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車用鋰離子電池的充電策略

2021-11-19 19:45:38·  來源：AutoAero  
　
摘要針對LiFePO4電池的常用充電策略，進(jìn)行了大量實驗，包括CC-CV（恒流-恒壓）充電和脈沖電流充電。CC階段充電溫度和充電電流是CC-CV充電策略需要研究的主要因素
摘要
針對LiFePO4電池的常用充電策略，進(jìn)行了大量實驗，包括CC-CV（恒流-恒壓）充電和脈沖電流充電。CC階段充電溫度和充電電流是CC-CV充電策略需要研究的主要因素，從三個方面分析CC階段和CV階段對整個充電的貢獻(xiàn)，包括時間百分比、充電能效與電池在不同溫度和充電電流下的容量。關(guān)于脈沖充電策略，從能量損耗的角度確定脈沖頻率，然后進(jìn)行不同脈沖模式、不同占空比以及不同充電溫度和充電電流的脈沖充電實驗，研究脈沖充電的特性。為了消除電池極化，我們優(yōu)化了電池電壓達(dá)到截止電壓前充電結(jié)束時的充電電流，優(yōu)化包括將大電流轉(zhuǎn)換為小充電電流或脈沖充電電流.實驗結(jié)果表明，小充電電流不僅可以縮短充電時間，還可以提高充電效率。這種策略適用于鋰離子電池的快速充電。

引言
LiFePO4電池耐高溫，壽命超過2000次循環(huán)。即使在特別嚴(yán)重的交通事故中，磷酸鐵鋰電池也不會爆炸。因此LiFePO4廣泛用于商用車。鋰電池的放電過程是不可控的，而充電過程是一個相對可控的過程。我們可以通過采用合適的充電方式來優(yōu)化鋰離子電池的充電過程，以滿足電動汽車的需求。

傳統(tǒng)的充電方式主要有CC（恒流）、CV（恒壓）、CCCV（恒流恒壓）。這些方法雖然相對簡單易行，但都存在充電時間長、方法單一、容易損壞電池等缺點。針對傳統(tǒng)充電方式的不足，提出了一些新的充電方式，如分段恒流充電和脈沖充電。這些方法提高了充電效率，減少了電池的充電時間，延長了電池的使用壽命。但其還達(dá)不到市場應(yīng)用階段。

CCCV是CC充電和CV充電兩種方式的簡單組合。電池在開始時以恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時，轉(zhuǎn)入第二階段充電恒壓充電，此時電流逐漸減小。當(dāng)充電電流下降到某個值時，電池已充滿電。

脈沖充電是一種快速充電方式，可有效消除電池極化，減少充電時間。其原理是在每段正向充電脈沖后加上一個充電停止時間或一個放電脈沖。脈沖充電有兩種形式：正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電。在正脈沖中間加一個停止時間，正負(fù)脈沖充電形式在正脈沖后加一個放電脈沖。

多階段充電是在充電初期電流較大，隨著充電的繼續(xù)，電流逐漸減小，使電流曲線盡可能接近可接受的充電電流曲線。有人提出了末期分段恒流充電的控制參數(shù)，該控制參數(shù)由容量梯度法確定。當(dāng)電池電壓達(dá)到充電終止容量梯度標(biāo)準(zhǔn)時，終止當(dāng)前階段恒流充電

我們以磷酸鐵鋰電池為實驗對象，研究鋰離子電池的充電模型和充電策略。主要從三個方面進(jìn)行研究：首先是LiFePO4在CC和CV充電過程中的特性；其次，通過實驗分析，找出脈沖充電的優(yōu)點和適用環(huán)境；最后對充電策略的確定提出了一些建議，以縮短充電時間，提高充電效率。

CCCV實驗
對于磷酸鐵鋰電池，充電電流可達(dá)2C以上，充電截止電壓3.65V，額定電壓3.2V，放電終止放電電壓2.0V。
通過大量實驗研究了充電電流和充電溫度對LiFePO4的CCCV特性影響。我們確定了LiFePO4充電的最佳溫度范圍，然后分別研究了CC階段和CV階段的充電特性。充電時間、有效充電量、充電能效（充電能量占總消耗能量的比值）作為充電性能指標(biāo)。
CCCV的結(jié)果如圖1所示：當(dāng)溫度升高時，充電時間會急劇減少，尤其是在溫度很低的時候；剛開始充電能量會顯著增加，然后穩(wěn)定在8.6Ah左右。我們可以得出結(jié)論，30°C~50°C是CCCV的最佳充電溫度范圍。


