1、电动汽车的充电模式热度：223 日期:13-02-19, 11:23 AM 来源: 电动汽车电源系统的充电模式分为常规充电模式和快速充电模式两种。1 常规充电模式电动汽车电池类型不同，其适应的充电模式不同。对于 NiMH 电池，其基本的充电制度是恒流模式或多阶段恒流模式充电，对于锂离子电池，基本的充电制度是恒压限流模式充电。(1)恒流充电模式 恒流充电模式是最常用的充电模式，控制简单，设备简单。但仅能适应于部分电池（如 NiMH），不能将系统完全充满电，充电效率低。(2)分级恒流充电模式 分级恒流充电方式是在普通恒流充电方式的基础上发展而来的，在初期用较大的电流进行充电，充电一定时间或充电电压
2、达到一定值后改用用较小电流，再充电一定时间或充电电压达到另一更高值后改用更小的电流。这种充电方式的效率较高，所需充电时间较短，充电效果也比较好，并且对延长电池组使用寿命有利，但对充电机系统有较高的要求。分级恒流充电模式适用于 NiMH 电池和锂离子电池的前期充电。一般在充电时，首先以小电流先预充一段时间，主要是对电池状况及 BMS 状况进行判断。在前期荷电量较低的情况下，电池充电接受能力好，可是适应较大电流充电，随着荷电量的增加，充电接受能力逐渐下降，此时充电电流下降，在充电后期副反应速度增大，基本变为涓流充电。(3)低压恒压浮充模式 低压恒压浮充模式不同于通常的将均充和浮充分开进行的方式，充
3、电电源一直按照稳压限流的方式工作，蓄电池在浮充状态下渐渐补足失去的能量，直到充电至终止电压。这种充电方式具有原理简单、实现方便的特点，但有可能会导致电池欠充，而且长时间充电会损害电池组，加速电池自放电。这种方式适应于锂离子电池。(4)梯度恒压充电模式 综合了恒流充电方式和恒压充电方式的优点，在充电时根据电流衰减情况逐步提供充电电压，电流呈阶梯方式下降。这样，在充电初期(l3h) 电池电压呈直线上升；充电中期(37h)，充电电流接近指数衰减；充电后期(812h)当充电电流小于设定值时终止充电或者转入涓流充电阶段。如图 7-12 给出了四种充电特性曲线：1 为蓄电池最大可接受充电电流曲线，2 为连
4、续递减式充电电流曲线，3 为多级恒流式充电电流曲线，4 为小电流慢速充电电流曲线。2 快速充电快速充电法就是利用电动汽车蓄电池 在充电初期、中期可以接受较大的充电电流的特性，并结合停充和脉冲放电的去极化技术来实现的。如图 7-12，如果充电电流采用 1 号曲线，电池充电时间在理论上应该是最短的，但是实际操作中，由于电池组的新旧程度、环境温度、电池容量的差异，不可能刚好按照 1 号曲线的充电电流在充电。为了保证电池的安全使用以及使用寿命，往往在充电时根据经验采用 2 号曲线，在连续递减电流中留有一定余量，使充电电流略小于最大可接受电流。2 号曲线一般可以根据多组电池试验得到，但是在用户实际操作时
5、，存在曲线特性参数设定比较困难的特点，因此，这种充电模式很少采用。(1)最大充电电流铅酸电池的最大充电电流 1967 年美国人 JA Mas 从蓄电池充电过程的研究中发现，蓄电池恒电流充电过程中，其容量只能充到某个确定的数值。对于铅酸蓄电池，超出这一数值就会析出氢气和氧气，并引起电池温度升高，在保证电池不析气的情况下，充电电流就要以指数形式下降：I=Ioexp（at） （7-13）式中 I任一时刻 t 蓄电池可以接受的充电电流；I o刚开始充电时可接受的充电电流；a衰减率常数，或叫充电接受比。为起始可接受的充电电流 Io 与尚需充电容量C 的比值。a=Io/C （7-14 ）最理想的快速充电是
6、控制充电电流如最大可接受充电电流那样变化，但实际充电控制难以实现。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 7-13 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、充电效率和电池寿命下降。在进行充电试验过程中，发现一些电动汽车电池的充电过程充电效率很低，电池容量衰减快甚至于当场报废。通过一系列的对比试验，得到如下结论：a在充电量达到放出的电量之前的各恒流充
