隨著全球氣候惡化, 全人類在討論如何應對氣候變化, 節能減排、尋找新能源是減少環境破壞的重要途徑. 目前全球汽車保有量已達10 億, 汽車尾氣是加劇環境惡化的重要因素, 為此, 許多企業機構正在研發無污染的電動汽車, 而電動汽車動力電池是其中最核心的部分, 是重點研究的方向。
目前, 大多數電動汽車企業和研究機構均采用鋰離子電池組作為其動力電池. 鋰離子電池有很多優點, 與傳統的鎳鎘、鎳氫電池相比, 鋰離子電池體積小、重量輕、工作電壓高、容量大, 鋰離子電池的能量密度很高, 它的容量是同重量的鎳氫電池的1. 5~ 2 倍, 而且具有很低的自放電率, 另外, 鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”, 不含鉛、鎘等有毒物質, 因此成為電動車用電池的首選。
大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節單體鋰離子電池串聯, 以獲得較高的輸出電壓, 但是, 鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區別的. 在電池組中, 各單體鋰離子電池在生產制造中必然存在個體差異, 在使用中老化程度也不一樣, 若不在充電過程中采取措施, 這種差異將被累積甚至擴大, 導致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴重縮短. 另外, 由于電池組容量較大, 采用傳統的充電方式效率低, 充電時間長, 嚴重阻礙了電動汽車的推廣。
因此, 快速有效安全可靠的充電系統是目前電動汽車行業重點研發的技術。
1 傳統鋰離子電池充電方式研究
不同的充電方式是影響單體鋰離子電池性能和使用壽命的重要因素. 合適的充電方式不僅能夠最大限度的發揮電池的容量, 而且可以延長電池的使用壽命. 這種影響主要體現在三個方面:
(1) 電壓的影響. 一方面, 在充電過程中要嚴格控制電池電壓不能超過充電限制電壓, 超過充電限制電壓稱為過充, 輕微過充多次會導致電池容量減小, 電池發生變形, 過充嚴重時會直接導致電池發生爆炸. 另一方面, 在充電結束后, 應使電池電壓盡量接近滿充電壓, 否則會導致電池容量大大降低。
(2) 電流的影響. 鋰離子電池可接受的充電電流是有限的, 若充電電流高于這個上限值, 會造成電池中電解液發生析氣反應, 大量發熱, 使電池溫度急劇上升。
(3) 溫度的影響. 鋰離子電池溫度過高, 會導致電池內部發生一系列反應, 電池可能爆炸, 因此在充電過程中, 要及時監測電池溫度情況并對其加以控制。
選擇合適的充電方法可以提高充電效率, 延長使用壽命. 鋰離子電池的充電方法有很多種, 常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/ 恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。
1.1 恒定電壓充電法
恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進行充電. 在這個過程中, 充電電流滿足公式: I =(U – E)/R(式中: I 為充電電流, U 為充電電壓, E 為電池電壓, R 為充電回路電阻)。
在充電初期, 由于電池電勢較低, 因此充電電流較大, 隨著充電過程的進行, 電池電勢逐漸升高, 充電電流逐漸減小. 恒壓控制系統結構簡單,而且充電電流比較接近可接受充電電流, 具有一定的自適應性, 但在充電初期電流比較大, 有可能造成電池溫度上升過快, 對電池帶來不利影響。
1.2 恒定電流充電法
恒定電流充電法是指在充電過程中全程以恒定不變電流進行充電. 鋰離子電池的充電可接受電流隨著充電時間呈指數規律下降, 而充電電流保持不變, 若充電電流較大, 在恒流充電后期可能出現充電電流超過可接受電流而導致電池電解液發生析氣反應, 但若充電電流太小, 就會延長充電時間, 降低充電效率。
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