电动汽车动力蓄电池充电及其管理的研究王坚概要.docx

1、电动汽车动力蓄电池充电及其管理的研究王坚概要蓄 电 池Chine se LABAT Ma n2011No .5Vo l.481引言自 1859年法国人 Pl nte 第一次发明了实用 的二次化学电源 铅酸蓄电池以来,已经有 150多年了 。 随着科技的发展,蓄电池不断地更新换代, 除铅酸蓄电池以外,先后又研制出了镍氢蓄电池 、 锂及锂离子电池等,而且其工艺和结构在不断改 善,性能也在不断地提高 。 近几年来随着新能源电 动汽车的兴起,蓄电池作为动力源应用的研究又引 起了人们极大的关注 。 但研究人员一直致力于蓄电 池自身结构和性能的优化,忽略了蓄电池充电及管电动汽车动力蓄电池充电及其管理的研究

2、王 坚 1,吕荣冠 2,焦昌梅 2(1. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084; 2盐城师院电源技术研究中心,江苏 盐城 224002摘要:总结了电动汽车用动力铅酸蓄电池 、 镍氢蓄电池 、 锂及锂离子蓄电池充电与管理方面的 一些研究结果和成果,概括地分析了动力蓄电池与充电及电池管理方面的相互依存关系,尤其 总结了在电动汽车动力铅酸蓄电池与充电及管理之间联系的研究,研究结果表明蓄电池的性能 与蓄电池的充电及管理方式有着紧密的联系 。 在慢脉冲快速充电及电池适度管理的条件下,铅 酸蓄电池能够大电流快速充电,而且发热量少 、 温升低 、 出气量少 、 循环寿命长 、 均衡性好

3、。 关键词:蓄电池;充电;管理 中图分类号:TM912.1文献标识码:A文章编号:1006-0847(201105-230-07Study on storage battery charging and managementWANG Jian 1, LV Rong -guan 2, J IAO Chang-m ei 2(1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Beijing 100084; 2. Research Center ofPower Technique, Yancheng Teachers College, Ya

4、ncheng Jiangsu 224002, China Abstract :This pa per summariz es the res earch res ults and achieve m ents a bout the le ad-a cid batte ry, nicke l hydro g en ba ttery, lithium and lithium -io n battery in charging and battery m anag em ent, a nalys es ge ne rally the de pe ndence relation of the ba t

5、te ry cha rging a nd battery m anage ment, especia lly sum s up the relations a mo ng the lead acid battery and ba tte ry charg ing a nd m a na gem ent. The re sult of res ea rch s ho ws tha t the pe rfo rma nce of batteries and the ir quality link to the battery charging a nd m a nag eme nt clos e

6、ly. Unde r the condition of s low pulse fast cha rge and ba ttery a ppro priate m anagem e nt, the lea d a cid ba ttery ca n be fa st cha rg e d at high rate, and it can m ake lea d a cid batte ry he at capacity few, the tem perature ris e lo w, the g as sing fe w, the same lead acid battery ha s lo

7、nge r cycling life-s pa n and good bala nce d chara cte ristics. Key words:ba tte ry; charge; battery mana gem ent 收修改稿日期:2010-05-13www.ba tte rychn.co m2011No .5Vo l.48理这一直接影响蓄电池性能的重要因素,尤其是充 电方式这一关键环节 1。 大量事实和实验数据充分 表明:蓄电池应当在合适的充电方式及管理模式下 使用,否则蓄电池的性能不但得不到很好的发挥, 还会限制其发展和应用 。 所以,在研究蓄电池本身 性能的同时,应当结合蓄电

8、池充电及管理一起研 究,这将有助于进一步提高蓄电池的使用性能,更 加安全 、 可靠 、 持久地用好蓄电池 。 2铅酸蓄电池充电及管理2.1铅酸蓄电池的充电及管理的一般方法理想的充电方法是充电时能感应蓄电池的接受 能力以便提供最大充电电流,实现高效 、 快速 、 无 损的充电 。 为达到这一目标,人们对蓄电池充 /放 电 的研 究 已经 历 了 一 个 漫 长 的 过 程 :1887年 , Peukert 从两种速率的放电状态中第一次预测到各 种速率放电时的放电容量不同,但他对充电领域的 研究分析较少 。 1935年, Woodbrode 发现了充电受 温度的影响很大,并注意到蓄电池充电时所要求

