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纯电动汽车用铅酸动力电池充电方法的探讨

              纯电动汽车用铅酸动力电池充电方法的探讨

国家电动汽车试验示范区管理中心
(汕头  515065)
摘 要:本文是根据作者单位电动汽车运行实践结合课题研究中所取得的成果,着重探讨铅酸动力电池在运行中存在的主要问题和充电方法的不同对所用电池的使用寿命,电动汽车的运行质量和运行成本的影响。探讨铅酸动力电池的充电方法对其他形式的动力电池的充电方式的选择也有借鉴之处,经过分析比较后推荐使用快充转均衡充的充电方法。
关键词:电动汽车;动力电池;充电;寿命
 
一 、前 言
 
  当前,汽车行业面临能源、环境和安全三大问题的挑战。能源危机,环境污染的加剧,汽 车乘坐安全性要求的提高,对汽车的结构、能源的多样性、环境的保护均提出了更加严格的要求。电动汽车的应用有效地解决了能源和环境两大难题,而对汽车的安全性没有带来不利因素,某些方面还有所提高。
  纯电动汽车的应用存在着充电时间太长,电池包中电池模块间性能一致性差异太大而影响电动汽车的运行质量,电池使用寿命过低等,诸多问题的存在直接影响电动汽车的推广应用。这些问题的解决除提高电池单体自身的质量和性能外,与使用中电池安装配置和充电方法的选择、运行和充电过程中电池的管理都有密切关系,电动汽车设计完成后,充电方式的选择对上述问题有着直接的影响。本文着重探讨铅酸动力电池充电方式的选择,此问题的解决对其他类型电池的充电方式也有参考作用。
 
二、充电的意义
 
  电动汽车中无论哪一种结构都缺少不了二次充电的使用功能。电池的应用都存在补充电能的必要性。尤其是纯电动汽车其运行的能量全部来源于车载动力电池。在满足车辆装载质量的前提下,车载电池的容量大,理论上讲充一次电的续驶里程要长一些,车载电池能量的补充主要依赖于外源来完成的,即充电。充电质量的好、坏直接影响到车载动力电池运行条件下的能量供给,贮存和电池的使用寿命,最终影响到电动汽车的使用成本。电动汽车的充电是维持电动汽车运行的一种必备的手段,意义重大。
 
三、电动汽车运行中动力电池存在的主要问题
 
3.1  电池包中电池模块间性能一致性的差异
 
  电池单体在制造过程中的原材料、生产工艺、装配、加液等工序存在一定的差异,在组成电池模块后会造成该批电池模块的性能上存在允许范围内或范围外的误差。这种差异在电池包内串联工作时会变得更加明显。经长期使用,性能处于优劣两极的电池模块或电池单体会出现在没达到循环寿命时而早期失效,造成电池包不能正常工作而影响整车的运行。解决这个问题除加强电池生产中的各工序管理,提高电池的产品质量,将其性能差异控制在允许的公差范围之内,使其不影响电池单体串联工作。在应用过程中要注意使用条件的不一致性,充—放电的条件,保养方法等尽量减少造成性能一致性差异加大的条件,更要注意放电时不能过放,保证性能差的电池不被拖垮。
 
3.2  电池模块工作时存在温度过高,电池模块间温差过大的问题
 
  组成电动汽车动力电池包中的电池模块,在汽车上安装时,由于汽车自身的紧凑性问题,留给安装电池包的空间有限,使电池模块处于不利的工作位置上,环境条件不一致,又要接受同一的充—放电模式,尤其是在充电过程中各电池模块的温升是不一致的,在充电过程中必须控制电池模块的温升,否则会造成有的电池模块温度超过限值而损坏,有电池管理系统的电池包的冷却系统必须参与工作,保证电池模块温度不超限。
各电池模块间工作时的温升不一致,这种温差又加大了模块间性能的差异,随着工作时间的延续,这种差异会越来越大,即使处于全封闭的电池包内又有管理系统监控工作,由于电池包内温度场的分布不均匀,也会出现上述的温升不一致和温差加大的问题。
出现上述问题会带来三个不利的影响:
(1)个别电池模块温度超限,会造成该模块的早期失效而影响整体工作。
(2)温差进一步加大,会导致电池模块间性能不一致性差异的加大,促使电池模块失效进度加快。
(3)造成电池管理系统温控失灵、恶化了电池包内电池模块的工作条件,使电池包内模块工作无序而导致电池失效或管理系统强行电池包不参与工作而车辆被迫停驶。
综上所述如何控制电池包内电池模块的工作温度与温度场的均匀性十分重要,尤其要关注电池充电过程中加强对电池模块的温度控制,加强冷却,保持电池模块间温度一致性等重要问题。
 
