電動(dòng)汽車的充電模式

電動(dòng)汽車的充電模式熱度：223 日期:13-02-19, 11:23 AM 來(lái)源:電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的充電模式分為常規(guī)充電模式和快速充電模式兩種。1常規(guī)充電模式電動(dòng)汽車電池類型不同，其適應(yīng)的充電模式不同。對(duì)于NiMH電池，其基本的充電制度是恒流模式或多階段恒流模式充電，對(duì)于鋰離子電池，基本的充電制度是恒壓限流模式充電。(1)恒流充電模式恒流充電模式是最常用的充電模式，控制簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)單。但僅能適應(yīng)于部分電池（如NiMH），不能將系統(tǒng)完全充滿電，充電效率低。(2)分級(jí)恒流充電模式分級(jí)恒流充電方式是在普通恒流充電方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在初期用較大的電流進(jìn)行充電，充電一定時(shí)間或充電電壓達(dá)到一定值后改用用較小電流，再充電一定時(shí)間或充電電壓達(dá)到另一更高值后改用更小的電流。這種充電方式的效率較高，所需充電時(shí)間較短，充電效果也比較好，并且對(duì)延長(zhǎng)電池組使用壽命有利，但對(duì)充電機(jī)系統(tǒng)有較高的要求。分級(jí)恒流充電模式適用于NiMH電池和鋰離子電池的前期充電。一般在充電時(shí)，首先以小電流先預(yù)充一段時(shí)間，主要是對(duì)電池狀況及BMS狀況進(jìn)行判斷。在前期荷電量較低的情況下，電池充電接受能力好，可是適應(yīng)較大電流充電，隨著荷電量的增加，充電接受能力逐漸下降，此時(shí)充電電流下降，在充電后期副反應(yīng)速度增大，基本變?yōu)殇噶鞒潆姟?3)低壓恒壓浮充模式低壓恒壓浮充模式不同于通常的將均充和浮充分開(kāi)進(jìn)行的方式，充電電源一直按照穩(wěn)壓限流的方式工作，蓄電池在浮充狀態(tài)下漸漸補(bǔ)足失去的能量，直到充電至終止電壓。這種充電方式具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)，但有可能會(huì)導(dǎo)致電池欠充，而且長(zhǎng)時(shí)間充電會(huì)損害電池組，加速電池自放電。這種方式適應(yīng)于鋰離子電池。(4)梯度恒壓充電模式綜合了恒流充電方式和恒壓充電方式的優(yōu)點(diǎn)，在充電時(shí)根據(jù)電流衰減情況逐步提供充電電壓，電流呈階梯方式下降。這樣，在充電初期(l3h)電池電壓呈直線上升；充電中期(37h)，充電電流接近指數(shù)衰減；充電后期(812h)當(dāng)充電電流小于設(shè)定值時(shí)終止充電或者轉(zhuǎn)入涓流充電階段。如圖7-12給出了四種充電特性曲線：1為蓄電池最大可接受充電電流曲線，2為連續(xù)遞減式充電電流曲線，3為多級(jí)恒流式充電電流曲線，4為小電流慢速充電電流曲線。2快速充電快速充電法就是利用電動(dòng)汽車蓄電池在充電初期、中期可以接受較大的充電電流的特性，并結(jié)合停充和脈沖放電的去極化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖7-12，如果充電電流采用1號(hào)曲線，電池充電時(shí)間在理論上應(yīng)該是最短的，但是實(shí)際操作中，由于電池組的新舊程度、環(huán)境溫度、電池容量的差異，不可能剛好按照1號(hào)曲線的充電電流在充電。為了保證電池的安全使用以及使用壽命，往往在充電時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用2號(hào)曲線，在連續(xù)遞減電流中留有一定余量，使充電電流略小于最大可接受電流。2號(hào)曲線一般可以根據(jù)多組電池試驗(yàn)得到，但是在用戶實(shí)際操作時(shí)，存在曲線特性參數(shù)設(shè)定比較困難的特點(diǎn)，因此，這種充電模式很少采用。(1)最大充電電流鉛酸電池的最大充電電流 1967年美國(guó)人JAMas從蓄電池充電過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)，蓄電池恒電流充電過(guò)程中，其容量只能充到某個(gè)確定的數(shù)值。對(duì)于鉛酸蓄電池，超出這一數(shù)值就會(huì)析出氫氣和氧氣，并引起電池溫度升高，在保證電池不析氣的情況下，充電電流就要以指數(shù)形式下降：I=Ioexp（at）（7-13）式中I任一時(shí)刻t蓄電池可以接受的充電電流；Io剛開(kāi)始充電時(shí)可接受的充電電流；a衰減率常數(shù)，或叫充電接受比。