9、的 指数特性 。 1967年,美国 J .A.Mas s 在研究铅酸蓄 电池能够接受的最大充电电流时,找出了铅酸蓄电 池快速充电过程中析气的原因和规律,并在实践的 基础上提出了铅酸蓄电池快速充电的一些基本规 律:即在充电过程中,用某一速率电流进行充电, 铅酸蓄电池的电压只能充到某个极限值,当达到这 一极限后,继续充电只能导致电解水反应而产生气 体和温升,不能提高铅酸蓄电池的充电速度 2。 依 据 J .A.Ma ss 充电规律,铅酸蓄电池的充电基本上 都是采用:恒流限压慢充 、 恒压限流慢充 、 恒流恒 压涓流三段式慢充以及快脉冲反向放电快速充电等 方法充电,其中快速充电不成熟,易造成蓄电池发

10、 热失水损坏 。研究人员发现出现这些弊端的主要原因是蓄电 池在充电过程中存在着极化问题 。 其对充电产生以 下几个方面的负面影响:(1产生的过电压会阻碍充电电流增加,减缓 蓄电池的化学反应速度 。(2使化学反应过程中的电解水反应加剧,产 生大量气体 。 产生的气体延缓了蓄电池的充电过 程,对极板有严重的腐蚀作用 。(3蓄电池内部氧循环水化合反应将产生大量 的热量,当蓄电池的温度升高到一定的程度时,会 引起极板受热变形,以致损坏 。(4电解水反应不仅消耗大量的电能,浪费了 能量,降低了充电过程的电能效率,而且会造成蓄 电池大量失水干涸,蓄电池组失去均衡性,蓄电池 组容量下降 。 此外,充电电流愈

11、大,则极化现象愈 严重 。 如果不设法消除或缓和极化现象,就难以实 现高效 、 快速无损的充电 。 这也是铅酸蓄电池长期 以来都是以小电流 (0.2C 2以下充电电流 慢速充 电为主的原因,一般认为小电流慢速充电是一种安 全 、 可靠的充电方法 。基于上述一般的充电方法,蓄电池的能量管理 及测试关键技术的主要功能就是:(1通过有效的 能量控制手段,实时控制动力蓄电池充电与放电过 程:当充电时 (尤其在快速充电时 ,保证动力蓄 电池快速充电效率高,避免欠充电 、 过充电 、 热失 控及电池组的失衡等;当放电时,能避免动力蓄电 池组过放电 、 电池组失衡等 。 确保动力蓄电池有较 长的使用寿命 。

12、 (2通过有效的 S OC 测试与计算手 段,能够较准确地预测动力蓄电池组的剩余容量, 控制充电 、 放电的能量平衡,同时指示电动汽车可 连续行驶的里程 。2.2慢脉冲快速充电方法及管理文献 2-3中指出,蓄电池在充电时存在着 3种 极化,即:欧姆极化 、 电化学极化和浓差极化 。 要 消除前两种极化只需把电池的电流下降到足够小或 停止即可 。 而消除浓差极化一般要通过高速旋转电 极 、 强制性使电解液对流或以较小电流保持一定电 场强度条件,在足够长的时间内进行离子扩散这 3个途径 。 但对特定的蓄电池,不具备使用前两种途 径来消除浓差极化的条件,唯一切实可行的办法就 是在一定长的时间 (秒级

