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车用锂离子电池的充电策略

2021-11-19 19:45:38·  来源：AutoAero  
　
摘要针对LiFePO4电池的常用充电策略，进行了大量实验，包括CC-CV（恒流-恒压）充电和脉冲电流充电。CC阶段充电温度和充电电流是CC-CV充电策略需要研究的主要因素
摘要
针对LiFePO4电池的常用充电策略，进行了大量实验，包括CC-CV（恒流-恒压）充电和脉冲电流充电。CC阶段充电温度和充电电流是CC-CV充电策略需要研究的主要因素，从三个方面分析CC阶段和CV阶段对整个充电的贡献，包括时间百分比、充电能效与电池在不同温度和充电电流下的容量。关于脉冲充电策略，从能量损耗的角度确定脉冲频率，然后进行不同脉冲模式、不同占空比以及不同充电温度和充电电流的脉冲充电实验，研究脉冲充电的特性。为了消除电池极化，我们优化了电池电压达到截止电压前充电结束时的充电电流，优化包括将大电流转换为小充电电流或脉冲充电电流.实验结果表明，小充电电流不仅可以缩短充电时间，还可以提高充电效率。这种策略适用于锂离子电池的快速充电。

引言
LiFePO4电池耐高温，寿命超过2000次循环。即使在特别严重的交通事故中，磷酸铁锂电池也不会爆炸。因此LiFePO4广泛用于商用车。锂电池的放电过程是不可控的，而充电过程是一个相对可控的过程。我们可以通过采用合适的充电方式来优化锂离子电池的充电过程，以满足电动汽车的需求。

传统的充电方式主要有CC（恒流）、CV（恒压）、CCCV（恒流恒压）。这些方法虽然相对简单易行，但都存在充电时间长、方法单一、容易损坏电池等缺点。针对传统充电方式的不足，提出了一些新的充电方式，如分段恒流充电和脉冲充电。这些方法提高了充电效率，减少了电池的充电时间，延长了电池的使用寿命。但其还达不到市场应用阶段。

CCCV是CC充电和CV充电两种方式的简单组合。电池在开始时以恒流充电，当电压达到预定值时，转入第二阶段充电恒压充电，此时电流逐渐减小。当充电电流下降到某个值时，电池已充满电。

脉冲充电是一种快速充电方式，可有效消除电池极化，减少充电时间。其原理是在每段正向充电脉冲后加上一个充电停止时间或一个放电脉冲。脉冲充电有两种形式：正脉冲充电和正负脉冲充电。在正脉冲中间加一个停止时间，正负脉冲充电形式在正脉冲后加一个放电脉冲。

多阶段充电是在充电初期电流较大，随着充电的继续，电流逐渐减小，使电流曲线尽可能接近可接受的充电电流曲线。有人提出了末期分段恒流充电的控制参数，该控制参数由容量梯度法确定。当电池电压达到充电终止容量梯度标准时，终止当前阶段恒流充电

我们以磷酸铁锂电池为实验对象，研究锂离子电池的充电模型和充电策略。主要从三个方面进行研究：首先是LiFePO4在CC和CV充电过程中的特性；其次，通过实验分析，找出脉冲充电的优点和适用环境；最后对充电策略的确定提出了一些建议，以缩短充电时间，提高充电效率。

CCCV实验
对于磷酸铁锂电池，充电电流可达2C以上，充电截止电压3.65V，额定电压3.2V，放电终止放电电压2.0V。
通过大量实验研究了充电电流和充电温度对LiFePO4的CCCV特性影响。我们确定了LiFePO4充电的最佳温度范围，然后分别研究了CC阶段和CV阶段的充电特性。充电时间、有效充电量、充电能效（充电能量占总消耗能量的比值）作为充电性能指标。
CCCV的结果如图1所示：当温度升高时，充电时间会急剧减少，尤其是在温度很低的时候；刚开始充电能量会显着增加，然后稳定在8.6Ah左右。我们可以得出结论，30°C~50°C是CCCV的最佳充电温度范围。