3.3  电池单体中电解液流失影响电池模块的使用寿命
 
  电动汽车用的动力电池模块在使用中承受着充放电条件的作用来补充,贮存和释放能量,保证电动汽车所需的电量,使车辆达到安全运行的目的。
电池模块在充电中承受电流的脉冲,放电时电化学反应等造成的温升条件,内压升高,电解液体积膨胀,或由于电池结构造成气室太少、汽车运行中的颠簸等因素的综合作用引起电池模块内的电解液流失的问题,尤其是开口的铅酸电池模块这种现象更加严重。
电解液的流失一方面造成安装电池周围环境的污染,使整车的安全绝缘值下降,不利于安全行车,甚至形成安全隐患。更主要的是电池模块内电解液流失会造成电池模块本身早期失效——脱粉,极板间短路,电极间短路、电池爆炸等问题的出现,阀控电池由于内压过高,排气或减压过程也会有电解液流失的问题。这些问题的出现会使整车不能正常行驶,增加运行成本。
  根据我们多年的使用经验和课题研究中所取得的成果,我们认为在纯电动汽车运行过程中控制好电池模块间性能不一致性的差异,保证电池模块不出现过热的问题,尤其要保证充电过程中加强对电池模块的温度控制,有电池管理系统的电池包在充电时必须参与工作;保持电池包内电池模块温升的均匀性,减少各模块间的温差;开口电池模块,有规律性的及时补液,防止个别电池模块出现缺液而干涸的现象,造成电池模块早期失效。满足上述要求,装用的电池模块使用寿命会大幅度地提高,为纯电动汽车安全运行提供了条件,相应降低了电动汽车的运输成本,为纯电动汽车的推广应用铺就平坦大道。
 