為起始可接受的充電電流Io與尚需充電容量C的比值。a=Io/C （7-14）最理想的快速充電是控制充電電流如最大可接受充電電流那樣變化，但實(shí)際充電控制難以實(shí)現(xiàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)的較為理想的快速充電控制是采用分段恒流充電，如圖7-13所示。分段恒流充電需要解決的問(wèn)題是確定適當(dāng)?shù)暮懔鞒潆姺侄螖?shù)和各階段充電電流大小及終止時(shí)間。如果各段充電電流過(guò)小或終止時(shí)間過(guò)早，實(shí)際充電電流曲線離充電可接受電流曲線較遠(yuǎn)，使充電時(shí)間較長(zhǎng)；如果各段電流過(guò)大或終止充電時(shí)間過(guò)遲，則會(huì)使充電電流超過(guò)充電可接受電流而導(dǎo)致電池溫升加劇、充電效率和電池壽命下降。在進(jìn)行充電試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一些電動(dòng)汽車電池的充電過(guò)程充電效率很低，電池容量衰減快甚至于當(dāng)場(chǎng)報(bào)廢。通過(guò)一系列的對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：a在充電量達(dá)到放出的電量之前的各恒流充電階段，電池不發(fā)熱或發(fā)熱量很小，其充電效率較高。b在最后階段其恒流充電電流或終止電壓定得較高時(shí)，電池會(huì)有較高的溫升，其充電效率也相應(yīng)降低。C定壓充電階段，根據(jù)有關(guān)電壓參數(shù)定壓充電，則電池溫升較嚴(yán)重，充電的效率很低。在定壓充電階段出現(xiàn)充電電流逐漸上升的現(xiàn)象時(shí)，電流上升的速率和幅值越大，電池的溫升就嚴(yán)重，且電池的容量衰減也越明顯。當(dāng)充電電流顯著增大時(shí)，如果不及時(shí)終止充電，還會(huì)因電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致電池當(dāng)場(chǎng)損壞。電池充電效率低、容量下降甚至損壞的主要原因是：電池在充電的后期因其充電接受能力已很低，當(dāng)定流充電終止電壓較高或定壓充電定壓過(guò)高時(shí)，其充電電流超過(guò)了充電可接受電流，導(dǎo)致了電池充電效率低、電池容量衰減和損壞。某些電池的散熱比較慢，即使沒(méi)有深度的過(guò)充電，也很容易使電池充電產(chǎn)生的熱量大于電池的散熱量而造成電池的溫度過(guò)高，導(dǎo)致電池?fù)p壞。由于電動(dòng)汽車電池使用中的容量自然衰減，其可接受充電電流會(huì)相應(yīng)減小，因此，恒流充電段如果出現(xiàn)電池溫度較高時(shí)，除了應(yīng)立刻轉(zhuǎn)入下一階段的充電外，還應(yīng)適當(dāng)減小下一次充電的終止電壓值。在定壓充電階段，如果出現(xiàn)了電池溫度較高、充電電流增加且增加幅度超過(guò)了限值時(shí)，除了應(yīng)立刻終止充電外，也應(yīng)適當(dāng)減小下一次定壓充電的電壓值。NiMH電池的最大充電電流 NiMH電池的充電電流與鉛酸蓄電池也基本一致。以NiMH方形20Ah、25Ah電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖7-14所示曲線。其最大充電電流也滿足I=Ioeat的規(guī)律，但I(xiàn)o與電池類型、容量有關(guān)，與SOC基本呈線性關(guān)系。a與荷電量無(wú)關(guān)，但與電池容量大小、電池類型等有關(guān)。鋰離子電池最大允許充電電流鋰電池組是一復(fù)雜系統(tǒng)，其最大允許充電電流與電池容量Q、溫度T、電池荷電狀態(tài)SOC、電池的老化程度SOH以及電池的一致性EQ有重要關(guān)系，且表現(xiàn)為較強(qiáng)的非線性，所以電池的最大允許充電電流I為：I=f(Q，T，SOC，SOH，EQ) (7-15)a容量?jī)H從充電電流大小來(lái)衡量電池性能是不恰當(dāng)?shù)?，容量大的電池的充電電流?huì)增加，所以一般用充電倍率或時(shí)率來(lái)衡量電池的充電電流，其定義與第三章中放電倍率和放電時(shí)率相同。I=KQr (7-16)K為倍率系數(shù)，與電池的類型和性能有關(guān)，容量型電池一般在0.21，功率型電池可以達(dá)到15，甚至更高。