图1 CCCV在不同温度下的性能
我们在30℃下采用0.5C、1C、1.5C、2C、2.5C恒流恒压充电，然后进行1C标准放电实验。得到性能与充电电流的关系。如图2所示：当充电电流增大时，CCCV的充电时间缩短，充电效率降低，充电能效降低。


图2 不同电流下的性能
CC阶段实验
作为CCCV测试，我们研究了充电温度和电流对CC的影响。CC在不同温度和电流下的性能如图3和图4所示，当温度升高时，充电时间、充电容量和能效都在增加。对于CC，为了缩短充电时间，提高有效充电容量和能效，充电温度要求相反。当充电电流增大时，充电时间、容量和充电能效均降低


图3 不同温度下CC的性能


图4 不同电流下CC的性能
CV阶段实验
使用CCCV数据减去CC的数据我们可以计算出CV阶段的充电时间、充电容量和能量效率。如图5和图6所示：当温度升高时，充电电流、充电时间和容量均下降。当电流增加时，充电时间和容量增加。CV阶段占用的时间比CC阶段多，但充入电池的电量较少。


图5 不同电流对CV的影响


图6 不同温度对CV的影响
如图7和图8所示：当温度升高时，CV的充电容量下降。随着充电电流的增加，CV的充电时间增加，充电容量增加。与CV相比，CC可以缩短充电时间，提高充电能效，大部分电量由CC充电。CC中充电的容量占CCCV的90%以上。但是CV是充电所必需的，在充电结束时，高SOC区域是电池寿命的敏感区域，CV可以避开这个区域，延长电池寿命


图7 CV在不同温度下的充电电流曲线


图8 CV在不同电流下的充电电流曲线
脉冲充电
对于锂离子电池，充电电流可达2C以上。若采用2C恒流充电，充电约20分钟后充电容量达到额定容量的80%，满足快充要求。采用脉冲充电，增大充电电流时，虽然可以缩短充电时间，但容易造成锂离子电池过充。因此，本文认为，对于动力型锂离子电池，脉冲充电不是为了增加充电电流，缩短充电时间，而是适用于慢速充电的情况。当充电时间充足时，采用脉冲充电，提高充电能效。本章通过实验找出各参数对脉冲充电的影响，确定最佳脉冲参数。然后，通过大量对比实验，得出充电电流和充电温度对脉冲充电的影响，。最后，通过实验分析，找出了脉冲充电的优点和脉冲充电的适用环境
不同的休息时间
我们在相同的时间（5秒）为电池充电并在不同的时间休息。我们发现当trest=5s，即tchg(chargetime):trest(resttime)=1:1时，充电容量和能量效率最高。实验结果示于图9和表1


图9A 不同休息时间的电压曲线。


图9B 不同休息时间末期电压曲线


表1 脉冲充电与CC相比的增加
不同的充电时间
实验结果如图10、11和表2所示。在tchg:trest=1:1的条件下，我们在不同的循环中使用脉冲充电，以找出循环时间的影响。此后T=6s的性能优于T=6min。当tchg和trest的比例设定时，建议选择短周期的rime


图10 不同充电时间周期的电压


图11A 不同脉冲充电形式的电压曲线


图11B 不同脉冲充电形式的末级电压曲线


表2 不同充电时间周期的性能
充电形式
脉冲充电有两种形式：一种是只正脉冲一段时间，然后休息。另一种称为反射充电或Burp充电，在一个正脉冲后，加上一个放电脉冲形成正负充电脉冲。我们比较了两种不同的脉冲形式，第一种充电形式的性能更好。在表3中我们可以看到，第一种形式的充电时间比另一种形式少得多。放电能量效率为76.22%，低于第一种形式。综合考虑充电时间、放电功率和充电能效，正脉冲充电效果优于正负脉冲充电效果。而tchg:trest=1:1时，充电周期越短，有效充电的容量越多，充电能效越高。


