应对气候变化，电动汽车动力电池成研究重点

应对气候变化，电动汽车动力电池成研究重点

随着全球气候恶化，全人类都在探讨如何应对气候变化。节能减排、寻找新能源是减少环境破坏的重要途径。目前全球汽车保有量已达10亿辆，汽车尾气是加剧环境恶化的重要因素。为此，许多公司和组织都在研发无污染的电动汽车，而电动汽车动力电池正是其中的核心部件和研究重点。

本文引用自：

目前，大多数电动汽车公司和研究机构都采用锂离子电池组作为动力电池。锂离子电池具有诸多优点，与传统的镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池体积小、重量轻、工作电压高、容量大。锂离子电池能量密度高，其容量是同等重量的镍氢电池的1.5~2倍，自放电率也极低。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”，不含铅、镉等有毒物质，是电动汽车用电池的首选。

大功率电动汽车所采用的锂离子电池组是由多个单体锂离子电池串联起来组成，以获得较高的输出电压。然而锂离子电池组的使用与单体锂离子电池的使用存在很大的差异。在电池组中，每个单体锂离子电池在生产制造时必然存在个体差异，在使用过程中老化程度也不同。如果在充电过程中不采取措施，这种差异就会积累起来甚至扩大，导致整个电池组的性能大幅下降或电池组寿命严重缩短。另外，由于电池组容量较大，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、可靠的充电系统是当前电动汽车行业的关键研发技术。

1 传统锂离子电池充电方法研究不同的充电方法是影响单体锂离子电池性能和使用寿命的重要因素，合适的充电方法不仅可以最大限度发挥电池的容量，还可以延长电池的使用寿命，这种影响主要体现在三个方面：

（1）电压的影响。一方面，在充电过程中，要严格控制电池电压不能超过充电限制电压。超过充电限制电压就称为过充电。轻微多次过充会导致电池容量降低、电池变形，严重的过充会直接导致电池爆炸。另一方面，充电完成后，电池电压应尽可能接近满充电电压，否则电池容量会大大降低。

（2）电流的影响。锂离子电池可接受的充电电流是有限的，如果充电电流高于这个上限，电池内的电解液就会发生产气反应，产生大量的热量，导致电池温度急剧上升。

（3）温度的影响。锂离子电池温度过高，电池内部会发生一系列反应，甚至可能导致电池爆炸。因此，在充电过程中，必须及时监测和控制电池温度。

选择合适的充电方式可以提高充电效率，延长使用寿命。锂离子电池的充电方式有很多种，常用的充电方式有恒流充电法、恒压充电法、恒流/恒压充电法、变电流充电法、脉冲充电法、间歇充电法等。

1.1恒压充电法 恒压充电法是指充电过程中以恒定的电压对电池进行充电，此过程中充电电流满足公式：I=（U-E）/R（其中：I为充电电流，U为充电电压，E为电池电压，R为充电回路电阻）。

充电初期，电池电位较低，因此充电电流较大。随着充电过程的进行，电池电位逐渐升高，充电电流逐渐减小。恒压控制系统结构简单，充电电流比较接近可接受的充电电流，具有一定的适应性。但充电初期电流较大，可能造成电池温度上升过快，给电池带来不利影响。

1.2 恒流充电法 恒流充电法是指在整个充电过程中用恒定的电流进行充电。锂离子电池可接受的充电电流随充电时间的延长呈指数减小，而充电电流保持不变。如果充电电流很大，恒流充电后期充电电流可能超过可接受电流，引起电池电解液的析气反应。但如果充电电流太小，则会延长充电时间，降低充电效率。

以上两种方法比较简单，但也存在很多缺点，恒压充电初期电流过大，恒流充电后期电流过大，因此可以采用先恒流后恒压的充电方式，以克服这两种方法在这两个阶段的缺点。

1.3 恒流/恒压充电法这种充电方法将充电过程分为三个阶段。如图1所示。

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（1）预充电阶段。接上直流电源后，当检测到电池时，充电芯片启动，进入预充电过程。此期间充电控制器以较小电流对电池进行充电，使电池电压和温度恢复正常。

（2）恒流充电阶段。在充电的初始阶段，充电电路以恒定电流对锂离子电池进行充电。一般大多数锂电池采用标准的充电速率。在恒流充电过程中，电池电压会缓慢上升。一旦电池电压达到设定的终止电压，则终止恒流充电，开始恒压充电过程。

（3）恒压充电阶段。恒压充电过程中，充电电流逐渐衰减，当检测到充电电流降到设定值以下，或者超过充满电时间，则转入截止充电，此时充电控制器以很小的充电电流对电池进行补充充电。一般情况下，此过程可延长电池寿命5%~10%。

此种充电方式，为避免电流过大，电池温度过高，在恒流阶段通常采用较小的充电电流进行充电，充电效率仍然不高。为了提高充电效率，可采用变电流充电方式。

1.4 变电流充电法锂离子电池可接受的充电电流随充电时间延长而呈指数下降，若充电电流曲线高于电池可接受的充电电流曲线（图2中曲线1），会引起电池电解液发生产气反应，影响电池寿命。

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理想的充电过程是充电电流始终趋近于可接受的充电电流值。如图2所示，曲线2为变流充电电流曲线。从图2可以看出，在充电初始阶段，充电电流较大，效率较高，克服了恒流/恒压充电阶段初始充电电流设定较小的缺点。随着充电的继续，充电电流逐渐减小。因此，可以用分段恒流充电过程代替原来的恒流充电阶段，以提高充电效率。

在变流充电阶段，检测电池状态，确定恒流充电的起始电流，同时检测电池状态，当电池状态达到恒流充电段终止标准时，结束本段，调整电流值，进入下一段，当电池状态达到设定的标准时，终止变流充电，进入恒压充电，确保电池充满电。

变电流充电法的主要难点在于确定各阶段恒流充电电流值和选取合适的参数作为各阶段恒流充电终止的判断依据。

在变电流充电法中，通过初始阶段增大充电电流来达到快速充电的目的。但事实上，过高的充电电流会造成电池的极化，缩短电池的寿命。为了在保证效率的前提下尽可能地减少极化反应，研究人员对比了不同充电波形引起的电池极化，提出了间歇充电和脉冲充电方法。

1.5间歇充电法间歇充电法是指在充电一段时间后加入一段间歇时间，以减少极化。在间歇阶段，电解液的气化反应产生的氢气和氧气有时间重新结合，可以有效减缓电池内电压的上升，消除欧姆极化，降低内阻，使电池在随后的充电过程中能够接受更多的电量。

1.6脉冲充电法脉冲充电过程中，在充电电流接近电池充电可接受电流的基础上，用脉冲电流对电池进行充电。充电电流时而通、时而断，充电状态与暂停状态交替进行。脉冲充电有正脉冲充电和正负脉冲充电两种。正脉冲充电法中，在正脉冲的空闲时间内，电解液中的离子自由扩散，减轻了极化的加剧；正负脉冲充电法中，在正脉冲的空闲时间内加入一个负脉冲，电解液中的离子在反向作用力的作用下向相反方向移动，有效地抑制了极化现象。