圖1 CCCV在不同溫度下的性能
我們在30℃下采用0.5C、1C、1.5C、2C、2.5C恒流恒壓充電，然后進(jìn)行1C標(biāo)準(zhǔn)放電實驗。得到性能與充電電流的關(guān)系。如圖2所示：當(dāng)充電電流增大時，CCCV的充電時間縮短，充電效率降低，充電能效降低。


圖2 不同電流下的性能
CC階段實驗
作為CCCV測試，我們研究了充電溫度和電流對CC的影響。CC在不同溫度和電流下的性能如圖3和圖4所示，當(dāng)溫度升高時，充電時間、充電容量和能效都在增加。對于CC，為了縮短充電時間，提高有效充電容量和能效，充電溫度要求相反。當(dāng)充電電流增大時，充電時間、容量和充電能效均降低


圖3 不同溫度下CC的性能


圖4 不同電流下CC的性能
CV階段實驗
使用CCCV數(shù)據(jù)減去CC的數(shù)據(jù)我們可以計算出CV階段的充電時間、充電容量和能量效率。如圖5和圖6所示：當(dāng)溫度升高時，充電電流、充電時間和容量均下降。當(dāng)電流增加時，充電時間和容量增加。CV階段占用的時間比CC階段多，但充入電池的電量較少。


圖5 不同電流對CV的影響


圖6 不同溫度對CV的影響
如圖7和圖8所示：當(dāng)溫度升高時，CV的充電容量下降。隨著充電電流的增加，CV的充電時間增加，充電容量增加。與CV相比，CC可以縮短充電時間，提高充電能效，大部分電量由CC充電。CC中充電的容量占CCCV的90%以上。但是CV是充電所必需的，在充電結(jié)束時，高SOC區(qū)域是電池壽命的敏感區(qū)域，CV可以避開這個區(qū)域，延長電池壽命


圖7 CV在不同溫度下的充電電流曲線


圖8 CV在不同電流下的充電電流曲線
脈沖充電
對于鋰離子電池，充電電流可達(dá)2C以上。若采用2C恒流充電，充電約20分鐘后充電容量達(dá)到額定容量的80%，滿足快充要求。采用脈沖充電，增大充電電流時，雖然可以縮短充電時間，但容易造成鋰離子電池過充。因此，本文認(rèn)為，對于動力型鋰離子電池，脈沖充電不是為了增加充電電流，縮短充電時間，而是適用于慢速充電的情況。當(dāng)充電時間充足時，采用脈沖充電，提高充電能效。本章通過實驗找出各參數(shù)對脈沖充電的影響，確定最佳脈沖參數(shù)。然后，通過大量對比實驗，得出充電電流和充電溫度對脈沖充電的影響，。最后，通過實驗分析，找出了脈沖充電的優(yōu)點和脈沖充電的適用環(huán)境
不同的休息時間
我們在相同的時間（5秒）為電池充電并在不同的時間休息。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)trest=5s，即tchg(chargetime):trest(resttime)=1:1時，充電容量和能量效率最高。實驗結(jié)果示于圖9和表1


圖9A 不同休息時間的電壓曲線。


圖9B 不同休息時間末期電壓曲線


表1 脈沖充電與CC相比的增加
不同的充電時間
實驗結(jié)果如圖10、11和表2所示。在tchg:trest=1:1的條件下，我們在不同的循環(huán)中使用脈沖充電，以找出循環(huán)時間的影響。此后T=6s的性能優(yōu)于T=6min。當(dāng)tchg和trest的比例設(shè)定時，建議選擇短周期的rime


圖10 不同充電時間周期的電壓


圖11A 不同脈沖充電形式的電壓曲線


圖11B 不同脈沖充電形式的末級電壓曲線


表2 不同充電時間周期的性能
充電形式
脈沖充電有兩種形式：一種是只正脈沖一段時間，然后休息。另一種稱為反射充電或Burp充電，在一個正脈沖后，加上一個放電脈沖形成正負(fù)充電脈沖。我們比較了兩種不同的脈沖形式，第一種充電形式的性能更好。在表3中我們可以看到，第一種形式的充電時間比另一種形式少得多。放電能量效率為76.22%，低于第一種形式。綜合考慮充電時間、放電功率和充電能效，正脈沖充電效果優(yōu)于正負(fù)脈沖充電效果。而tchg:trest=1:1時，充電周期越短，有效充電的容量越多，充電能效越高。


