电动车用电池快速充电的试验与研究

1、电动车用电池快速充电的试验与研究麻友良(武汉科技大学，湖北武汉430070) 陈全世(清华大学，北京 100084）摘要：根据电池快速充电的原理，对多种类型的电池进行了大量的充电试验，通过对充电试验的结果分析，提出了适用于不同电池的分段恒流快速充电和定压补充充电的充电方案，并在分析比较各种控制参量的基础上给出了实现这种充电过程的控制方法。通过对大量试验过程和结果的分析和比较，指出了避免电池充电效率下降和充电时电池异常升温并导致损坏应注意的问题。关键词：快速充电；分段恒流；限定电压电动汽车用电池快速充电的研究，是电动汽车研究与开发必须面临的一项工作，我们对铅酸电池、硅盐胶体电池等准备应用于电动汽

2、车的动力电池进行了充放电特性及充电方法等一系列的试验与研究，以求电动车用电池理想的快速充电方法。一、电池快速充电的理论基础 电池充电时若能以大电流充电，就可以在较短时间内充入较多的电量，缩短充电时间。但是，电池可接受充电电流是有限度的。铅酸电池的充电可接受电流是指其电解液只产生微量析气的前提下所能够接受的最大充电电流1,2。1967年美国学者麦斯(J.A.Mas)经过大量试验提出了电池充电可接受电流定律：I=I0.e-at式中：I电池可接受的充电电流；I0开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流；a充电可接受电流衰减常数，与电池的结构和状态有关。电池在充电过程中其充电可接受电流按图1所示的

3、规律下降。当充电电流在可接受电流曲线以下时不产生析气，充入的电量几乎都转变为电池的化学能量；当充电电流大于充电可接受电流时，则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水，使电池电解液产生析气反应。电流越大，这种电解水反应就越剧烈，并使电池内部的压力增大、温升加速。这不仅使电池的充电效率下降，还会对电池造成损害，影响电池的使用寿命。根据生产厂家提供的资料和我们大量的试验表明，不仅是铅酸电池有按指数规律下降的可接受电流特性，硅盐胶体电池及其他动力电池也有相类似的充电可接受电流曲线。充电过程中，如果能使实际的充电电流始终靠近可接受充电电流曲线，就可使充电所需的时间缩短。不产生析气区产生微量析气曲线产生析气

4、区充电时间 充电电流图1电池充电可接受电流曲线二、电池快速充电的试验I1I2I3I4I5t1t2t3t4t5充电时间 充电可接受电流曲线图2 理想的充电电流曲线充电电流理想的充电电流曲线最理想的快速充电控制是充电电流如同可接受充电电流曲线，但实际充电控制难于实现。能够实现的较为理想的快速充电控制是采用分段恒流充电，如图2所示。分段恒流充电需要解决的问题是确定适当的恒流充电分段数和各阶段充电电流大小及终止时间。如果各段充电电流过小或终止时间过早，实际充电电流曲线离充电可接受电流曲线较远，使充电时间较长；如果各段电流过大或终止充电时间过迟，则会使充电电流超过充电可接受电流而导致电池温升加剧、充电效

5、率和电池寿命下降。对液态电解液电池，在快速充电试验中的各阶段恒流充电终止可根据电池电解液的析气、电压和电池的温度等来综合判断，硅盐胶体电池不可能观察析气情况，只能根据电池的温度和电压来进行判断，要准确地判断充电是否达到了充电可接受电流难度相对较大。我们设定了不同的恒流充电分段数和恒流值进行多次的充电试验，并对试验结果进行分析比较，从充电的时间、充电的效率及电池的温升等参数的综合分析比较，从中选定最接近充电可接受电流曲线的分段数，恒流充电的初值及下降梯度等。三、电池快速充电方案的选择根据大量的试验结果分析，我们选定了5段恒流充电加定压充电的充电方案，（表1所示的为硅盐胶体电池试验数据）。各段之间

6、设有1min的停歇时间，电池3h率完全放电后的充电电压和电流曲线如图3所示。表1 充电各阶段的时间和充入的电量（3h率完全放电） 定流充电阶段定压充电阶段12345充电电流/A1C30.75C30.5 C30.25 C30.125 C3充电电压：15.3V停充电压/V14.414.715.015.315.5充电时间/min2519182662300QI/ QO0.420.660.810.921.051.29表中：QI电池各阶段累计充电量；QO电池充电前所放出的电量.充电电流I/A (×C3)00.20.40.60.81.01.2020406080100120140图3 分段恒流充电曲

7、线 充电时间 t/min 在充电的初期，以较大的恒电流充电，使电池的容量得到快速的恢复，以满足应急快速充电的需要。恒流充电阶段结束时，电池充电的电量达到电池放出电量的90120%。定压充电是对电池进行小电流充电，以使电池达到完全充电状态。四、电池快速充电过程的控制方法4.1分段恒流充电控制方法 充电设备实现分段恒流充电过程控制须设定控制参数，当某一阶段恒流充电达到设定的控制参数时，充电机自动停止充电，停歇1min后再以下一个恒流值充电。控制参数可以是时间、电压和温度3。时间参数控制：设定以该恒流充电至可接受电流值的时间，当充电时间达到设定值时，通过定时器使充电机停止充电，结束该阶段的恒流充电。

