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锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究

2023-06-04 来源:易榕旅网
第1期 2013年1月 电 源 学 报 No.1 Journal of Power Supply Jan.2013 锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究 马进红,王正仕,苏秀蓉 (浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027) 摘要:针对大容量锂离子动力电池充电过程要快速高效同时保证电池寿命的要求,提出将大电流脉冲充电作为 锂离子动力电池的快速充电方式。通过对电池大电流脉冲充电过程的大量试验,将其充电效果和恒流充电方式进行 比较.证实了大电流脉冲充电是一种能有效减小极化现象、高效快速的充电方式。同时试验了不同脉冲时间、不同充 电电流对脉冲充电效果的影响,得出最佳脉冲充电参数。 关键词:锂离子电池;脉冲充电;大电流;快速充电 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:2095—2805(2013)01—0030—05 引言 1.1锂离子电池充电特点 锂离子电池相对于目前常用的铅酸蓄电池有 随着电动汽车等大功率蓄电池供电设备的发 诸多优点,但其对充电环境的要求也比较严格。 展,大容量动力电池的需求日益增加。传统的铅酸 (1)锂离子电池耐过充的能力极其有限[31。如果 蓄电池有寿命短、重量和尺寸大等缺点,与之相比 充电电压超过其充电截止电压,电池电压将持续升 锂离子电池有更高的能量密度、更长的使用寿命、 高,负极将析出固态金属锂,从而导致电池容量不 质量轻、无污染,因此得到了广泛的应用【”。蓄电池 可逆的物理性减小。持续过充甚至可能发生爆炸。 的充电方式与电池的循环寿命、充电效率有着直接 (2)锂离子电池可承受的持续最大充电电流有 的联系.对于大容量蓄电池通常我们希望充电时间 限。蓄电池最大充电电流与时间的关系如图1.由于 尽量短、效率尽量高,同时对电池的损害尽量小。要 蓄电池极化现象的存在,随着充电时间的增加,蓄 减少充电时间。必须提高充电电流,但蓄电池可接 电池可接受的最大充电电流减小。持续大电流充电 受的持续最大充电电流有限,传统充电方式无法大 条件下,正负极离子浓度升高,极化加剧,电池端电 幅提高充电电流。已经证实,脉冲充电能在保证充 压将很快达到充电截止电压导致无法继续充电。同 电效率前提下,提高铅酸蓄电池的充电效率脚,但对 时大电流充电下电池温度会过高,对电池安全性产 于大容量锂离子电池的充电效果缺乏实验依据,特 生影响。 别是大电流(电流1C以上,C为电池额定容量数 1.2传统充电方式 值)充电条件下的电池特性。 蓄电池传统的充电方式有很多,常用的方式有 本文通过大量实验,对大容量锂离子电池的大 恒压、恒流、两段式恒流恒压、三段式恒流恒压浮充 电流脉冲充电特性进行了研究。 等方式。 1锂离子电池充电方式概述 收稿日期:2012—11-14 作者简介:马进gl ̄(1985 ̄),男,湖北人,硕士研究生,研究方向为动力 电池电源管理。Email:majh@zju.edu.cn。 通信作者:王正仕(1965 ̄),男,博士,副教授。Email:wzs@zju.edu.ca。 图1蓄电池最大充电电流与时间关系曲线 第1期 马进红。等:锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究 3l 图2恒压充电方式电压电流曲线 恒压充电:恒压充电的电压电流曲线如图2所 示,充电过程中保持充电电压恒定,充电电流不断 下降。恒压充电方式结构简单,容易实现,缺点是充 电速度慢,在充电初期的充电电流过大,对电池寿 命影响很大。 恒流充电:整个充电过程电流恒定。根据图1, 电池在充电后期的电流会超过其最大充电电流。导 致电池无法充满,电池温度上升过快,影响电池寿 命。 两段式恒流恒压与三段式恒流恒压浮充方式: 这是目前使用最普遍的充电方式。恒流阶段电流保 持恒定,电池端电压持续上升;当端电压上升到充 电截止电压时改为恒压充电.保持电池端电压恒 定,充电电流不断减小;当电流减小到一定值时,如 果还有浮充阶段,则提供一个很小的浮充电流.以 弥补蓄电池的内部损耗使其保持在充满状态。 以上传统充电方式应用广泛,但它们共同的缺 点是充电速度比较慢,充电电流受限于图1 所示的 最大充电电流。