7、电阶段，电池不发热或发热量很小，其充电效率较高。b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，其充电效率也相应降低。C定压充电阶段，根据有关电压参数定压充电，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，如果不及时终止充电，还会因电池热失控而导致电池当场损坏。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
8、减和损坏。某些电池的散热比较慢，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。由于电动汽车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，除了应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、充电电流增加且增加幅度超过了限值时，除了应立刻终止充电外，也应适当减小下一次定压充电的电压值。Ni MH 电池的最大充电电流 NiMH 电池的充电电流与铅酸蓄电池也基本一致。以 NiMH 方形 20Ah、25Ah 电池进行实验，得到如图 7-14 所示
9、曲线。其最大充电电流也满足 I=Ioeat 的规律，但 Io 与电池类型、容量有关，与 SOC 基本呈线性关系。a 与荷电量无关，但与电池容量大小、电池类型等有关。锂离子电池最大允许充电电流 锂电池组是一复杂系统，其最大允许充电电流与电池容量 Q、温度 T、电池荷电状态 SOC、电池的老化程度 SOH 以及电池的一致性 EQ 有重要关系，且表现为较强的非线性，所以电池的最大允许充电电流 I 为：I=f(Q，T，SOC，SOH，EQ) (7-15)a容量 仅从充电电流大小来衡量电池性能是不恰当的，容量大的电池的充电电流会增加，所以一般用充电倍率或时率来衡量电池的充电电流，其定义与第三章中放电倍率
10、和放电时率相同。I=KQr (7-16)K 为倍率系数，与电池的类型和性能有关，容量型电池一般在 0.21，功率型电池可以达到 15，甚至更高。Qr 为电池的额定容量。相对来说，混合电动汽车电源系统的充电倍率比插入式混合电动车的充电倍率要略大，插入式混合电动汽车电源系统的充电倍率比要 比纯电动汽车的充电倍率大。b温度 温度与电池最大允许充电电流可以分为 3 段：温度在 2045（不同厂家电池略有差异），这是电池的最佳工作温度范围，电池的倍率特性好而且容量衰减率小；温度低于 20，电池内阻上升，电池的可接受充电电流降低；温度高于 45后，虽然电池可接受的充电电流可能更大，但电池的容量衰减大大加速
11、，因此也不适合充电。所以电池的温度对最大允许充电电流的补偿系数 Kt 为：（7-17）Kt 为温度系数，不同厂家有所不同，通常 0时电池的电流下降到 20时的 13，可以得到 Kcl=0.33，Ka=0.0549。c荷电状态 电池的荷电状态与充电电流也可以分为 3 个阶段描述：SOC 低端（如 SOC 小于 10%），电池内阻大，不适合大电流充电；中间段(10%90%)电池的可接受充电电流增加，可以大电流充电；电池 SOC 高端（90% 以上），为了防止锂的沉积，电流下降。电池 SOC 对最大允许充电电流的补偿系数为：（7-18）Ksoc1 为 SOC=0 时的补偿系数，由于电池充电过程中充电
12、效率小于 1，所以按充电量计算电池 SOC=100%时，电池可能未充满，为了更加充分利用电池的容量，需要为电池进行补充充电，同时为了防止过充电，电池的充电电流限制到约最大充电电流的1/10，这时停止充电的条件由最高单体电压控制。dSOH 电动汽车电池的 SOH 主要考虑电池的容量衰退和内阻增加。对于容量的下降，采用容量修正系数 KSOH1=Q/Qr 进行修正，对于电池内阻的增加，通过热的方式进行补偿，电池的发热 P=I2R，所以内阻对电池的充电电流的补偿系数为 KSOL2=KR -0.5。电池的最大允许充电电流对 SOH 的补偿系数为：KSOH=KSOH1KSOH2=KQQr1 R0.5 (
