锂电池充电技术

北京交通大学张彩萍[e-mail]2012.04.12电动汽车锂离子电池优化充电技术报告内容电池充电技术发展现状充电特性影响因素分析极化电压特性分析及建模恒极化充电控制方法北京奥运会上海世博会快速性长寿命实践经验电池充电技术发展现状研究背景充电模式电池充电技术发展现状充电机独立控制模式电池管理系统配合控制模式电池管理系统主导控制模式常规充电技术(1)恒流控制(2)恒压控制(3)恒流恒压控制(4)脉冲充电控制快速充电技术(1)智能充电方法（灰色，遗传，蚁群等）(2)多步阶梯充电法电池充电技术发展现状现有充电技术存在问题电池充电技术发展现状忽视电池类型的差异忽视电池状态的变化缺乏基础理论支撑锂离子动力电池属于新一代电池技术，相关测试数据匮乏，研究深度较浅，尚无形成锂离子动力电池优化充电方法的衡量标准电池老化程度、环境温度等因素发生改变后，充电特性必然变化，按照经验进行充电控制，无法与电池特性进行匹配，影响电池的使用寿命。照搬铅酸电池最优充电曲线的参数和形式进行充电控制，降低了充电效率，没有最大限度的发挥锂离子电池的电流接受优势。报告内容电池充电技术发展现状充电特性影响因素分析极化电压特性分析及建模恒极化充电控制方法充电过程化学机理脱嵌传递嵌入正极正极负极负极•内阻极化•电化学极化•浓差极化充电特性影响因素分析ERΩUOURUPI-+-++-RPRe基于电路模型的充电电势分配充电特性影响因素分析衡量充电特性的四大指标充电容量——最大化充电时间——最小化充电效率——最高化充电寿命——最长化充电特性影响因素分析充电容量影响因素——电流形式充电容量指在充电过程中充电电流对充电时间的积分数值，以恒流充电为例，即：0Ah=TsIdt充电特性影响因素分析充电容量影响因素——电流形式不同倍率不同寿命不同温度充电特性影响因素分析充电容量影响因素——电流形式当充电步数N∞，电池的充电电流I0，则总充电容量无限接近电池的最大可用容量。端电压控制模式下的变电流充电电流形式呈现阶梯状减小形状。→→充电特性影响因素分析充电容量影响因素——极化效应由于极化电压存在滞后性特点，因此，令极化电压变化函数表达式为：其中为延迟函数，且，；如果充电K+1阶段能够进行，必须满足：因此，当内阻变化与极化电压变化关系不同时，上述条件的含义不同。1()()PkkPVIIRt()t0lim()0ttlim()1tt1111(){()()()}kkkkkkPEItIIRIIRt充电特性影响因素分析充电容量影响因素——极化效应初始充电倍率不同充电温度不同充电特性影响因素分析充电效率影响因素——永久容量损失充电Ah效率一般指电池在单次充放电过程中，放出电量与充入电量之比，即：同充电容量的计算方法可知，放电倍率、温度等因素对放电容量影响很大，因此放电容量最大化是衡量充电Ah效率的前提。1200()TDchTChaItdtIdtAH(t)充电特性影响因素分析充电效率影响因素——永久容量损失影响充电Ah效率的主要因素则包含电池的效率损失容量和永久损失容量，即充电Ah效率为：lossQ循环次数（cyc）充电容量（Ah）放电容量（Ah）Ah效率（%）充放电容量差（Ah）单次容量衰退（充电差Ah）单次容量衰退（放电差Ah）179.0678.9399.83560.13279.0278.8999.83550.130.040.04378.8978.7599.82250.140.130.14478.8678.7499.84780.120.030.01578.8278.799.84780.120.040.04678.7678.6299.82220.140.060.08778.6578.5399.84740.120.110.09……平均值0.120.070.07QChalossChaCQQCAh充电特性影响因素分析充电效率影响因素——内阻极化损耗充电Wh效率指电池在单次充放电过程中，放出能量与充入能量之比，表示为：令（），则1()()NDchchekEktIktW1221221[()]()[()]()[()]()[()]()NcheDchDchPkMcheChaChaPlWIktRlttIktRkttWIltRlttIltRlttWh11220000()()(()()()()())()()()(()()()()())()TTODchDchDchDchPDchTTOChaChaChaChaPChaVtItdtEtItRtItRtItdtVtItdtEtItRtItRtItdtWh充电特性影响因素分析充电效率影响因素——内阻极化损耗充电温度和电池状态的影响电流应力的影响电流与过电势损耗的同步性的影响充电特性影响因素分析充电时间影响因素——分段电流及作用时间单段电流恒流充电时间为：变电流充电时间为：11((,))kNESOEkkkkkCCfVVISOCTII3121123......kNIIIIallkkCCCCTIIII充电特性影响因素分析充电时间影响因素——分段电流及作用时间充电特性影响因素分析充电时间影响因素——分段电流及作用时间不同倍率（1C-4C）恒流恒压充电时间对比充电特性影响因素分析充电寿命影响因素——温度在低温环境下极化和内阻电压增加，大电流充电极易析锂沉积，刺穿隔膜；同时内阻和极化增加使得充电效率较低，充电容量下降。