新能源汽车动力电池充电方法探析

自电动汽车诞生以来，提高动力电池的功率密度、能量密度、使用寿命以及降低成本一直是电动汽车动力电池技术研发的核心。电池应用的过程是电能输入转变为化学能存储，再以电能形式输出的能量转换过程。

1、动力电池基本结构

电池是一种把化学反应所释放的能量直接转变成直流电能的装置。要实现化学能转变成电能的过程，必须满足如下条件：

必须让化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行）和得到电子的还原过程（在正极进行）分别在两个区域进行，这与一般的氧化还原反应存在区别。

两电极必须是有离子导电性的物质。

化学变化过程中电子的传递必须经过外线路。

（1）正极（正极电极）：通常由正极活性物质、导电剂和粘结剂组成。正极活性物质可以是氧化物、钴酸锂等，具体取决于电池类型。

（2）负极（负极电极）：负极也包括负极活性物质、导电剂和粘结剂。在锂离子电池中，石墨通常用作负极活性物质。

（3）电解液：电解质是正极和负极之间的介质，通常是液态或固态。它允许离子在正负极之间传输，以在充放电过程中完成电荷传递。

（4）隔膜：隔膜用于隔离正极和负极，以防止短路。它通常是一种多孔的材料，允许离子通过但阻止电极直接接触。

（5）外壳（壳体）：电池通常包裹在一个外壳或壳体中，以提供机械保护和封装电池内部组件。外壳通常是金属或塑料制成的。

（6）安全阀：用于维护电池内部安全的装置，通常用于封闭式电池系统，特别是在高压或高温环境下。它的主要作用是在电池内部产生过大的内部压力时，释放压力，以防止电池过热或甚至爆炸。

（7）极柱：通常由金属或合金制成，是电池内部的一个重要组成部分，用于连接电池的正极和负极电极，将电池与外部电路连接在一起，有助于传导电流和维持电池的稳定性。

2、动力电池分类

可用于电动汽车的动力电池根据正负极材料特性、电化学成分的不同，常有三种分类方法。不同类型的电池具有不同的性能、优势和局限性，选择适合特定应用的电池类型需要考虑多种因素，包括能量密度、成本、循环寿命、安全性和环境因素。

3、动力电池充电功能

电池充电通常应该完成3个功能：

①尽快使电池恢复额定容量。即在恢复电池容量的前提下，充电时间越短越好。

②消除电池在放电使用过程中引起的不良后果。即修复由深放电、极化等导致的电池性能被破坏。

③对电池补充充电。克服电池自放电引起的不良影响。

4、典型动力电池充电方法

充电方法在不同类型的动力电池中可能有所不同，充电方法也可能会根据充电设备的性能和特性而有所不同。本文主要介绍以下8种充电方法。

（1）恒流充电（Constant Current Charging）

恒流充电方法是通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方式使充电电流强度保持不变的充电方法。该方法控制简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，此时电能不能有效转化为化学能，多变为热能消耗掉了。

（2）恒压充电（Constant Voltage Charging）

恒压充电在蓄电池充电过程中，充电电源电压始终保持一定。充电开始时，电池电动势小，所以充电电流很大，对蓄电池的寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废；充电中期和后期，由于电池极化作用的影响，正极电位变得更高，负极电位变得更低，因此电动势增大，充电电流过小，形成长期充电不足，影响电池的使用寿命。

（3）阶段充电法

包含多种充电方法的组合，如先恒流后恒压充电法、多段恒流充电法、先恒流再恒压最后恒流充电法等。常用的为先恒流再恒压的充电方式，如铅酸电池、锂离子电池常采用该种方式充电。

（4）脉冲式充电法

首先用脉冲电流对电池充电，然后停充一段时间，再用脉冲电流对电池充电，如此循环，间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

（5）Reflex TM快速充电法

Reflex TM快速充电法最早主要面对的充电对象是镍镉电池，缓解了镍镉电池的记忆效应问题，并大大降低了蓄电池快速充电的时间。

Reflex TM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲、反向瞬间放电脉冲和停充维持3个阶段。与脉冲式充电相比，加入了负脉冲的思想。这种充电方法在其他类型的电池上的应用近年也大量开展，用于提高充电速度并降低充电过程中的极化。

（6）变电流间歇充电法

变电流间歇充电法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。

充电前期：各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。

充电后期：采用定电压充电段，获得过充电量将电池恢复至完全充电状态。

通过间歇停充，蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

（7）变电压间歇充电法

在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图3-12所示。变电压间歇充电法与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

（8）变电压、变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法

综合脉冲充电法、Reflex TM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压、变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法得到发展应用。

如下图波浪式间歇正负零脉冲快速充电方法，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，高蓄电池的充电接受能力。

总而言之，研究动力电池充电方法有利于优化电池性能、延长寿命、提高能源利用效率，同时确保充电过程的安全性，以满足不断增长的电动汽车和可再生能源系统等高能量需求应用的要求。这有助于推动电动化技术的发展，减少对有限化石燃料的依赖，同时减少环境污染和碳排放。