随着大容量动力电池的日益普及. 寻求高效安全的快速充电方式变得非常必要。 1.3脉冲充电方式 为提高锂离子电池的充电速度,必须提高充电 电流,但充电电流越大,蓄电池正负极板上积累的 电荷越多,因此极化现象越严重,致使蓄电池端电 压迅速上升到充电截止电压,无法达到充满电的目 的,并且对电池造成损害。为克服以上困难,发展出 了一些新型快速充电方式。 脉冲充电方式是一种能有效消除铅酸蓄电池 极化现象、减少充电时间的快速充电方法 51。其原 理是,每隔一段正向充电脉冲后,加入一段充电停 止时间和放电脉冲。脉冲充电有两种形式:正脉冲 充电形式和正负脉冲充电形式网,正脉冲充电形式 在正脉冲中间加入一段停止时间,而正负脉冲充电 形式在正脉冲之后加入一段放电脉冲,如图3。短暂 的充电停止时间和放电脉冲能有效减少或消除极 化现象,从而能够用较大的电流给蓄电池充电,提 高充电速度。 (a)正脉冲充电形式 (b)正负脉冲充电形式 图3脉冲充电方式的充电电流波形 脉冲充电的主要参数有:充电电流,,脉冲充电 周期 ,正脉冲充电时间 ,负脉冲放电时间 ,停 止充电时间 ,其中 + + 。选择不同的参数 将对充电效果产生不同影响。 目前对于大容量锂离子电池,大电流脉冲充电 效果缺乏实验依据。 2使用的充电策略 为研究脉冲充电电流、正负脉冲充电时间、停 止充电时间对锂离子电池充电效果的影响.本文选 取正负脉冲充电方式作为测试方法.使用的主要测 试器材: (1)LT一40 Ah,3 V锂离子电池; (2)WWL—PS型直流稳压开关电源(0~15 V, 0 ̄300 A); (3)M9714型可编程直流电子负载(0~240 A, 0-1 200 W)。 充电电路结构如图4所示。 . 电路主要结构为MOS管构成的H桥。为了提 供恒定充电电流,测试中将直流稳压源和恒流模式 的电子负载串联,形成可提供高达200 A的等效电 流源,其中直流稳压源提供所需功率,电子负载的 恒流模式实现输出恒定电流功能。D,和B 为电流 32 电 源 学 报 第45期 Itl鞠L ¥ToP●● 熬 鼙盈 鳞嫠蕊瓣 ,_一 I轴 恒流模式r. 电子负载! 直流I 1 =r。一D。 ● ; : ‰t8 。童。 D B。l2 逼露 i_-・ -__- 0  .1 ‘l …稳压源 ( 习同园圃 —上—上 I A/D模块 驱动电路l礓 PwM DSP 模sc ion]盏 图4脉冲充电电路结构图 旁路回路,在停止充电阶段,H桥关断,恒流源通过 此回路旁路,其中B 为非测试蓄电池,可以为铅酸 蓄电池等。下面介绍电路工作原理。 正脉冲充电时:}{_ 、厂/diV,T。和T4管导通,电流流经T 、D。 I_王 、厂/diV  给待充电电池B 充电,然后通过T4、D:回到稳压 源负极。 停止充电时:此时H桥关断,由于恒流源不可 开路,因此将二极管D,和旁路电池B 组成电流旁 路,电流在这一段停充时间流过此旁路。 负脉冲充电时:T2和T3管导通,电流流经T3给 B 反向充电(即电池放电),然后通过T2回到稳压 源负极。二极管D。、D:的作用是防止电流经过T。和 T4的体二极管在T 、T 和T2、T4够成的上下两个回 路中形成通路。 实验中锂离子电池的充电截止电压设置为4.2 V。DSP不断检测电池端电压,通过SCI通信模块, 每隔一段时间将电池电压数据上传到上位机软件。 当检测到电池端电压已达到充电截止电压.DSP发 出触发指令给电子负载,从而使电子负载关断,充 电停止。 3实验及结果 3.1脉冲充电与恒流充电方式比较 为测试脉冲充电效果.实验中将脉冲充电方式 和恒流充电方式进行比较。两种充电方式的过程都 为:将放电至放电截止电压(2.5 V)的锂离子电池静 置5 h,然后充电至充电截止电压(4.2 V)。把两种方 式充好电的电池进行同一基准(放电电流1 C,即40 j ’充电电流 ; ; ; ; V一 —1r__ …。 …. . 置…. ● ● ● ’ ● ● ● ● ● U喇 -; ;一 ■_2.a曩 a龆翟1.∞u lr|m毒一.●一●婚.a曩e0蕾 时间t 0.5s/div 充电电流:2 V/div电流电压比为40 A:1 V:电池电压:1 V/div 图5充电电流为2C时脉冲充电电流波形和电池端电压波形 A)放电,通过放出的电量来衡量充进电量的多少。 图5为充电电流为2 C下的脉冲充电电流波形和 锂离子电池端电压波形。 脉冲充电的正负脉冲和停充时间参数选取为: TI=O.9 s, 70 ms,7,=30 ms。检测充电电流的霍尔 表1脉冲充电与恒流充电部分数据 元件转换比为40 A:l V。表1为两种充电方式在1 C、2 C、3 C充电电流下的数据,图6为充电电流与 充进电量和充电时间关系曲线。 