郭輝

摘要：近年來(lái)伴隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升，綠色出行成為了越來(lái)越多人的選擇，但是電動(dòng)汽車在推廣的過(guò)程中面臨著很多技術(shù)問(wèn)題，最為重要的就是鋰電池快速充電方法方面的研究。鋰電池作為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ膭?dòng)力電池，在現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中存在著充電速度較慢和安全性相對(duì)匱乏等問(wèn)題。本文對(duì)集中較常應(yīng)用的電動(dòng)汽車鋰電池充電方法進(jìn)行闡述和分析，并對(duì)其今后的發(fā)展趨勢(shì)做出適當(dāng)?shù)胤治觥?/p>

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;鋰電池;快速充電

0 ?引言

隨著經(jīng)濟(jì)多年來(lái)的高速發(fā)展，各國(guó)的能源消耗量與日俱增，逐漸出現(xiàn)了能源緊張的問(wèn)題，可運(yùn)用到生產(chǎn)中的化石能源也越來(lái)越少。受全球變暖的影響，各國(guó)也都推出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)政策，提倡節(jié)能減排，嚴(yán)格控制碳排放量。在這種社會(huì)背景下，節(jié)能又環(huán)保的電動(dòng)汽車慢慢地進(jìn)入了人們的視野，成為了交通領(lǐng)域研發(fā)的主要對(duì)象。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車研發(fā)中的最重要的一環(huán)，電池性能的好壞直接影響到電動(dòng)汽車的續(xù)航力和使用壽命。經(jīng)過(guò)多次研究和比較，鋰電池相對(duì)其他動(dòng)力電池?fù)碛懈玫男阅埽嗤|(zhì)量的鋰電池所蘊(yùn)含的能量是石鉛酸電池和鎳氫電池的數(shù)倍之多。同時(shí)相較于傳統(tǒng)電池，鋰電池?fù)碛兄亓枯p、可用周期長(zhǎng)、續(xù)航力持久、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，其放電曲線也相對(duì)平緩，放電期的功率也相對(duì)平穩(wěn)。我國(guó)鋰資源儲(chǔ)備量豐富，生產(chǎn)鋰電池相對(duì)方便，對(duì)電動(dòng)汽車的推廣可以起到一定的輔助作用。

1 ?電動(dòng)汽車中常用的鋰電池種類

1.1 水溶液鋰電池

金屬鋰薄片表面被特殊材質(zhì)的復(fù)合膜緊緊包覆，然后將其放于PH值適中的溶液內(nèi)，產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)和鋰電池中自有的尖晶石錳酸鋰相互反應(yīng)融合，就可以得到充電、放電電壓分別為4.2V和4.0V的水溶液鋰電池。該鋰電池的能量效率極高，可高達(dá)95%，實(shí)際能量密度不小于220瓦時(shí)/公斤，裝備此款鋰電池的電動(dòng)汽車，在均速行駛下，持續(xù)行駛距離可突破400公里，續(xù)航力得到了很大的提升，充電時(shí)間也大幅度減少。

1.1.1 水溶液鋰電池應(yīng)用原理

其應(yīng)用原理具體如下，其包裹在外的復(fù)合膜成分中主要由GPE和LISICON膜兩部分構(gòu)成。其中LISICON膜起到的主要隔離作用，作為一種固體電解質(zhì)，可以有效地抵擋水分子和其他質(zhì)子、離子的通過(guò)。GPE則是一種三明治構(gòu)造，可以吸收多余的電解液，性質(zhì)穩(wěn)定不易與鋰金屬產(chǎn)生反應(yīng)。GPE可以通過(guò)形成電勢(shì)差來(lái)將LISICON膜和金屬鋰薄片分隔開(kāi)。三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜只允許鋰離子通過(guò)，確保其運(yùn)行穩(wěn)定性，需要注意的是GPE的特有粘性和LISICON的結(jié)構(gòu)可以抑制鋰枝晶的形成。哪怕偶爾有鋰枝晶產(chǎn)生，也無(wú)法穿過(guò)LISICON膜，其安全性和可循環(huán)性不受影響。