13、7-19)(2)脉冲充电 脉冲充电主要是采用去极化原理，实现对电池的快速充电。电池在充放电过程中的会产生以下极化现象，使电池电动势偏离平衡电位。欧姆极化是由充电时电流流过电池内部组件的纯欧姆内阻引起的。欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。浓差极化是电流流过蓄电池时，为维持正常的反应。最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物
14、和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶 液，电解液浓度分布不均匀，这种现象称为浓度极化。电化学极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路，电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢，释放电子的速度小于扩散的速度，使电极电位发生偏移，这种极化为电化学极化。这些极化现象使充电过程中电压高于平衡电位，电流越大，极化越大，U 也越大。除了欧姆极化外，浓差极化和电化学极化都有一个响应时
15、间，脉冲充电就是在这两个极化还没有达到较大值的情况下停止充电，等极化消除后再开始充电。脉冲电流一般比较大，可实现快速充电，充电时间和停顿时间一般比较短，为毫秒级。由于充电和放电产生的极化方向是相反的，也有的加上了负脉冲，达到快速消除极化的目的。图 7-15 为常用的脉冲电流波形示意图。由于负脉冲需考虑充电设备作为负载的放电功能，设备比较复杂、成本高，一般不采用负脉冲形式。脉冲的波形特征可由 5 个独立的参数表示：I1、I2、t1、t2 、t3。I1 为正向脉冲电流，t1 指正向脉冲时间，I2 指负向脉冲电流，t2 指负脉冲时间，t3 指静置时间。脉冲充电的平均电流 Ic 满足下列方程：（I 1
16、、I2 均取正值） （7-20）改变 I、t 的值可以形成不同频率和不同电流强度的脉冲充电方法。I1 通常根据充电时间的要求和电池本身对大电流的接受能力来综合考虑，I 1 越大，虽然充电时间越短，但要求电池内阻小，且充电器功率大。t 1 取决于电极表面刚好充满且尚不明显产生析气反应的时间。t 3 应当等于表面荷电粒子向体内扩散而使表面恢复到未饱和状态的弛豫时间。t 2大多选择为消除表面浓度极化所需要的时间。原则上可根据电池材料的电极动力学参数从理论上计算上述参数，实际上总是根据实验来优化。理想的脉冲充电应当是：在较短的正向脉冲充电周期内，电动汽车电池完全接受瞬间大电流充电，全部电量仅用于正常的
17、电池反应，正负极尚未出现明显的液相和表面浓度极化。当电池正负极表面瞬间充满时，电池立即转入静止状态或负脉冲状态，使电极表面饱和的荷电粒子向本体扩散以消除表面浓度极化，形成未饱和的表面状态接受下一个脉冲充电电流，如此连续反复不仅加速了电池充电过程，而且削弱了由于电极极化带来的气体积累、热积累等不安全因素（图 7-16）。以锂离子电池为例，脉冲充电期间，在预处理区和恒流区脉冲充电方法和常规充电方法是一样的，当电池电压到达恒压门限时，脉冲充电模式开始。在脉冲区，充电源间歇性地对电池以恒定电流充电。由于电池充得越来越满，尽管与常规充电方法相比极化现象较轻，但极化现象仍然存在。因此充电时间越来越短，停充
18、时间越来越长，即脉冲周期越来越长，占空比越来越小，当占空比低于 5%10%时，终止充电。Ni/MH 电池实验表明，在一定范围内脉冲频率越高，充电时电池内压越低，电池越安全。采用脉冲充电方式还可以提高电池的循环寿命。对于电动汽车车用动力电源系统来说，实现脉冲快速充电，对充电设备的要求更高。电池能够快速充电固然是比较好的，但是必须清楚快速充电肯定是以降低电池的寿命为 代价的，并且快速充电对充电的控制要求更严格、热管理要求更高。对充电机的功率要求、性能要求也更高。对于目前的动力电池，超级电容器除外，是不可能按照快速充电要求完全充满电的，由于副反应、热等问题，一般快速充电最高充电量不超过 80%。需综合考虑各方面的因素与成本，不推荐采用快速充电方法。00TAGS： 电动汽车技术