13、以上 内,以较小的电流 维持一定的电场以消除极化 2。基于以上分析,再根据蓄电池多孔性电极理论 模型,运用电化学动力学原理,经过大量的试验研 究,设计出一种独特的充电方式,即一种双稳态非 线性反馈机制的慢脉冲快速充电方法 4,其总体设 计如图 1所示 。 整个充电过程分为 A 、 B 两段,在 A 段以恒流慢脉冲充电,在 B 段以恒压慢脉冲充 电 。 这种充电方法与现有技术放电去极化的方法有蓄电池充电231蓄 电 池Chine se LABAT Ma n2011No .5Vo l.48着根本的区别 。 利用维持一段时间较小电流充电能 及时消除或降低充电过程中的各种极化,会使蓄电 池温升低 、

14、析气量少 、 充电快速且效率高 、 充电量 足 、 蓄电池寿命不受损害,避免了其他充电方法所 引起的各种局限性,是一种较理想的充电方法 5。采用慢脉冲快速充电方法对蓄电池进行适度管 理的基本思路:慢脉冲快速充电方法可以有效地控 制铅酸蓄电池在大电流快速充电过程中产生的极 化,尤其是浓差极化,确保快速充电过程中铅酸蓄 电池的温升低 、 析气量低,避免了 “ 热失控 ” 及过 充电现象的发生 。 因此,蓄电池的管理可以避开利 用 S OC 估算控制蓄电池的充 /放电技术路线, S OC 的估算仅作为电动汽车续行里程的指示 。 慢脉冲快 速充电方法对电池适度管理的功能主要有:(1依据慢脉冲快速充电方

15、法本身自动识别和 调节充电的功能,由充电方法直接控制充电时的电 流 、 电压以及充电终止,对同一类蓄电池,如 VRLA 蓄 电 池 , 只 设 定 一 套 充 电 参 数 , 不 涉 及 温度 。(2控制单只蓄电池最低放电电压和最大放电 电流,同时根据蓄电池充 /放电性能随温度变化的 特点,设计一个蓄电池组温度自动补偿控制子系 统,确保蓄电池充 /放电在 1540 的环境下工 作的蓄电池管理模式 。慢脉冲快速充电及蓄电池管理最大的优势就是 简化了 S OC 的估算 、 降低了蓄电池管理系统的复 杂性和大幅降低了成本,效果十分显著 。 针对 VRLA 蓄电池,在性能上取得了以下几方面的改 善:(

16、1铅酸蓄电池能够实现快速充电并且寿命较 长 6-8; (2大电流快速充电时,铅酸蓄电池发热量 低 、 出气量少 9; (3蓄电池组的均衡性对蓄电池 的寿命几乎没有影响 10。3镍氢电池的充电及管理 11-16镍氢电池因具有比能量高 、 功率大 、 高倍率放 电 、 快速充电能力和无明显记忆效应等特点,成为 动力汽车使用的又一重要能源 。 镍氢电池在充电初 期,负极析氢储存在合金中,电解液不发生变化, 但随着充电的进行,正极将电解液 OH -中的氧析 出,析出的氧气会扩散到负极发生复合反应 。 如果 持续过充,当氧气不能及时复合或析氢速度明显高 于析氧速度时,蓄电池内压会急剧上升,蓄电池极 化

17、、 电阻增加而引起温升 。 并且负极在吸收氢的过 程中逐渐产生的氧化与粉化会导致吸氢性能衰退, 影响蓄电池的寿命,因此在充电中应当尽量避免过 充电 11。 镍氢电池的充电电压曲线特点是在充电过 程中端电压先是上升幅度较大,之后呈缓慢上升趋 势,最后电压又开始快速下降,存在端电压最大值 。 图 2中曲线 1为正常温度下 3C 电流充电的电 压曲线,图 2中曲线 2为高温下 (45 1C 电流 充电的电压曲线 。 由图中可以看出,镍氢电池充电 有如下几个特征:(1镍氢电池充电的电压变化与温度及充电电流大小密切相关,高 、 低温下在同一 S OC 状态的 电压值相差较大,仅根据端电压最大值和电压负增