表3 不同脉冲充电形式的性能
温度和电流的影响
温度和电流对脉冲充电也有影响，所以我们在不同的温度和电流下进行了实验。温度低时脉冲充电效果更好。如图12和图13所示：与CC相比，脉冲充电显着提高了容量和能源效率。当温度较低时，脉冲充电在标准放电下放电，充电能效也有所提高。充电电流大时，脉冲充电较好。并且脉冲充电对充电电流的变化不敏感，对充电电流的稳定性要求不高。


图12 不同温度下的电压曲线


图13 不同脉冲充电电流下的电压曲线
末期充电策略
现有研究已经表明锂枝晶在CC结束时开始产生。可以通过降低电流或使用脉冲充电来降低充电曲线，这意味着可以降低充电电流和脉冲去极化。在CC结束时，小电流充电可以降低Li+还原的速度，或者利用脉冲充电的剩余时间减少石墨表面的Li+，有利于以后的充电。因此，可以采用小电流充电、脉冲充电和小电流脉冲充电三种充电模式来优化最终充电。经过大量实验，对三种充电方式进行了研究和分析。我们以电压、充电时间、有效容量、充电能效为评价指标。
小电流实验
为了研究小电流插入点对充电的影响，我们设计了2C、3C两组对比实验，分别在3个SOC点的85%、90%、95%处插入小电流充电。从端电压、充电时间、有效充电容量和充电能效四个方面，我们找到了小电流的最佳插入SOC点。结果如图16、图17和表5：充电结束时，如果减小电流，充电时间和容量会增加，能效保持稳定。因此，我们通过优化充电时间来缩短充电时间并提高容量范围。小电流的插入点应靠近充电曲线的拐点（通常在95%SOC附近）
为了研究小电流对充电的影响，设计了一组对比实验。充电初期采用3C大电流充电。2C和1C小电流充电插在90%SOC点，比较性能，确定小电流。当我们在充电结束时使用小电流时，充电时间增加，能效介于大CC和小CC之间，充电容量增加。因为末端的小电流只是用来减少电池极化，所以能效的提升并不大。因此，在充电初期采用大电流充电，小电流充电时，充电后期采用充电方式。充电时间增加较少，可增加一定的有效充电量，不损失充电能效。同时，电流到底不能太小，因为充电时间比容量增加的多


图14 不同充电电流下的端电压曲线


图15 不同电流下的端电压曲线


表4 小电流充电结束时的性能
脉冲充电实验
对于脉冲充电，我们设计对比实验：我们在充电初期采用2C（3C）CC，当SOC达到90%时，我们采用2C（3C）1/1s脉冲充电直到截止电压（3.7V）。与CC相比，充电容量和能量效率有所提高。充电时间略有增加。如图16所示：在充电结束时，采用脉冲充电。与恒流充电相比，充电时间略有增加，充电容量和能效提高


图16 不同形式（CC或脉冲）的终端电压曲线
脉冲充电小电流实验
对于脉冲小电流充电，我们设计对比实验：充电初期采用2C（3C）CC，当SOC达到90%时，采用2C（3C）1/1s脉冲充电直至截止电压(3.7V)。如图17、18和表5所示：与CC和脉冲充电相比，充电容量和能效有所提高，但充电时间大幅增加，因此不适用于快速充电。


图17 不同电流下CC脉冲的端电压曲线


图18 不同电流下CC脉冲的端电压曲线


表5 不同小脉冲电流的性能
所以说，CC更适用于锂离子电池，可以在更短的时间内充入大量电量，同时提高充电能效。因此，CC可用于快速充电。脉冲充电主要适用于慢速充电，因为它需要更多的时间来提升容量，从而提高能源效率。实验表明，无负脉冲的模式更好，除了减少充电周期外，选择tchg:trest=1:1会提高脉冲充电的性能。本文针对充电末期提出了三种充电方式：小电流充电、脉冲充电和小电流脉冲充电。实验结果表明，在末期采用小电流充电是最佳选择。充电时间最短，容量最高，充电能效不低，适合磷酸铁锂的快速充电。

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