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锂电池充电:当心过充电

2015-06-16 15:33:38来源:北京交通大学电气工程学院作者:文锋 姜久春 张维戈 郭慧萍

  长期以来,铅酸蓄电池作为主要的动力源或后备电源得到了广泛的应用。20世纪90年代,镍氢电池和锂电池出现以后,多用于手机、笔记本电脑以及数码相机等小功率场合。

  锂电池具有能量密度和体积密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电低又无环境污染的优点,是电动汽车的理想动力源。但锂电池的抗过充电能力较铅酸电池差,部分电池在充电过程中存在严重的过充电现象,使得电池的容量下降迅速,电池的寿命严重缩短,车辆的运行成本增加,阻碍了电动汽车的发展。


  过充电现象

  由于锂电池的抗过充电能力较弱,不能像铅酸电池一样通过充电后期的涓流充电实现均衡,所以即便在电池出厂时进行了严格的筛选,使用一段时间后,单体电池之间的容量依然会出现差异,这样在充电过程中,势必出现部分电池先充满电的现象发生。同时,基于电池组端电压的充电方法并不能及时有效地得知电池组中是否有个别电池已经充满电,使得先充满电的电池出现过充电现象。

  因此,对于锂离子电池而言,采用基于端电压的充电模式也会因为发生了严重的过充电问题,导致电池大量发热和电池的容量衰减迅速,寿命严重缩短。更严重的会使电池的电解液分解,产生的气体使压力增加、电池的温度迅速上升。继续充电会导致电池的隔膜热闭合、隔膜溶解、电池的正负极断路大量发热,使得电池着火甚至爆炸,进而损毁电池。

  因此,电动汽车的锂电池在充电过程中,采用电池管理系统(BMS)十分必要。BMS使充电机能够实时地了解电池的信息,从而有效地解决部分电池的过充电问题。


  保证实时监测的方法

  充电过程中,BMS通过通信线和充电机联系起来,实现数据的共享。BMS将总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压、最高允许单体电池电压以及最大允许充电电流等参数实时地传送到充电机,充电机就能根据电池管理系统提供的信息改变自己的充电策略和输出电流。

  在实际操作中,当BMS提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时,充电机按照设计的最大输出电流充电;当电池的电压、温度超限时,BMS能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出;当充电电流大于最大允许充电电流时,充电机将根据最大允许充电电流进行充电。

  充电过程中一旦出现故障,BMS可将最大允许充电电流设为0,迫使充电机停机,避免发生事故,保障充电的安全。

  这样地不断反馈和及时调整充电状态的充电模式,既完善了BMS的管理和控制功能,又能使充电机根据电池的状态,实时地改变输出电流,达到防止电池组中所有电池发生过充电以及优化充电的目的。

  同时,这种实时监测的方法使充电机具有更好的适应性,不需要区分电池的类型,只需要得到BMS提供的电流指令就能实现快速、安全的充电,提高了充电的安全性和智能化水平,并简化了充电工作人员设置充电参数等繁琐工作。


  值得推行的充电模式

  目前,使BMS与充电机协调配合的充电方法已经在北京121路电动公交充电站得到试行。

  测试车辆的电池配备情况如下:

  电池容量360A·h;

  电池类型为锰酸锂电池;

  串联电池数为104节;

  充电端电压限制为437V(≈4.2×104=436.8V);

  最大单体电压限制为4.23V,充电机最大输出电流为100A。

  为了实时监测电池充电信息,车载电池管理系统和充电机之间通过CAN总线实现数据的交换。充电机和监控PC相连,实现充电机的监控和起停控制等。充电过程被PC机记录,并进行数据库管理,监控PC机与打印机连接,实现统计报表的打印。充电站的系统结构(见图1)。

图1充电站系统结构.jpg

  测试中,电池管理系统和充电机协调配合的充电模式下的实际充电曲线(见图2)。

图2实时充电曲线.jpg

  从图2可以看出:在充电初期,电池最大允许充电电流较高,所以充电机按照最大设计电流(100A)输出。为了防止部分电池过充电,当最高电池单体的电压上升到限制电压(4.23V,电池厂家提供数据)时,虽然电池的端电压为431V(图2中平均电压仅4.15V),未达到限制电压437V,但是充电电流开始下降,并在以后的过程中可以看到,最高单体电池的电压一直未超过4.23V,有效地防止了电池出现过充电现象。

  在充电的后期,当电池的最大允许充电电流下降到充电电流以下后,充电机的输出有效地跟踪最大允许充电电流,当电池的SOC=100%后,可以看到,充电电流降到15A,进行充电效率的补偿充电。

  同时,单体电池的电压有一定的降落,当单体电池的最高电压再次上升到限制电压(4.23V)或电池组端电压到限制电压(437V)后充电结束。

  该充电方法在北京121路电动公交车站运用,充电过程未出现电池冒烟或着火的事故,证明该方法可有效杜绝电池的过充电,能保障电池充电的安全性。

  (由于篇幅所限,原文有删节。)


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