18、 量作为充电末期判据已难成立 。 所以,镍氢电池充 电终点的判断是一个很大的难题 。(2镍氢电池充电控制现行的方法有两类:一 是用小电流长时间过充电;再就是依靠 S OC 的估 算,由 S OC 的估算值控制充电的电量,完成镍氢 电池的充电过程 。 所以,研究 S OC 的估算对镍氢 电池的充电尤为重要,在研究 S OC 的同时结合电 池的温度 、 电流 、 电压等性能的检测和控制,由此 形成了蓄电池管理系统 (BMS 的研究开发 。国内外许多专家及工程技术人员研究并设计了 多种蓄电池 S OC 的计算方法和测试技术,试图准 确地预测动力蓄电池组的剩余容量,并通过 S OC图 11800次 7

19、0%DOD循环中第 201次慢脉冲充电电流曲线图 2镍氢电池充电曲线www.ba tte rychn.co m2011No .5Vo l.48的结果来控制动力蓄电池的快速充电及放电过程, 以达到使蓄电池快速充电,并保证动力蓄电池组有 较长使用寿命的目的 。 但是,一直以来,蓄电池在 线 S OC 估算是公认的国际性难题,众多国内外专 家学者进行了长期的研究,先后提出了许多解决的 办法,如:三星 S DI 株式会社的专利 (申请号:CN2006101700270 “ 调节电池 S OC 的方法和使 用该方法的管理系统 ” 等 。 已经从最初的开路电 压 荷电状态 (OCV-S OC 、 库伦计量

20、以及温度 、 充 /放电倍率发展到充电效率修正或综合以上部分 或全部进行 S OC 的估算 。 先进的算法相继出现, 如模糊逻辑算法模型 、 自适应神经模糊推断模型 、 卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法 和阻抗光谱法等 。 虽然人们进行了大量的努力,但 是效果并不理想,都存在缺陷,不能达到实际使用 的要求,这也是蓄电池能量管理目前最大的缺陷, 极大地限制了蓄电池容量的有效发挥,降低了蓄电 池的均衡效果,使得蓄电池过充电和过放电控制缺 乏充足的依据,蓄电池使用的安全性和可靠性随之 降低,直接影响到蓄电池的性能和寿命 。 4锂电池的充电及管理与铅酸蓄电池和镍氢电池相比,锂离子电池具 有

21、比能量高 、 工作电压高 、 自放电率低及无记忆效 应等优点,是理想的可用于新能源电动汽车的动力 型电池 。 锂离子电池系统作为混合动力汽车的辅助 能源或电动汽车的主要动力源及关键部件,其性能 很大程度上决定了整车的稳定运行,因此,必须对 整车蓄电池系统实施有效的智能管理 。 目前,国内 外许多研究者已致力于研发高效 、 智能的锂离子电 池管理系统,不断优化使锂离子电池系统发挥其最 佳性能,延长使用寿命 17-24。 锂离子电池智能管理 系统一般由均衡充 /放电 、 电池检测和电池保护等 模块组成 。 根据锂离子电池的特性,在充电过程中 若出现过充或过流现象,电解质可被氧化或分解, 使得锂离子

22、电池内部的温度与压力上升,电池性能 恶化,甚至引发安全事故 。 因此,针对锂离子电池 充电过程中的过充及过流现象,研究人员开发和设 计了各种锂离子电池充电管理芯片及系统 25-32。目前,锂离子电池最常用的充电方式为恒流恒压充电 33,恒流脉冲充电和脉冲式充电也有较广泛 的应用 34,以及其他的一些充电方式,如间歇式充 电法 26等 。恒流恒压充电法,可分为 3个阶段:预充电 、 恒流充电和恒压充电 。 对于深度放电的电池,要求 充电器具有涓流预充电过程,使蓄电池的电压升高 至恒流快速充电要求的最低电压;然后以较大的恒 定电流对蓄电池充电,蓄电池的电压逐步上升,当 达到所设定的终止电压 (视电

