新能源汽车充电过程策略分析（一）常规充电过程

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一、充电过程对动力电池的影响

在之前的相关文章中我们曾多次交流过关于动力电池负极是影响快充应用的关键，文章也指出在快充大电流的作用下，于电极处会形成电荷的累积，由此会造成电极电位偏离平衡电位的现象，即平时所说的极化现象。同时随着充电电流、SOC状态的提升，动力电池的内阻也可能会相应变大。这些现象的存在，让动力电池在充电过程中会出现发热、假性充满、影响充电速度等情况。

为解决这些问题，除了从动力电池自身入手外，通过相关策略的应用去适当地调整充电过程中的电流/电压状态，或对缓解上述所说的异常情况有所帮助。为此，我们将分析不同的充电方式对动力电池所产生的影响，从而获得一种较为合适的充电过程方案。

二、充电方式

2.1.恒流充电简介

我们知道动力电池的容量是以AH（安.时）来衡量的，因此，在同等的时间内充入动力电池的电流的多少便决定了此次充电量的多少。于是在一个完整的充电周期中，以某一固定电流值为动力电池进行充电的方式便得以被应用，此方式称之为恒流充电。

当动力电池在馈电时，由于存在参与反应的活性物质逐渐被消耗，化学反应的驱动力减弱，从而导致了电极端电压的下降等因素。此时恒流充电方式可通过较大的电流，让动力电池电压在短时间内恢复至标称值，同时由于电子在电池内部的移动，便会形成极化内阻，从而让内阻总值得以增加。内阻的增加将会让动力电池的电压持续升高，如果此时不停止充电，那么于电池负极处将会形成析锂现象，从而造成动力电池容量的下降。而升高的内阻在热量关系（Q=I2Rt）的作用下，会使得动力电池产生大量热量，严重时将会出现爆炸，此现象即平时所说的电池过充。


图1 恒流充电
2.2.恒压充电简介

动力电池过充主要是由于充电电流过大而导致的电池产热过高，因此为了防止电池出现过充现象，便出现了使用恒压方式为动力电池充电。

在恒压充电初期，由于电池的馈电会导致其电压下降，这可能让此时的电压值尚无法达到设定的恒压值时。同时，此时的电池内阻相对较低，所以通常此阶段下的动力电池尚有较大可利用的空间来接收充电电流，因此采用恒压充电方式时，其初始的充电电流会较大。

当动力电池电压达到恒压充电阶段后，随着其内部化学反应的进行，容量将逐步饱和，此时锂离子在电极间的移动速度会逐渐减缓，同时电解液的浓度梯度会随之增加，电极表面可能会生成固态电解质界面膜（即SEI膜），这会导致电池内阻逐渐增大。此外，随着SOC的提高，极化现象加剧，尤其是浓差极化和欧姆极化，也会使内阻呈现上升趋势，这对于动力电池的使用寿命会有所影响。

而随着充电的继续，在动力电池接近充满时，由于内阻的增大，会导致充电电流逐渐减小，小电流充电虽防止可过充的发生，但单位时间内所充入电池的电量也就小了，因此整体的充电时间在此被拉长。


图2 恒压充电
2.3.混合充电简介

如上所述，在恒流充电方式中，会出现过充情况的主要是在动力电池电压达到阈值电压后的充电过程，而在恒压充电方式中，由于充电初期电流过大对于动力电池不友好，对比两者充电方式，并将其‘掐头去尾’后再融合，便形成了先恒流再恒压的充电模式。此充电模式可很好地避免单一充电方式所带来的弊端，过程示意如下：


图3 先恒流再恒压充电
在使用先恒流再恒压的充电方式时，当遇到动力电池SOC过低的情况时，由于动力电池在深度放电状态下，其内部阻抗可能会增大，若此时采用大电流充电，可能会导致电池内部温度急剧上升，严重时将会引起电池热失控的安全隐患。

同时，在此状态下的动力电池其内部的电化学反应活性较低，大电流充电不仅效率不高，还可能会加剧电池内部如析锂、电极结构破坏等副反应，从而导致电池容量损失加速，进而影响其循环寿命。

因此，为了保护动力电池并提高其充电效率，在SOC极低时，通过采用“预充电”方式，即初期先以小电流对电池进行充电，待电池电压和温度上升到一定水平后，再逐渐增大充电电流，以过渡到正常恒流充电阶段，最后再进入恒压充电阶段。这样既保障了电池的安全性，也一定程度地延长了电池的使用寿命。

通过此对恒流恒压充电方式的再优化，便形成了如今应用较为普遍的先小电流预充，当动力电池恢复至馈电压以上，再实施恒流恒压充电模式的经典三段式，其过程示意如下：


图4 常规充电过程模型
如上图所示，在三段式充电模型的应用过程中，当动力电池的SOC接近满值时，电池内部的化学反应将越来越难进行，这便导致了电池接受新能量的能力下降，反映在充电曲线上就是充电电流逐渐减小。

当SOC接近满值时，如果继续保持恒压充电，那么大部分电流将不再是用于能量储存，而会被用来克服电池内部的欧姆内阻和极化内阻，由此会造成不必要的发热和电能损耗，同时还会加速电池的老化。为此，在三段式充电模型的基础上，便引入了涓流充电（或称浮充）阶段。

此阶段是在电池电量接近充满时，将充电电流进一步减小，此电流值通常定义为电池额定容量的一个很小比例（如0.01C或更低），通过此微弱的充电电流，以抵消电池因自放电、极化等原因造成的电量流失、充不满等状态，这避免了动力电池因长期充不满而导致的内部活性物质的不可逆损失，有助于延长电池的循环寿命，同时基于涓流充电电流较低的特性，将不会引起电池内部温度剧烈上升，避免了过充风险，进一步提高了电池使用的安全性，其过程示意如下：


图5 四段式充电过程模型