充电特性影响因素分析充电寿命影响因素——应力充电上限电压影响电流倍率影响充电特性影响因素分析充电寿命影响因素——SOC区间SOC区间影响因子(,,())SOHfTVSOCI寿命影响综合表示：充电特性影响因素分析锂离子电池优化充电原则充电特性影响因素分析合理控制过电势幅值通过改善电流波形提高平均电流、缩短充电时间根据不同SOC区间调节充电电流正确理解充电效率的含义报告内容电池充电技术发展现状充电特性影响因素分析极化电压特性分析及建模恒极化充电控制方法基于SOC的充电极化电压计算方法依据“Thevenin”模型电势平衡方程，可得：其中：：充电极化电压；：电池端电压；：内电势，即充分静置后的开路电压；：内阻电压；()POrVVEVPVOVErV极化电压特性分析及建模充电极化电压特性极化电压特性分析及建模01020304050607080901000.000.030.060.090.120.150.18Polarizationvoltage/VSOC/%(a)1/3C电流极化电压随SOC变化关系01020-0.050.000.050.100.150.200.252030405060708090100-0.006-0.004-0.0020.0000.0020.0040.006Incrementalpolarizationvoltage/V/SOCSOC/%(b)SOC/%极化电压对SOC的一阶偏导极化电压特性分析及建模充电极化电压特性01020304050607080901000.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0220.0240.026Polarizationvoltage/VSOC/%(b)不同初始SOC极化电压极化电压特性分析及建模充电极化电压特性02468100.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040Polarizationvoltage/VSOC/%InitalSOC=10%InitalSOC=20%InitalSOC=30%InitalSOC=40%InitalSOC=50%InitalSOC=60%InitalSOC=70%(a)1/3C电流不同初始SOC极化电压101520253035400.000.010.020.030.040.050.060.070.08404550556065700.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.055Polarizationvoltage/VSOC/%1/3C1/2C1CPolarizationvoltage/VSOC/%1/3C1/2C1C(a)(b)不同倍率，不同初始SOC(a)初始SOC=10%,(b)初始SOC=40%极化电压特性分析及建模充电极化电压特性///0///0()(0)/()()(0)/()()()()()()papapapapapcpcpcpcpcpcttRCtRCpatRCpapapattRCtRCtRCpcpcpcOOCVopapcUtUeeCitedtUtUeeCitedtUtUtitRUtUt极化电压特性分析及建模充电极化电压建模极化电压特性分析及建模充电极化电压建模报告内容电池充电技术发展现状充电特性影响因素分析极化电压特性分析及建模恒极化充电控制方法恒极化控制充电基本原理1.极化电压与充电电流的关系上式表明在系数为某一确定数值情况下，极化电压与充电电流之间存在的映射关系。以极化电压为控制目标，不同的影响因子决定了充电电流大小。012()(......)PSOHPchaPSOCINVBBIVKKAAA恒极化充电控制方法恒极化控制充电基本逻辑框图在充电过程中，给定极化电压控制值作为闭环输入，然后通过前向增益计算当前状态下的充电电流值并输出；通过电池充电电流计算出电池的SOC值和内阻电压，将极化电压实际值反馈到给定值，进一步调节充电电流达到极化电压的动态平衡，实现充电过程中对极化电压的有效控制。NiiA0PBSOCIKK0TTdt()fOCVSOC0SOCdRSOHB(0)PC恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电压法以充电容量最大为目标，根据充电结束时刻，端电压小于等于上限电压为前提，设充电全程时间为Nt（t为充电最小单元时间，N为充电时间划分段数），则各段最大极化电压为：对于1t时刻，；对于2t时刻，；……对于Nt时刻，；则极化控制值为：[](())()PCSVtVESOCtitR[2]((2))(2)PCSVtVESOCtitR[](())()PCSVNtVESOCNtiNtRmin{[],[2]......[]}PCPCPCPCVVtVtVNt恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电压法：0(100%)PCSVVE上式是最大电压选择法选取的极化电压Vpc范围，通过此范围进一步实验确定保证充电容量最大化下的极化电压具体控制值。恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电压法不同老化电池恒极化充电曲线不同初始极化状态下的电池恒极化充电曲线恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电压法1.能够保证电池电压不超限情况下完成电池满充。2.极化电压控制值的选取经验型较强，而且需要根据电池老化定时修正，因此实际操作难度较大。恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电流法基于极化电压的SOC拐点效应，在电池出现拐点时刻，通过区域A1或A2内计算获得最大电流在充电过程中建立的最小极化电压平台作为恒极化控制值VPC。恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电流法设最大充电电流为Imax，极化电压为VP。从极化电压拐点时刻P开始，以间隔时间t对极化电压VP进行采样。假设在A时间段内取极化电压采样个数为m，则{P~（P+m*t）}内的极化电压平均值为：0()mPiPCPVmNVVm恒极化充电控制方法极化电压控制值的选择—最大电流法令恒极化充电最大电