锂电池组快速充电：欲速则不达？

　　大功率的电动汽车所使用的锂离子电池组是由多节单体锂离子电池串联，以获得较高的输出电压，但是，锂离子电池组和单体锂离子电池在使用上存在很大区别。在电池组中，各单体锂离子电池在生产制造中必然存在个体差异，在使用中老化程度也不一样，若不在充电过程中采取措施，这种差异将被累积甚至扩大，导致整个电池组的性能大打折扣或电池组寿命严重缩短。另外，由于电池组容量较大，采用传统的充电方式效率低，充电时间长，严重阻碍了电动汽车的推广。

　　因此，快速有效安全可靠的充电系统是目前电动汽车行业重点研发的技术。

　　目前常用的快充方法

　　锂离子电池的充电方法有很多种，常用的充电方法有恒定电流充电法、恒定电压充电法、恒流/恒压充电法、变流充电法、脉冲充电法、间歇充电法等。

　　其中，恒定电压充电法和恒定电流充电法都比较简单，然而，不足也十分明显。恒压充电初期电流过大，而恒流充电后期电流过大。

　　因此，人们提出了恒流/恒压充电法采用分段充电的方式，来减少对于电池的损害。一般情况下，该方法与单纯恒流或恒压发可以提高电池5%-10%的使用寿命。在此基础上，更加智能化的变流充电法近几年也应运而生。

　　理想化的充电过程是充电电流始终逼近可接受的充电电流值。变流充电法通过对电池状态进行检测，确定起始电流，再进行恒流充电，同时对电池状态进行实时检测，当电池状态达到该恒流充电分段终止标准时，结束该分段，调整电流值，进入下一分段，直至电池状态达到设定的标准时，终止变流充电，进入恒压充电，以确保电池完全充满。

　　然而，变流充电法的主要困难在于确定各阶段恒流充电电流值，选取适当的参数作为阶段恒流充电终止的判断依据。

　　同时，在变流充电法中，通过提高初始阶段的充电电流来实现快速充电的目的。但实际上，充电电流过大会造成电池产生极化现象而缩短寿命。为了在保证效率的前提下尽可能的减小极化反应，研究人员通过对不同充电波形使电池产生的极化情况进行比较，提出了间歇充电和脉冲充电的方法。

　　随着，人们对于锂电池充电特性认识的提高和快速充电设备的技术改进和成本的下降。综合利用各种充电方法大幅提高锂电池充电速度，延长充电寿命并非是一件不可能的事情。

　　均衡充电不可忽视

　　电动汽车用锂离子电池组通过多节锂离子电池串联以获得高输出电压。由于各单体电池在生产制造和使用过程中电池特性必然存在差异，造成这种差异的原因有：在生产过程中，由于加工工艺等原因，同批次电池的容量和内阻都可能存在差异；使用过程中由于温度等差异造成电池使用不平衡；不同电池之间的放电情况存在差异。这些差异长时间累积，必然造成电池状态的不平衡，长期使用必将导致各电池的容量、内阻、端电压等参数不均衡，从而影响整个电池组的实际容量，缩短寿命，造成浪费，增大成本。

　　在传统的电池组充电中，人们往往通过过充来实现整体电池组中各个电池的均衡充电。

　　然而，和其他电池相比，锂离子电池几乎没有耐过充的能力，在电池荷电状态已满时，若继续充电，电池的电压将继续升高。电压过高会造成锂离子在负极积累，解析出金属锂，使电池的蓄电能力丧失，而且这一过程是不可逆的，同时，电解液发生电解，析出氢气和氧气，伴随着大量热量的产生，电池温度逐渐升高，氢气和氧气有可能发生爆炸。实验数据证明，过充电将严重减少电池的充电循环次数。

　　如何实现均衡充电

　　目前均衡控制的方法，按照能耗主要分为能量耗散式、能量转换式、能量转移式。

　　能量耗散式是指将电池组中电压较高的电池进行放电来实现均衡。常使用的方法是电流分流法。这种方法结构简单，容易实现，缺点是分流电阻始终在损耗功率，能效低，而且产生热量比较大。电动汽车需要考虑能效的问题，否则无法大规模推广，显然，这种均衡方法不适用。

　　能量转换式主要有两种，一种是将电池组的整体电压向饥饿的单体电池进行补充，另一种是将单体电压向整体电压进行转化。这种方法的特点是充电速率很快，但在大量电池串联充电时，由于需要大量的变压器，磁场损耗大，均衡设备的体积很大，效率变低。因此，这种方法对电动汽车电池组充电也不适用。

　　能量转移式是利用电容或电感等储能元件将能量进行传递，在充电过程中，电池组中容量低的电池端电压会比其他电池高，这时容量低的电池会对容量高的电池充电。常用的有电容法和电感法。

　　通过对以上各种均衡方法的特点相比较，本文认为电感式均衡电路较适用于电动汽车电池组充电均衡。电动汽车电池组具有大规模串联的特点，因此，本文在电感相邻均衡电路的基础上，设计了大规模串联电池组的电感式均衡控制电路，实现电池组内各电池之间的电量转移。

　　并在此基础上，设计电池组充电电路，采用MCU进行控制，对电池的电压、电流、温度等参数进行采样，送入MCU中，并通过一定的算法，控制PWM输出信号的占空比，控制脉冲充电电流，控制均衡电路的开关器件，实现均衡充电。

　　（作者为连云港广播电视大学讲师，原载《甘肃联合大学学报》，有删节。）

　　李国晓|文