Qr為電池的額定容量。相對(duì)來(lái)說(shuō)，混合電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的充電倍率比插入式混合電動(dòng)車的充電倍率要略大，插入式混合電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的充電倍率比要比純電動(dòng)汽車的充電倍率大。b溫度溫度與電池最大允許充電電流可以分為3段：溫度在2045（不同廠家電池略有差異），這是電池的最佳工作溫度范圍，電池的倍率特性好而且容量衰減率??；溫度低于20，電池內(nèi)阻上升，電池的可接受充電電流降低；溫度高于45后，雖然電池可接受的充電電流可能更大，但電池的容量衰減大大加速，因此也不適合充電。所以電池的溫度對(duì)最大允許充電電流的補(bǔ)償系數(shù)Kt為： （7-17）Kt為溫度系數(shù)，不同廠家有所不同，通常0時(shí)電池的電流下降到20時(shí)的13，可以得到Kcl=0.33，Ka=0.0549。c荷電狀態(tài)電池的荷電狀態(tài)與充電電流也可以分為3個(gè)階段描述：SOC低端（如SOC小于10%），電池內(nèi)阻大，不適合大電流充電；中間段(10%90%)電池的可接受充電電流增加，可以大電流充電；電池SOC高端（90%以上），為了防止鋰的沉積，電流下降。電池SOC對(duì)最大允許充電電流的補(bǔ)償系數(shù)為： （7-18）Ksoc1為SOC=0時(shí)的補(bǔ)償系數(shù)，由于電池充電過(guò)程中充電效率小于1，所以按充電量計(jì)算電池SOC=100%時(shí)，電池可能未充滿，為了更加充分利用電池的容量，需要為電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，同時(shí)為了防止過(guò)充電，電池的充電電流限制到約最大充電電流的1/10，這時(shí)停止充電的條件由最高單體電壓控制。dSOH電動(dòng)汽車電池的SOH主要考慮電池的容量衰退和內(nèi)阻增加。對(duì)于容量的下降，采用容量修正系數(shù)KSOH1=Q/Qr進(jìn)行修正，對(duì)于電池內(nèi)阻的增加，通過(guò)熱的方式進(jìn)行補(bǔ)償，電池的發(fā)熱P=I2R，所以內(nèi)阻對(duì)電池的充電電流的補(bǔ)償系數(shù)為KSOL2=KR-0.5。電池的最大允許充電電流對(duì)SOH的補(bǔ)償系數(shù)為：KSOH=KSOH1KSOH2=KQQr1R0.5 ( 7-19)(2)脈沖充電脈沖充電主要是采用去極化原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的快速充電。電池在充放電過(guò)程中的會(huì)產(chǎn)生以下極化現(xiàn)象，使電池電動(dòng)勢(shì)偏離平衡電位。歐姆極化是由充電時(shí)電流流過(guò)電池內(nèi)部組件的純歐姆內(nèi)阻引起的。歐姆極化充電過(guò)程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過(guò)程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個(gè)內(nèi)阻，就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過(guò)程中的高溫。濃差極化是電流流過(guò)蓄電池時(shí)，為維持正常的反應(yīng)。最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時(shí)得到補(bǔ)充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說(shuō)，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為濃度極化。電化學(xué)極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電極上電子運(yùn)動(dòng)的速度造成的。例如電池的負(fù)極放電前，電極表面帶有負(fù)電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時(shí)，立即有電子釋放給外電路，電極表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，釋放電子的速度小于擴(kuò)散的速度，使電極電位發(fā)生偏移，這種極化為電化學(xué)極化。