表3 不同脈沖充電形式的性能
溫度和電流的影響
溫度和電流對脈沖充電也有影響，所以我們在不同的溫度和電流下進(jìn)行了實驗。溫度低時脈沖充電效果更好。如圖12和圖13所示：與CC相比，脈沖充電顯著提高了容量和能源效率。當(dāng)溫度較低時，脈沖充電在標(biāo)準(zhǔn)放電下放電，充電能效也有所提高。充電電流大時，脈沖充電較好。并且脈沖充電對充電電流的變化不敏感，對充電電流的穩(wěn)定性要求不高。


圖12 不同溫度下的電壓曲線


圖13 不同脈沖充電電流下的電壓曲線
末期充電策略
現(xiàn)有研究已經(jīng)表明鋰枝晶在CC結(jié)束時開始產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^降低電流或使用脈沖充電來降低充電曲線，這意味著可以降低充電電流和脈沖去極化。在CC結(jié)束時，小電流充電可以降低Li+還原的速度，或者利用脈沖充電的剩余時間減少石墨表面的Li+，有利于以后的充電。因此，可以采用小電流充電、脈沖充電和小電流脈沖充電三種充電模式來優(yōu)化最終充電。經(jīng)過大量實驗，對三種充電方式進(jìn)行了研究和分析。我們以電壓、充電時間、有效容量、充電能效為評價指標(biāo)。
小電流實驗
為了研究小電流插入點對充電的影響，我們設(shè)計了2C、3C兩組對比實驗，分別在3個SOC點的85%、90%、95%處插入小電流充電。從端電壓、充電時間、有效充電容量和充電能效四個方面，我們找到了小電流的最佳插入SOC點。結(jié)果如圖16、圖17和表5：充電結(jié)束時，如果減小電流，充電時間和容量會增加，能效保持穩(wěn)定。因此，我們通過優(yōu)化充電時間來縮短充電時間并提高容量范圍。小電流的插入點應(yīng)靠近充電曲線的拐點（通常在95%SOC附近）
為了研究小電流對充電的影響，設(shè)計了一組對比實驗。充電初期采用3C大電流充電。2C和1C小電流充電插在90%SOC點，比較性能，確定小電流。當(dāng)我們在充電結(jié)束時使用小電流時，充電時間增加，能效介于大CC和小CC之間，充電容量增加。因為末端的小電流只是用來減少電池極化，所以能效的提升并不大。因此，在充電初期采用大電流充電，小電流充電時，充電后期采用充電方式。充電時間增加較少，可增加一定的有效充電量，不損失充電能效。同時，電流到底不能太小，因為充電時間比容量增加的多


圖14 不同充電電流下的端電壓曲線


圖15 不同電流下的端電壓曲線


表4 小電流充電結(jié)束時的性能
脈沖充電實驗
對于脈沖充電，我們設(shè)計對比實驗：我們在充電初期采用2C（3C）CC，當(dāng)SOC達(dá)到90%時，我們采用2C（3C）1/1s脈沖充電直到截止電壓（3.7V）。與CC相比，充電容量和能量效率有所提高。充電時間略有增加。如圖16所示：在充電結(jié)束時，采用脈沖充電。與恒流充電相比，充電時間略有增加，充電容量和能效提高


圖16 不同形式（CC或脈沖）的終端電壓曲線
脈沖充電小電流實驗
對于脈沖小電流充電，我們設(shè)計對比實驗：充電初期采用2C（3C）CC，當(dāng)SOC達(dá)到90%時，采用2C（3C）1/1s脈沖充電直至截止電壓(3.7V)。如圖17、18和表5所示：與CC和脈沖充電相比，充電容量和能效有所提高，但充電時間大幅增加，因此不適用于快速充電。


圖17 不同電流下CC脈沖的端電壓曲線


圖18 不同電流下CC脈沖的端電壓曲線


表5 不同小脈沖電流的性能
所以說，CC更適用于鋰離子電池，可以在更短的時間內(nèi)充入大量電量，同時提高充電能效。因此，CC可用于快速充電。脈沖充電主要適用于慢速充電，因為它需要更多的時間來提升容量，從而提高能源效率。實驗表明，無負(fù)脈沖的模式更好，除了減少充電周期外，選擇tchg:trest=1:1會提高脈沖充電的性能。本文針對充電末期提出了三種充電方式：小電流充電、脈沖充電和小電流脈沖充電。實驗結(jié)果表明，在末期采用小電流充電是最佳選擇。充電時間最短，容量最高，充電能效不低，適合磷酸鐵鋰的快速充電。

文獻(xiàn)來源：Yu, P., et al. (2019). Experiment Studies of Charging Strategy for Lithium-Ion Batteries. SAE Technical Paper Series.
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