四、充电方法的选择
 
  前面叙述了电池充电对电动汽车的重要意义,充电方法的优劣关系到电动汽车的运行质量,运行成本的高低。为此,对电动汽车充电方面的选择必须给予足够的重视,充电方面的选择也涉及到充电机的选择。
  电动汽车为了获得高压运行系统,它所用动力电池都是采用串联的方式加以利用,电动汽车上应用的充电方法为适应电池模块串联的使用方式而采用串联的充电方式。这种充电模式充电简单,便于控制,充电机结构也简单,价格便宜等,充电电流的大小依据所用电池的结构参数来选取。这种充电模式所关照的是电池包内电池模块的共性,一充到终结,关注不了电池模块的个性问题。采用这种充电模式的基础是所用电池模块间的性能一致性要好,否则会造成性能优秀的电池模块在充电时被过充而过早失效,性能低劣的电池模块在放电时被拖垮而失效。
  一种国外纯电动汽车上应用充电方法:该纯电动汽车应用的电池模块也是串联使用,电池模块间性能一致性较好,该电池包内有着较理想的电池管理系统,电池包内的温度场分布比较均匀,它应用车载式充电机,其特点是充电机与管理系统有对话功能。
该车的充电机充电时间较多的是以电池模块性能较优的参数为充电依据,此时充电电流较大,充电时间较短。待运行一段时间后,管理系统经检测判断后认定应以性能较差的电池模块为依据进行充电时,它指令充电机改变充电参数以较小的电流,用较长一点时间进行充电,目的是以此来平衡性能较差的电池模块让其性能有所恢复,由于电流较小性能较优的电池模块不能过充,共同达到整个电池包内电池模块性能的平衡,延长电池模块的使用寿命。
该车电池模块间性能差异较小,使用寿命较长(装车使用250000多公里),由于它采用的仍然是串充的办法最终还是由于电池模块间的性能差异变大,管理系统失去指令信号依据而车辆不能充电而停用,待解决了一致性差异后又能运行起来,这就是串充的一个大弊端。
国内在执行“863”计划中有的课题组为缓解电池模块间性能一致性差异所带来的问题,有的采作模块控制的办法来达到充电、放电时相邻电池模块或电池模块与总线之间的平衡,满足整车运行的要求,这种做法只从形式上解决性能平衡并没有从电池本身的性能来解决,没能充分发挥电池模块自身的潜能,结构复杂,可靠性差,电池包的价格高,应用前景不容乐观,实用性能较差。
  我们从发挥每个电池模块的潜能,又能延长使用寿命,充电时间不要太长,又能将电池模块充足充好的角度出发,采用一种快充转均衡充的办法给电池包中的电池模块充电。
快充的最大电流依据所用电池允许的最大充电电流而定的。快充为后来的均衡充挤出时间,快充结束的信号是只要电池包内的电池模块任一只达到终止电压时,快充结束转入均衡充。均衡充的办法是采用对每只电池模块进行充电,电流由大到小,直至每只电池都充好为止,哪一只电池模块先充好可以先停充,不影响其他电池模块充电。
  采用这种充电模式充电时间不会很长,又能给每只电池模块充足而不过充,防止了串充模式的性能优劣两个极端受害的弊端,这样的充电方法对电池模块性能一致性要求不太严格,既照顾电池模块的共性又能满足个性的要求,防止电池模块串充时早期损坏的问题。
实践证明我们采用的快充转均衡充的充电模式对我们目前的电池性能很适用,对铅—酸电池来讲确实是一种好的办法,保证电池模块都能充足又不过充,充电时间又在可能接受的范围内,避免了常规串充所有的不足之处,是一种值得推广的好的充电模式,这种充电机的成本适中很有推广前景。
 
五、充电机
 
  上面介绍我们采用一种非车载的快充转均衡充的充电机,这种充电机在实际应用中很有实效,使用这种充电机使电池模块的使用寿命有很大的提高,电动汽车的使用成本大大降低。
快充机的充电电流依据所用电池模块的性能由厂家给定,充电机可以选择电池模块开始用快充,能量补充的很快,快充过程中监测系统一直在对电池进行监测,只要电池包中任一电池模块达到预设的终止电压时快充结束转入均衡充,这样保证电池不能因快充而造成电池过充,又能使电池都能充足。
 
应用这样的充电模式有三个突出的优点:
 
(1)充电不受电池模块间性能一致性差异的制约,保证电池充足、充好而不过充,避免恒定串充的弊端;
(2)大电流快充使充电时间大为缩短,为后续的均衡充留出足够的时间;
(3)这种充电模式能延长电池包的使用时间,降低运输成本。
这种充电模式对公交运行特别适用,待车辆充足开始运行后,在每个行程结束时采用快充的办法给车辆补充能量,有效地延长班线的运行里程,延长公交车的运行时间。从我们的实践证明这种充电模式实用,效果好,适于我们国内电池的结构性能,值得推广应用。
 
Discussion on the charge method of lead-acid power
battery for pure electric vehicle
 
Administration Center of China EV Test and Demonstration Zone
(Shantou  515065)
Abstract: According to the running practice and results gained from the researching of projects of the author’s company, this paper mainly discusses the influence resulting from the problems that occurred during the operation of lead-acid power battery and different charge methods on the service life of battery, running quality of electric vehicles and running cost. The discussion of charge methods for lead-acid power batteries can be used for reference when selecting charge method for other kind of power batteries, after analysis and comparison, we recommend using fast charge mode at first and then change to equalizing charge mode.
Key words: Electric Vehicle; power battery; charge  life
 

发布时间: 2005/8/10
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