這些極化現(xiàn)象使充電過(guò)程中電壓高于平衡電位，電流越大，極化越大，U也越大。除了歐姆極化外，濃差極化和電化學(xué)極化都有一個(gè)響應(yīng)時(shí)間，脈沖充電就是在這兩個(gè)極化還沒(méi)有達(dá)到較大值的情況下停止充電，等極化消除后再開(kāi)始充電。脈沖電流一般比較大，可實(shí)現(xiàn)快速充電，充電時(shí)間和停頓時(shí)間一般比較短，為毫秒級(jí)。由于充電和放電產(chǎn)生的極化方向是相反的，也有的加上了負(fù)脈沖，達(dá)到快速消除極化的目的。圖7-15為常用的脈沖電流波形示意圖。由于負(fù)脈沖需考慮充電設(shè)備作為負(fù)載的放電功能，設(shè)備比較復(fù)雜、成本高，一般不采用負(fù)脈沖形式。脈沖的波形特征可由5個(gè)獨(dú)立的參數(shù)表示：I1、I2、t1、t2、t3。I1為正向脈沖電流，t1指正向脈沖時(shí)間，I2指負(fù)向脈沖電流，t2指負(fù)脈沖時(shí)間，t3指靜置時(shí)間。脈沖充電的平均電流Ic滿足下列方程：（I1、I2均取正值） （7-20）改變I、t的值可以形成不同頻率和不同電流強(qiáng)度的脈沖充電方法。I1通常根據(jù)充電時(shí)間的要求和電池本身對(duì)大電流的接受能力來(lái)綜合考慮，I1越大，雖然充電時(shí)間越短，但要求電池內(nèi)阻小，且充電器功率大。t1取決于電極表面剛好充滿且尚不明顯產(chǎn)生析氣反應(yīng)的時(shí)間。t3應(yīng)當(dāng)?shù)扔诒砻婧呻娏Ｗ酉蝮w內(nèi)擴(kuò)散而使表面恢復(fù)到未飽和狀態(tài)的弛豫時(shí)間。t2大多選擇為消除表面濃度極化所需要的時(shí)間。原則上可根據(jù)電池材料的電極動(dòng)力學(xué)參數(shù)從理論上計(jì)算上述參數(shù)，實(shí)際上總是根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化。理想的脈沖充電應(yīng)當(dāng)是：在較短的正向脈沖充電周期內(nèi)，電動(dòng)汽車電池完全接受瞬間大電流充電，全部電量?jī)H用于正常的電池反應(yīng)，正負(fù)極尚未出現(xiàn)明顯的液相和表面濃度極化。當(dāng)電池正負(fù)極表面瞬間充滿時(shí)，電池立即轉(zhuǎn)入靜止?fàn)顟B(tài)或負(fù)脈沖狀態(tài)，使電極表面飽和的荷電粒子向本體擴(kuò)散以消除表面濃度極化，形成未飽和的表面狀態(tài)接受下一個(gè)脈沖充電電流，如此連續(xù)反復(fù)不僅加速了電池充電過(guò)程，而且削弱了由于電極極化帶來(lái)的氣體積累、熱積累等不安全因素（圖7-16）。以鋰離子電池為例，脈沖充電期間，在預(yù)處理區(qū)和恒流區(qū)脈沖充電方法和常規(guī)充電方法是一樣的，當(dāng)電池電壓到達(dá)恒壓門(mén)限時(shí)，脈沖充電模式開(kāi)始。在脈沖區(qū)，充電源間歇性地對(duì)電池以恒定電流充電。由于電池充得越來(lái)越滿，盡管與常規(guī)充電方法相比極化現(xiàn)象較輕，但極化現(xiàn)象仍然存在。因此充電時(shí)間越來(lái)越短，停充時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，即脈沖周期越來(lái)越長(zhǎng)，占空比越來(lái)越小，當(dāng)占空比低于5%10%時(shí)，終止充電。Ni/MH電池實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)脈沖頻率越高，充電時(shí)電池內(nèi)壓越低，電池越安全。采用脈沖充電方式還可以提高電池的循環(huán)壽命。對(duì)于電動(dòng)汽車車用動(dòng)力電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)脈沖快速充電，對(duì)充電設(shè)備的要求更高。電池能夠快速充電固然是比較好的，但是必須清楚快速充電肯定是以降低電池的壽命為 代價(jià)的，并且快速充電對(duì)充電的控制要求更嚴(yán)格、熱管理要求更高。對(duì)充電機(jī)的功率要求、性能要求也更高。對(duì)于目前的動(dòng)力電池，超級(jí)電容器除外，是不可能按照快速充電要求完全充滿電的，由于副反應(yīng)、熱等問(wèn)題，一般快速充電最高充電量不超過(guò)80%。需綜合考慮各方面的因素與成本，不推薦采用快速充電方法。00TAGS：電動(dòng)汽車技術(shù)