水溶液鋰電池中含有的水溶液電解質(zhì)擁有較高的比熱容，具有良好的吸熱性。在電動(dòng)汽車的充過(guò)程中，應(yīng)用水溶液鋰電池產(chǎn)生的溫度較低，可以極大地提升電池的安全性。舉例來(lái)講，如果在充電過(guò)程中電池系統(tǒng)中的GPE和LISCION膜產(chǎn)生磨損，那么水會(huì)直接碰觸金屬鋰薄片。二者相互反應(yīng)會(huì)于金屬鋰薄片表面生成LIOH膜，阻止繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)現(xiàn)象，形成LIOH膜時(shí)產(chǎn)生的H2含量極少，無(wú)須擔(dān)心火災(zāi)的產(chǎn)生。產(chǎn)生的H2也會(huì)隨著內(nèi)部的空氣流動(dòng)直接排放到空中，可以有效解決傳統(tǒng)電池充電過(guò)程中易發(fā)生爆炸的問(wèn)題。

1.1.2 水溶液鋰電池快速充電的方法

水溶液鋰電池經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即使將電解質(zhì)替換成水溶液電池依舊擁有出色的能量密度，安全性和可循環(huán)性也可以得到良好的保留。制作有機(jī)電解質(zhì)的技術(shù)及其復(fù)發(fā)，投資和人力投入都相對(duì)較大，替換成水溶液會(huì)極大地降低生產(chǎn)成本，與此同時(shí)，新型水溶液更具有優(yōu)良地環(huán)境友好性，更加貼合當(dāng)下綠色環(huán)保的發(fā)展觀念。用水溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解質(zhì)的又一好處是可以提升鋰離子的遷移速度。傳統(tǒng)有機(jī)電解質(zhì)中的聚合物粘度相對(duì)較大，在一定程度上阻礙了鋰離子的遷移。通過(guò)數(shù)據(jù)我們可以得知，二者的遷移速率相差倍數(shù)可達(dá)一百倍，這也就意味著在10秒內(nèi)就可完成鋰電池的充電工作。

1.2 石墨烯表面鋰離子交換電池

石墨烯表面鋰電池兼具鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，其在高功率密度等方面遠(yuǎn)超普通鋰離子電池，功率密度最高可至100千瓦/kg。功率密度的大小直接影響著能量轉(zhuǎn)移率，100千瓦/kg的功率密度可大大縮短充電時(shí)間。

1.2.1 石墨烯表面鋰電池的應(yīng)用原理

石墨烯表面鋰電池自身的陰陽(yáng)兩極配有大面積的石墨烯表面，可直接與液體電解質(zhì)進(jìn)行接觸，借助氧化還原反應(yīng)，石墨烯表面鋰電池可以迅速地收集鋰離子。在首次放電過(guò)程中，鋰電池陰極產(chǎn)生的鋰離子以液體電解質(zhì)為通道，移動(dòng)至充滿納米元素的陽(yáng)極，最終遷移至石墨烯鋰電池表面。由于陽(yáng)極設(shè)計(jì)采用的是納米結(jié)構(gòu)，所以其擁有較大的表面積，為鋰離子的高速率沉積提供了有益的條件，沉積后的鋰離子也會(huì)構(gòu)建起全新的陰陽(yáng)化學(xué)勢(shì)。在多次的反復(fù)循環(huán)之后，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子在電極表面進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一改傳統(tǒng)鋰離子易在電池兩級(jí)嵌入和脫落的問(wèn)題。