23、极材料而定 时,恒 流充电过程结束;最后采用恒压充电,充电电流迅 速下降,至设定的截止电流或时间时终止,确保电 池充满电 。根据恒流恒压充电方式的原理,当在恒压阶段 采用其他方式进行充电时,可以分为恒流脉冲充电 法和间歇式充电法 。 采用恒流脉冲方式对锂离子电 池进行充电,在恒流阶段以一定的恒电流充电,至 电池电压升至设定的值而终止;然后以脉冲电流进 行充电,脉冲充电电流值与恒电流阶段采用的相 同,然而需选择合适的脉冲宽度,否则因脉冲充电 阶段未设定上限截止电压,可能会引起一定程度的 过充现象 。 间歇式充电法则是在预充与恒压阶段采 用间歇式充电方式,恒流阶段借助于充电电源适配 器的限流控制

24、。Kohl 等采用脉冲充电技术对锂离子电池进行 充电,并与传统恒流恒压充电方式进行比较 35。 研 究 电 池 为 索 尼 公 司 生 产 的 商 业 化 锂 离 子 电 池 US 18650S , 容 量 为 900m Ah , 研 究 结 果 表 明 :(1 以 1C 倍率充电,脉冲充电方式约 1h 完成充 电,而恒流恒压充电方式则需要 3.5h 才能完成充 电过程; (2 充电方式显著影响锂离子电池的循 环性能,如图 3所示 。 采用脉冲充电方式的锂离子 电池容量高,且低倍率充电条件下,电池可获得较 高的容量 。 采用恒流恒压充电的锂离子电池 700次 循环后容量衰减至 700m Ah

25、,而采用脉冲充电的锂 离子电池经 1600次循环后容量才衰减至 700m Ah ; (3 采用脉冲充电方式进行充电,可提高锂离子电 池 LiCoO 2阴极的稳定性 、 抑制石墨阳极 S EI 膜的 增厚 。 综上所述,脉冲充电过程中弛豫周期及放电 脉冲有利于消除浓差极化 、 增加功率的传输速率 、 缩短充电过程所需时间,进而提高电极活性物质的 利用率,改善电池的循环性能 。蓄电池充电233蓄 电 池Chine se LABAT Ma n2011No .5Vo l.48Che n 开发了变频脉冲充电系统 (VFP CS 36,该系统可实时监测并动态跟踪最优的充电频率,缩 短充电时间,并制作了适用

26、于 600mAh 锂离子电 池充电的充电器 。 由图 4可知,采用 VFP CS 充电, 与传统的恒流 (CC 或恒压 (CV 充电方式相比, 充电速度提高 24%以上;与频率分别为 100Hz 和 1kHz 的固定频率脉冲充电系统 (FFPCS 相比, 充电速度亦分别提高了 15%和 11%。文献 22通过改变脉冲充电的占空比优化蓄电池 的充电 。 若初始占空比为 100%,当蓄电池的平均 电压低于预设电压时,充电方式相当于恒流充电; 而当蓄电池的平均电压高于预设电压时,占空比减 小,蓄电池以脉冲充电方式进行充电 。 研究人员通 过改变脉冲充电方式的参数,还提出了单放电脉冲 充电 38和多放

27、电脉冲充电 39等充电方式 。锂离子在电解液中的迁移及在电极材料中的扩 散速度决定了锂离子电池的充电速度 。 在低温条件 下工作时,锂离子在电解液中的迁移速度减慢及电 极表面电化学反应速度减缓;而当锂离子电池以高 倍率充电时,锂离子在电解液及电极材料晶粒中的扩散速度则滞后于界面的电化学反应速度,上述两 种情况下,均易使锂离子电池内部产生较大的浓差 极化和电化学极化,显著影响锂离子电池低温及倍 率电化学性能 。 根据锂离子电池的特性,采用上述 脉冲充电方式对锂离子电池进行充电,电池性能得 到明显改善,但未研究低温条件下,脉冲充电方式 对电池性能的影响 。 在低温时,最大可充电功率较 小 22,且

