硅盐胶体电池快速充电控制研究

硅盐胶体电池快速充电控制研究

为了将硅盐电池能量应用于电动汽车和混合动力电动汽车的制备，并建立电池管理模型，作者对电池进行了各种实验研究，如充电性特征和充电方法。本文主要介绍硅盐电池快速充电的控制方法。1充电可接受电流律增大充电电流,虽然可在较短时间内充入较多的电量,但电池可接受充电电流是有限度的。铅酸电池的充电可接受电流是指其电解液在产生微量析气的前提下所能够接受的最大充电电流。1967年美国学者麦斯(J.A.Mas)经过大量试验,提出了电池充电可接受电流定律:I=I0e−atΙ=Ι0e-at式中:I——电池可接受的充电电流,A;I0——开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流,A;a——充电可接受电流衰减常数,它与电池的结构和状态有关。在充电过程中,其充电可接受电流按指数规律下降(见图1)。当充电电流在可接受电流曲线以下时,不产生析气,充入的电量几乎都转变为电池的化学能量;当充电电流大于充电可接受电流时,则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水,使电池电解液产生析气反应。电流越大,这种电解水的反应越剧烈,并使电池内压力增大、温升加速,对电池造成损害。大量试验表明,对于硅盐胶体电池,有相类似的充电可接受电流曲线。在充电过程中,充电电流曲线越接近可接受充电电流曲线,充电所需的时间就越短。2不同恒流充电分段数和恒流值的确定最理想的快速充电控制是充电电流如同可接受充电电流的曲线,但实际充电控制难于实现。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(见图2),但要解决的问题是设定适当的恒流充电分段数、各阶段电流大小及终止时间。若各段充电电流过小或终止时间过早,则充电电流曲线远离充电可接受电流曲线,充电时间就长;若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。对于液态电解液电池,在试验中的各阶段恒流充电终止可根据电池电解液的析气、电压和电池的温度等来综合判断;而对于硅盐胶体电池,则只有根据电池的温度和电压来进行判断,准确地判断充电是否达到了充电可接受电流,其难度相对较大。为此,我们对不同的恒流充电分段数和恒流值进行了多次充电试验。试验结果表明,理想的充电曲线可通过对充电时间、充电效率和电池温升等参数的综合分析与比较来确定。3恒电流和电流放电根据快速充电理论和试验结果,我们将硅盐胶体电池设定了5段恒流充电+定压充电的充电方案,见表1。各段之间有1min的停歇时间,电池3h率完全放电后的充电电压和电流曲线见图3。在充电初期,以较大的恒电流充电,使电池容量得到快速的恢复,以满足应急快速充电的需要。恒流充电阶段结束时,电池充电的电量达到电池放出电量的90%～120%。定压充电是对电池进行小电流充电,以使电池达到完全充电状态。4称重传感器的配置方法4.1恒流补偿和充电压(1)开/关闭充电阶段设定恒流充电至可接受电流值的时间。当充电时间达到设定值时,通过定时器的信号使充电机停止充电,使该阶段恒流充电结束。定时控制电路虽比较简单,但问题是当恒流充电开始时,电池的荷电状态改变或电池因容量衰减,因而其充电可接受电流减小,定时控制就不适应。(2)恒流充电控制设定恒流充电达到或接近充电可接受电流值的电压。当电压达到设定值时,充电机便自动结束本段的恒流充电。电压参数控制可自适应始充电电池荷电状态和电池使用过程充电可接受电流变化,且控制比较简单。电压参数控制存在的问题是,当电池的性能出现异常变化时,原来设定的电压控制参数可能会过高而导致电池过充电。(3)温度参数的设定设定恒流充电达到可接受电流时的电池温度上升值。当电池的温升(或电池与环境的温差)达到设定值时,控制器使充电机自动停止充电。在温度控制适应始充电电池荷电状态不一样的情况下,虽阶段恒流充电结束,自动停止充电控制,但温度传感器的准确性和滞后性易造成电池过充电。因此,温度参数不宜作为惟一的控制参数。控制程序流程如图4所示。4.2未到充电时间,充电机自动终止充电(1)设定一个基本的定压充电时间,当充电至设定的充电时间时,认为电池已达到充足电状态,充电机便自动终止充电。(2)未到设定的充电时间,但电池温升达到设定的限值时,充电机自动终止充电。(3)未到设定的充电时间,但充电电流已稳定在一个较小的值,且2h不变时,认为电池已充足电,充电结束。(4)未达到设定的充电时间,当电流从降至最小值又上升ΔI而达到所设的限定值时,充电结束,以确保电池的充电安全。5定压充电阶段在进行充电试验过程中,发现一些充电过程的充电效率很低,电池容量衰减快甚至于当场报废。为查明原因,我们进行了一系列的对比试验,试验结果如下:(1)在充电量达到放出电量之前的各恒流充电阶段,电池不发热或发热量很小,其充电效率较高。(2)在最后阶段的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,其充电效率也相应较低。(3)定压充电阶段,根据有关单位所提供的电压参数定压充电,电池温升较严重,充电的效率很低。当定压充电阶段充电电流逐渐上升时,电流上升的速率和幅值越大,电池的温升就越严重,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,就会因电池热失控而导致电池当场损坏。试验结果表明,电池充电效率低、容量下降甚至损坏的主要原因是:硅盐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,从而导致电池充电效率低、电池容量衰减和损坏;电池的散热比较慢,即使没有深度的过充电,也容易使电池充电产生的热量大于电池的散热量,从而造成电池的温度过高。由于电池在使用中的容量自然衰减,其可接受的充电电流会相应减小,因此,当恒流充电段电池温度较高时,除了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;在定压充电阶段出现电池温度较高、充电电流增加且增加幅度超过限值时,除了立刻终止充电外,还应适当减小下一次定压充电的电压值。6电池充电方法(1)采用分段