1.2.2 石墨烯表面鋰電池實(shí)現(xiàn)快速充電的方法

以當(dāng)前應(yīng)用的較為普遍的鋰電池為例，兩極上附著很多細(xì)小的微孔結(jié)構(gòu)，微孔的數(shù)量也直接影響著可嵌入的鋰原子數(shù)量，微孔數(shù)量越多電池容量也就越高。但是從正極表面脫離的鋰離子遷移到負(fù)極需要消耗大量的時(shí)間，這也是當(dāng)前絕大部分鋰離子電池充電較慢的原因。石墨烯表面鋰電池正負(fù)兩極交換鋰離子時(shí)可以不借助通道遷移，直接在表面完成轉(zhuǎn)換工作，這一技術(shù)的突破極大地縮短了充電時(shí)間。通過(guò)對(duì)能量?jī)?chǔ)存性能進(jìn)行對(duì)比，裝備石墨烯表面鋰電池為電動(dòng)汽車提供相同行程里數(shù)的同時(shí)，所消耗的充電時(shí)間更短。

2 ?電動(dòng)汽車鋰電池快速充電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車的鋰電池若想完成快速充電，通常都需要借助直流充電機(jī)來(lái)完成，但是此種充電方式對(duì)充電設(shè)備性能要求較高，所需要使用的充電面積也相對(duì)較大，而且通常需要借助專業(yè)的充電站來(lái)完成充電工作。充電機(jī)的主要工作內(nèi)容是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，換句話來(lái)講，其實(shí)質(zhì)是AC/DC的變換器。直流充電機(jī)是由AC/DC變換器、電能計(jì)量元件、通信模塊和充電槍四部分組成。直流充電機(jī)電源的閉合方式通常都是采用高頻方式，采用此種方式，電動(dòng)汽車充電更加迅速和高效。以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分析，該充電機(jī)機(jī)構(gòu)可劃分為兩類，單級(jí)和多級(jí)結(jié)構(gòu)。

2.1 單級(jí)式結(jié)構(gòu)

三相PWM整流器拓?fù)涫菃渭?jí)式結(jié)構(gòu)中最常應(yīng)用的直流式電機(jī)結(jié)構(gòu)，電路中交流電先通過(guò)隔離變壓器，在經(jīng)過(guò)隔離處理后，移動(dòng)至LCL濾波器，最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姙殡妱?dòng)汽車進(jìn)行充電。目前應(yīng)用的三相PWM整流器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和使用，技術(shù)相對(duì)成熟，適用于大功率場(chǎng)合，也正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)才讓其在電動(dòng)汽車充電應(yīng)用上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。自身就有較強(qiáng)的控制能力，無(wú)須借助無(wú)功補(bǔ)償?shù)容o助設(shè)備來(lái)進(jìn)行電流諧波含量的調(diào)配和控制。在輸出電壓的控制方面精準(zhǔn)度也極高，完全可以滿足電池充電的基本需求。

此外由于單級(jí)式結(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，所以相較于復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有高效率的優(yōu)點(diǎn)。但是此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也十分明顯，其中輸出電壓范圍過(guò)窄就是限制其應(yīng)用和普及的最大阻礙因素。由于電動(dòng)汽車電池端的電壓受荷電影響較大，舉例來(lái)講，若所選鋰電池組的額定電壓為700V，在電量較低時(shí)其實(shí)際電壓可能僅為350V，所以此種單級(jí)式結(jié)構(gòu)的整流器拓?fù)錈o(wú)法應(yīng)用于電壓要求較寬的使用場(chǎng)合。

2.2 多級(jí)式結(jié)構(gòu)

多級(jí)式結(jié)構(gòu)就是單級(jí)式結(jié)構(gòu)的升級(jí)版，采用的是前端AC/DC整流，后端DC/DC調(diào)壓的組合模式，AC/DC整流器由前文所提到的單級(jí)式拓?fù)浣M合而成，DC/DC調(diào)壓器則是根據(jù)前端反饋的數(shù)據(jù)來(lái)確定選取隔離或非隔離拓?fù)?。在現(xiàn)有的電動(dòng)汽車鋰電池充電系統(tǒng)中，較常使用的是非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，其本質(zhì)為雙向拓?fù)洌c三相PWM合作可以組成具有雙向充電功能的電池機(jī)組，還可以與V2G新概念進(jìn)行融合，制造出性能更加全面地智能充放電機(jī)。