28、鉴于电池系统须在低温环境下工作,因而 研究低温条件下锂离子电池的快速充电具有重要的 现实意义和应用前景 。因此,提出的慢脉冲快速充电方式的主要原理 是在大电流快速充电的过程中,能通过恒小电流充 电有效地消除各种电池极化,尤其是浓差极化,并 在铅酸蓄电池的充电中得到了较好的验证 。 目前正 在研发适用于锂离子电池 (组 的新型慢脉冲快速 充 /放电器 (机 ,以进一步缩短锂离子电池 (组 的充电时间,尤其在低温条件下,实现对锂离子电池的快速充电,为锂离子动力电池实现规模产业化 夯实基础 。 5结语随着能源的短缺,油价骤升等问题的出现,人 们对以动力蓄电池为能源的电动汽车的需求越来越迫切 。 世界

29、各国都在加大力度对动力蓄电池进行研 制,但为追求高性能 、 长寿命的蓄电池,绝大多数 科研人员都致力于蓄电池本身高性能材料的开发, 而忽略了蓄电池在使用过程中充电方式及其管理系 统的研究 。 通过对 3类动力蓄电池,即铅酸蓄电 池 、 镍氢电池 、 锂及锂离子电池充电方式和管理的 总结,发现蓄电池的性能与蓄电池的充电方式和管 理有着紧密的联系,不同的充电方式各有其优 、 缺 点 。 在慢脉冲快速充电的条件下, VRLA 蓄电池能 够大电流快速充电,而且发热量低 、 析气量少 、 循 环寿命长 、 均衡性好 。 这种突破性的研究势必会大 大提升铅酸蓄电池的使用价值,拓展铅酸蓄电池更 广泛的应用

30、。 而镍氢电池和锂离子电池就目前的充 电方式和管理来看,还存在着一定的技术难题,当 前正潜心于利用慢脉冲快速充电及管理的方法对这 两类电池进行研究 。 相信在不远的将来,一定会开 发出良好的充电方式和管理系统,冲破镍氢电池和图 3锂离子电池不同方式充 /放电的循环性能(a 1C 倍率恒流恒压充电的充 /放电率; (b1C 倍率脉冲充电的充 /放电率; (c0.5C 脉冲充电 1C 放电的充 /放电率 35图 4充电系统 (VFP CS ,标准的恒流 -恒压充电系统 (CC-CV 以及传统的 100Hz 和 1kHz 固定频率脉冲充电系统 (FFP CS 的充电响应 36蓄电池充电 锂离子电池使

31、用过程中存在的局限性，加速新能源 电动汽车的产业化发展。 参考文献: 1 王坚, 刘社章. 铅酸蓄电池慢脉冲快速充电研究 的突破J. 蓄电池, 2009, 46(2: 72- 76. 2 王坚, 秦大为, 等. 慢脉冲快速充电方法的研究J. 电池工业, 2002,7(3、4: 160- 164. 3 王坚. 慢脉冲快速充电控制电池极化的研究J. 电池, 2003, (6: 366- 368. 4 王坚. 慢脉冲快速充电方法P. 中国发明专利, ZL99101948.2, 2004- 03- 20. 5 王坚. 慢脉冲快速充电加速铅酸蓄电池寿命测试 的研究J. 蓄电池, 2010, 47(3:

32、124- 127. 6 王坚. 慢脉冲快速充电延长蓄电池循环寿命的研 究J. 电池, 2005, (4: 288- 289. 7 王坚. 慢脉冲快速充电对蓄电池不同 DOD 循环 寿命影响的研究J. 蓄电池, 2007,( 2: 60- 63. 8 王坚. VRLA 电池用作电动自行车动力电池的研 究J. 蓄电池, 2008, (1: 17- 20. 9 马以春, 王坚. 慢脉冲快速充电方法析气性能的 研究J. 电源技术, 2004, (6: 358- 360. 10 王坚. 慢脉冲快速充电均衡性的研究J. 电池, 2006, (1: 62- 63. 11 马燕. 动力电池智能充电器及镍氢电池快速充 电方法的研究D. 天津：天津大 学硕士学位论 文, 2006. 12 邱纲，电动汽车用动力电池组 SOC 的神经网 络估计 D . 辽宁：辽宁工学院硕士学位论 文，2005. 13 陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技 术