由表1和图6可以看出,(1)脉冲充电能够保 持电池充进电量基本不变(充满),不会随充电电流 第1期 马进红,等:锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究 33 萋3 3 充电电流 充电电流 图6两种方式充电电流与充进电量和充电时间关系曲线 的增大而明显减小.而恒流充电随着充电电流增 大,充进电量急剧减小。可以得知,脉冲充电的负脉 冲和停充过程消除或减小了电池电极的极化现象。 而大电流恒流充电条件下,极化现象加剧,电极离 子浓度升高.使端电压很快达到截止电压,产生“充 满”的假象。同时电池温升加快,对电池的安全性产 生影响。(2)脉冲充电时间相比恒流充电时间会长 一些.这是因为脉冲充电的电流平均值小于恒流充 电电流。但随着充电电流增大,两者的充电时间之 差越小,脉冲充电方式优势越明显。 3.2不同正负脉冲时间对充电效果的影响 一个周期中正负脉冲所占时间比例是脉冲充 电的重要参数。表2为正负脉冲充电电流大小为 表2不同正负脉冲占空比下的充电数据 f正负脉冲充电电流大小为2.5 ̄(100A)) 2.5 C下,不同正负脉冲占空比下的充电数据,正脉 冲占空比=1一负脉冲占空比一停充占空比(固定为 3%)。 图7反映出不同正负脉冲占空比下的充进电 量和充电效率的关系曲线。充电效率计算公式为[71: 充电效率=嚣 ×100% 由图7可知,(1)随着负脉冲占空比的提高,能 充进的电量逐渐增加,提高到7%左右时,充进的电 量基本保持最大值(充满)不变。当负脉冲占空比太 小时。负脉冲时间太短,不足以消除电极的极化现 象,因此能充进的电量达不到充满状态,但负脉冲 占空比太大将使充电时间增加。(2)随着负脉冲占 空比的提高,充电效率也逐渐提高,这也反映出当 减弱或消除极化现象后,能充进的电量增加。 35 30 负脉冲占空比/% 负脉冲占空比/% 图7不同正负脉冲占空比与充进电量和充电效率关系曲线 综合可知,需要选择一组最优的正负脉冲充电 时间,以达到用最短的时间充满电池,同时达到较 高的充电效率。本实验中,当正脉冲占90%,负脉冲 占7%,停充时间占3%时.充进电量和充电效率达 到较好效果,同时充电时间也较短。 4结束语 实验验证了在大充电电流条件下,脉冲充电方 式可以有效减小和消除锂离子电池的极化现象.从 而可以对其进行快速充电,并且极大的减小对电池 的损害。通过合理选择脉冲充电参数,可以使脉冲 充电效果达到最优化。 (下转第38页) 38 IEEE Trans.Power Electronics,2010,PP:1. 电 源 学 报 总第45期 IEEE,2006:1724—1731. 【8】Betz R E,Summers T,Furney T.Symmetry compensation using a H—Bridge multilevel STATCOM with zero sequenee 【91 Maharjan L,Inoue S,Akagi H,et a1.State-of-charge(SOC) 一balancing control of a battery energy storage system based Injection【C】.Industry Applications Conference,2006.41st IAS Annual Meeting.Confer ence Record of the 2006 on a cascade PWM converter[J].IEEE Trans.Power Elec— tronics,2009,24(6):1628-1636. Study on the Cascaded H-Bridge Battery Energy Storage System ZHANG Feng ,LI Rui ,LING Zhi—bin ,CAI Xu ・。 (1.School of Electronic Ifnormation and Electircal Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:Because of the time variable nature of wind,the wind generation is fluctuatingDirectly connecting the intermittent .active power to grid wi/1 deteriorate the power quMity and enhance the requirement to the dispatchThe battery energy storage would .smooth OUt the wind farm output active power fluctuation.The diferent topologies for battery energy storage system were investigated.A cascaded H—Bridge power convemion system was implemented,and the control strategy for power and battery SOC (state of charge)balancing was designed.The MATLAB/SIMULIK simulation resltus which verify the validity of het control scheme was presented. Key words:bakery energy storage;cascaded H—Bridge;state of charge;zero sequence voltage (上接第33页) 参考文献: f11 Chi]a—Hsiang Lin,Chi-Lin Chen,Yu—Huei Lee.Fast charg. ing technique for Li—Ion battery charger【A1.ICECS 2008, Rates[J].Plasma Science,2012,40(1 o1:2416—2424. 【41李少林,姚国兴.风光互补发电中蓄电池智能脉冲充电 技术研究[J].电源技术应用,2009,12(12):32—35. 【5】王源.电动汽车用动力铅酸电池快速充电技术研究[D】. 哈尔滨:哈尔滨工业大学。2006. 15th IEEE International Conference on“Digital Object I— dentifier”[C1.2008:618-621. [2】刘宗光,林涛.可延长电动自行车电池寿命的充电模式 【6】翟建勇.锂离子电池脉冲充放电管理【D】.杭州:浙江大 学。2008. [J].电池,2005,350):285-287. [3]Novak P M,Wetz D,~,Shrestha B.Fast Recharge of Elec. trochemical Energy Storage Devices at Pulsed Elevated 【7】王艳茹,李文坡,陈杰.脉冲充电提高铅蓄电池充电效率 的研究[J】.电池工业,2010,15 ̄):222—225. Study on Charging Characteristics of Li-ion Battery Using High-current Pulse Charging Method MA Jin—hong,WANG Zheng—shi,SU Xiu—tong (College of Electrical Engineeirng,Zh@ang University,Hangzhou Zh ̄iang 31 0027,China) Abstract:The high—current pulse charing megthod is introduced as one of the quick and high efifciency charigng methods. Through a great number of tests,the Li—ion battery can be charged fster and tahe charging eficifency improved observably compared to the constant—current char ̄ng method.In addition,on the basis of experiments,the effecst of diferent pulse time and charigng current on charge result were analyzed,thus the optimal pulse charging parameters were proposed. Key words:Li—ion battery;pulse charge;high current;quick charge 

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