3 ?電動(dòng)汽車鋰電池充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 實(shí)現(xiàn)智能充電控制

電動(dòng)汽車因其自身具有較強(qiáng)流動(dòng)性，所以充電行為也具有隨機(jī)性，會(huì)在一定程度上對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。所以在電動(dòng)汽車鋰電池充電技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，如何做到充電器械和電力系統(tǒng)的統(tǒng)籌融合就顯得尤為重要，既要確保設(shè)施多元化也要保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。如果在確保電動(dòng)汽車充電便利的前提下，運(yùn)用先進(jìn)的科技力量和現(xiàn)代化的管理方式對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行管控，從傳統(tǒng)管理方式過(guò)渡到更具智能化的管理方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和網(wǎng)格化管理。運(yùn)用集中統(tǒng)籌的智能管理模式可有效解決因充電不規(guī)律、具有間歇性等問(wèn)題引起的電力系統(tǒng)的損失實(shí)現(xiàn)“友好符合”，確保電力系統(tǒng)高效平穩(wěn)的運(yùn)行。

3.2 配合新能源發(fā)電

隨著減能減排理念的興起和人們環(huán)保理念的提升，綠色出行成為了越來(lái)越多人的選擇，新能源的發(fā)展和應(yīng)用也是必然的選擇。運(yùn)用新型能源發(fā)電，既可以緩解非可再生能源缺乏的現(xiàn)象，還可以減少二氧化碳的產(chǎn)生，減輕溫室效應(yīng)，起到保護(hù)環(huán)境的作用。如果可以借助科技力量，將充電設(shè)備與新型能源完美融合，既可以降低新型能源融入電力系統(tǒng)時(shí)造成的不良影響，還可以削減充電設(shè)備在工作時(shí)帶給電力系統(tǒng)的壓力。在實(shí)際推廣過(guò)程中，可以采用充電站和電池組更換服務(wù)相結(jié)合的方式，郊區(qū)可用面積大，新能源管豐富，可建立充電站以供電動(dòng)汽車使用，市區(qū)可利用的公共面積較小，且服務(wù)人數(shù)眾多，可以為電動(dòng)汽車提供替換電池組的服務(wù)，滿足電動(dòng)汽車在郊區(qū)與市區(qū)之間的雙向行駛需求。二者的相互融合，既可以起到推進(jìn)電動(dòng)汽車快速普及和發(fā)展，還能為新能源的開(kāi)發(fā)和使用提供助力，有助于資源的整合和優(yōu)化。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電動(dòng)汽車鋰電池充電方法進(jìn)行深入地探討和研究有助于該項(xiàng)技術(shù)的推廣，在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，為了貼合綠色環(huán)保的發(fā)展需求，電動(dòng)汽車等新能源交通工具方式會(huì)成為人們的主要選擇，解決鋰電池充電過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題也是為其推廣打好基礎(chǔ)。本文從常用的鋰電池種類、鋰電池快速充電的解決方法和電動(dòng)汽車鋰電池充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)等多角度出發(fā)，闡述了其發(fā)展優(yōu)勢(shì)和可實(shí)施性，希望可以為鋰電池充電技術(shù)今后的發(fā)展起到推動(dòng)和優(yōu)化作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃悅?cè)A，周健飛，魏業(yè)文，王琦婷，李應(yīng)智.電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池LCL型無(wú)線充電技術(shù)[J].電測(cè)與儀表，2020-02-23.

[2]胡杰，蔡世杰，黃騰飛，王成，杜常清.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電能量的預(yù)測(cè)方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2019-10-12.

[3]趙宇彤，陳熙，陳海洋，關(guān)宇，朱潔.基于主動(dòng)混合脈沖充電策略的電動(dòng)汽車充電設(shè)施主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2019-08-13.

[4]郝斌，魯特剛，馬洋洋.基于大數(shù)據(jù)分析的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電能量預(yù)測(cè)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019-05-15.