8、定时控制比较容易实现，但是，当电池在恒流充电开始时其荷电状态不同或电池因容量衰减而其充电可接受电流减小时，恒流充电时间应随之调整，电池状态的不确定性使时间参数的确定变得很难，因此，以定时控制不适应分段恒流控制。温度参数控制：设定恒流充电达到可接受电流时的电池温度上升值，当电池的温升（或电池与环境的温差）达到设定值时，控制器使充电机自动停止充电。理论上，开始充电时电池荷电状态不一样的情况下，温度控制均可适应各阶段恒流充电结束时的自动停止充电控制。但是，温度传感器的准确性和滞后性容易造成电池过充电。因此，温度参数作为唯一的控制参数也是不宜的。电压参数控制：设定以该恒流充电达到或接近充电可接受电流值

9、的电压，当电压达到设定值时，充电机便自动结束本段的恒流充电。电压参数控制可自适应电池始充电荷电状态和电池使用过程中充电可接受电流变化，且控制也比较简单。电压参数控制的问题是，当电池的性能出现异常变化时，原来设定的电压控制参数可能会过高而导致电池过充电。综合分析各个控制参数的特点，我们选择电压作为阶段恒流充电终止控制参数，以温度作为异常情况的安全控制参数。控制程序流程如图4所示。图中：TB为充电时电池的温度；TO设定的停充温度；I（n）第n次恒流充电电流；U（n）第n次恒流充电终止电压。4.2定压充电阶段终止控制方法 此阶段充电电流小，但时间较长，此阶段结束, 即为电池达到了完全充电状态。为使自

10、动终止充电控制安全、可靠，可采用时间、温度、电流三个参数综合控制的方案：设定一个基本的定压充电时间，当充电至设定的充电的时间时，认为电池已达到了充足电状态，充电机便自动终止充电。未到设定的充电时间，但电池温升达到设定的限值时，充电机自动终止充电。未到设定的充电时间，但充电电流已稳定在一个较小的值，且2h不变时，认为电池已充足，充电结束。未达到设定的充电时间，电流从所降至的最小值又上升I达到了所设的限定值时，充电结束，以确保电池的充电安全。 n=1 I=I（n）TBT0U=U(n) n= n+1 停充（1min） n=5NoNoYesNoYesYes 转定压充电图4 分段恒流充电控制流程图五、电

11、池充电效率低、容量下降及损坏的原因分析在进行充电试验过程中，发现一些电池的充电过程其充电效率很低，电池容量衰减快甚至于当场报废。为确定原因所在，我们进行了一系列的对比试验，试验现象归纳如下： 在充电量达到放出的电量之前的各恒流充电阶段，电池不发热或发热量很小，其充电效率较高。 在最后阶段其恒流充电电流或终止电压定得较高时，电池会有较高的温升，其充电效率也相应较低。 定压充电阶段，根据有关单位所提供的电压参数定压充电，则电池温升较严重，充电的效率很低。在定压充电阶段出现充电电流逐渐上升的现象时，电流上升的速率和幅值越大，电池的温升就严重，且电池的容量衰减也越明显。当充电电流显著增大时，如果不及时

12、终止充电，还会应电池热失控4而导致电池当场损坏。分析试验现象得出电池充电效率低、容量下降甚至损坏的主要原因是：电池在充电的后期因其充电接受能力已很低，当定流充电终止电压较高或定压充电定压过高时，其充电电流超过了充电可接受电流，导致了电池充电效率低、电池容量衰减和损坏。硅盐胶体电池的散热比较慢，即使没有深度的过充电，也很容易使电池充电产生的热量大于电池的散热量而造成电池的温度过高，导致电池损坏。由于电池使用中的容量自然衰减，其可接受充电电流会相应减小，因此，恒流充电段如果出现电池温度较高时，除了立刻转入下一阶段的充电外，还应适当减小下一次充电的终止电压值。在定压充电阶段，如果出现了电池温度较高、

13、充电电流增加且增加幅度超过了限值时，除了立刻终止充电外，也应适当减小下一次定压充电的电压值。六、结论电动汽车用电池以分段恒流快速充电、定压小电流补充充电的方法，使充电时间短、电池温升小、充电效率较高，充电的控制也容易实现，因此，是理想的充电方法。严格控制电池恒流充电的停充电电压和定压充电的充电电压，以防止电池出现过充电现象，对提高动力电池的充电效率和使用寿命是至关重要的。参考文献1 朱松然，张勃然 . 铅蓄电池技术M. 北京. 机械工业出版社，19882 孙逢春等 . 电动汽车M . 北京 . 北京理工大学出版社，19973 张巧芝，王彩申，王旭等. 一种新型的镉镍电池快充技术J. 电池, 1

14、999, 29(6): 265-267 4 王秋虹，张捷，王华清. 失效VRLA蓄电池容量恢复的研究J. 电源技术，2000，24(2): 84-86Experiments and Research of Rapid Charging Method for Electrical Vehicle BatteryMA You-liang（Wu han University of Science and Technology，Wuhan , Hubei 430070, China）CHEN Quan-shi（Tsinghua university, Beijing 100084,China）Abst

15、ract: Based on the principles of rapid charging, many charging tests have been done. After analyzing the results of these charging tests, an applicable approach of rapid charging, which includes five periods of fixed-current rapid charging and one period of fixed-voltage supplemental charging, is given in this paper. Then, on the basis of analyzing and comparing several control parameters, the control method of how to realize this approach is also presented. By thorough analyzing and comparing of the procedures and phenomena of t