动汽车常用的锂离子电池为研究对象，针对充电过程中容易出现的问题，研究了充电系统的快速充电方法及分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法的参数。本文采用分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法，通过分析快速充电过程中充电恒流幅值数值和正负脉冲变化规律，得出较为优化的恒流幅值数值和正负脉冲变化规律，并在采用分段式快速充电策略的基础上建立充电系统主电路，经过Matlab仿真分析，通过电流仿真图形可验证分段式充电方式的可行性，并且可以得到较好的充电效率。

1  锂离子电池快速充电原理

锂离子电池作为电动汽车的核心部件，使其快速、安全、高效地进行充电是电动汽车快速充电的核心问题，下面通过对锂离子电池快速充电原理的研究[1]，进一步了解快速充电的意义。

由上述公式得知，[-K2]代表锂离子蓄电池在设定好的电流值下进行放电后再次充电的充电接受特性曲线在初始点的斜率。充电完成以后，充电电流的曲线的斜率应该是相同的。这表明不同的放电过程有着不同的放电深度，这个现象会影响锂离子蓄电池可接受充电电流值的大小。对于同一电池，要想让放电后再次充电且该电池能接受更大的电路，就应在放电过程中放出更多的电量，以提高充电接受比。

通过上述公式分析可得出，当电池的放电量一定时，最大充电接受电流[I0]与放电电流[Id]的对数互为线性关系，锂离子蓄电池前一次的放电过程和放电电流会直接影响充电过程中的接受比[α]。通过以上分析可知，当采用一个小电流长时间对蓄电池放电时，其充电接受比[α]的值会很小;反之，当采用大电流短时间放电时，[α]会变大。

当采用几种放电率对锂离子蓄电池进行放电后，锂离子蓄电池最终能够允许的充电电流值是各个放电率下允许充电电流的总和，即：

通过上述分析可知，锂离子蓄电池放电时，其总放电量和总接受电流会同时变大，如果能合理地对放电过程进行有效的控制，则可以使充电可接受电流值的增加速度远大于放电量的增加速度，从而有效地提高充电效率。要想达到快速充电的目的，因此要求锂离子蓄电池的起始接受电流大，充电接受效率高，这样就能迅速地将锂离子蓄电池充满。放电深度和放电率的大小也会影响充电接受率，且在放电率足够大的情况下，锂离子蓄电池的充电接受能力也会随之提高。

2  充电系统各参数的确定

建立快速充电系统前，需对采用的分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法进行研究。本节通过对多功能电池测试系统的实验，分析分段限压定电流间歇?正负脉冲充电方法恒流充电幅值、间歇时间和正负脉冲的实验数据，得出了充电过程比较有效的幅值大小、间歇时间和正负脉冲的变化规律。

分段式充电策略第一阶段首先进行大电流充电，目的是使电池达到快速补充电荷的目的，因此恒流幅值的选择极为重要，如表1所示，选取10～25 A之间的电流值进行充电。通过对实验数据分析，当恒流充电幅值逐渐变大时，充电时间将明显减少，但当充电幅值过大的话会严重影响充入电量。因此，综合各项数据分析幅值选择15 A进行充电最为优化。

采用分段式充电方法进行快速，必须选取合适的恒流幅值和正负脉冲，较大的恒流幅值可以是电池快速的补充电荷，但恒流幅值过大会导致电池发热进而影响充入电量。因此，本文通过对几组不同的恒流幅值进行试验得出15 A较为优化。正负脉冲充电作为恒流充电后的阶段，在使用逐级递减规律的正脉冲充电的同时加入负脉冲消除极化，在正负脉冲间合理加入间歇时间来缓冲正负脉冲之间的切换，从而使充电时间大幅减少。

3  快速充电系统设计

为了证实采用分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法对锂离子电池快速充电是安全、可靠和高效的，本文设计充电系统主回路仿真模型，如图1所示，充电系统仿真采用分段快速充电策略进行充电。仿真前对仿真模型中的各模块进行设置，系统开关频率为30 kHz，滤波电容为500 μF，输入滤波电感为3.5 mH，输出滤波电感为1.5 mH，输出滤波电容为10 μF。

主回路起到对交流电进行整流的作用，经过DC/DC变换器和滤波电路将交流电变换成平滑的直流电提供给负载，并为锂离子电池提供放电回路。

如图2所示，仿真模型中模块Control Program为函数模块，内部设置为系统快速充电控制程序，实现对锂离子电池充电模式的控制，通过控制开关管控制输出大小，在充电系统主回路的基础上建立锂离子电池仿真模型，Conn1，Conn2为电源连接端并由此为锂离子蓄电池进行充电，进而检测电流、荷电状态SOC等参数信息。

分段式充电策略电流仿真图如图3所示，可看到充电电流在不同阶段的变化情况，恒流幅值充电阶段和正负脉冲充电阶段主要由大电流快速充电来迅速补充电荷，实现快速充电的目的。最后一個阶段采用恒压充电方法主要目的是补充自放电的电荷损失，充电所用时间持续70 min，充电效率可达99%，对快速充电策略响应良好，验证了本文充电方法的有效性。

4  结  语

本文通过对快速充电系统充电原理的研究，提出采用分段限压定电流间歇?正负脉冲充电法进行快速充电，进而通过几组实验对比此方法充电各参数的较优化数值，并通过建立充电主回路，结合电池仿真模型对充电电流进行仿真，验证了采用分段式策略的充电方法可使系统不仅能达到快速充电的目的，使充电时间得到了较大的缩短，提高了充电的效率，而且提高了电池的使用寿命和安全性，从而在安全可靠的情况下实现了快速充电的目的。

参考文献

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

[2] 叶剑晓，于春梅，梁奇.电动汽车用锂电池快速充电技术研究[J].电气传动，2018，48（6）：93?96.

[3] MORELLO R， BARONTI F， TIAN X， et al. Hardware?in?the?loop simulation of FPGA?based state estimators for electric vehicle batteries [C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Santa Clara： IEEE， 2016： 280?285.

[4] 庄幸，姜克隽.我国纯电动汽车发展路线图的研究[J].汽车工程，2012，34（2）：91?97.

[5] WU T Z， CAO Q， LIU L N， et al. Research on the fast charging of VRLA [J]. Telkomnika indonesian journal of electrical engineering， 2012， 10（7）： 1660?1666.

[6] 刘杰.电动汽车充电电源的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2016.

[7] 张蒙.基于DSP的电动自行车智能充电系统研究[D].郑州：华北水利水电大学，2016.

[8] 丁修乘.电动汽车锂离子动力电池快速充电技术研究[D].柳州：广西科技大学，2015.

[9] 杨淑莹，张桦.模式识别与智能计算：Matlab技术实现[M].北京：电子工业出版社，2015.

[10] 邹捷.电动汽车移相全桥DC/DC变换器研究[D].北京：北京理工大学，2016.