一种适用于低温环境的锂离子动力电池充电方法

梅尊禹 吴晓刚 胡宸150080) (哈尔滨理工大学,哈尔滨

Automobile Technology - - 目次 - ……………………………………………… 梅尊禹 吴晓刚 胡宸 (

RC【摘要】采用电池的一阶 等效电路模型对低温充电过程进行分析,提出一种适用于低温条件的锂离子电池多阶段0℃ -10 ℃ -恒流充电方法。以三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池作为对象,分别在 和 条件下进行常规恒流 恒压与多- 0℃阶段恒流充电方法的测试与对比分析。试验结果显示,与常规恒流 恒压充电方法相比,采用多阶段恒流充电方法, -10 ℃和 条件下,两种电池的充电时间明显缩短,充入电量显著提高。

1 前言

电动汽车由于其清洁无污染、能量效率高以及能量源多元化等优点,已经成为汽车行业的一个新发展热点[1]。而锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、安全性高等特点而被广泛用于电动汽车[2]。但目前电动汽车续驶里程短的问题仍难以很好地解决,且在较低温条件下,锂离子电池又面临容量下降和充电困难等问题[3]。低温条件下电池内阻增加,电池内部化学活性降低,使得容量和输出能量降低[4]。相比于放电过

[6]程,低温条件下电池充电更加困难[5],文献 对低温条件下锂离子电池的充电过程进行了分析,指出由于扩散作用产生极化内阻并构成内阻的主要部分,导致充电时迅速达到上限截止电压使充电过程停止,可充入电量大幅下降。

-

对于用于电动汽车的锂离子电池,传统的恒流 恒

[7]

压充电法已经难以满足能量的快速补给需求。文献中对锂离子电池充电过程中的温升和极化电压进行分析,分别得出了由温升和极化电压作为限制条件的电池充电电流边界曲线,并给出最适合的充电电流,缩短

[8]

充电时间的同时增加了充入电量。文献 提出了一种可变周期电压脉冲充电策略,可以检测并动态跟踪适

-

合的脉冲周期。与传统的恒流 恒压方法和传统定周期电压脉冲充电相比,充电速度和充电效率均提高。

[9] SOC SOC

文献 建立了一种电池 估计模型,根据 对电池的充电过程进行控制,保证了电池充满且不发生过

[10]

充现象。文献 将蚁群算法应用到充电策略中,给出了变电流充电过程中的最优电流选择路径,改善了电

[11] -

池的充电效果。文献 提出了一种两阶段恒流 恒压充电方法,恒流第一阶段采用最大充电倍率充电至充电截止电压,第二阶段降低一半的充电倍率再次充电至充电截止电压后,进行恒压充电完成整个充电过

主题词:锂离子电池 电池充电 充电策略 低温U463.63 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20161205中图分类号: 文献标识码: DOI:

[12] [13]

程。文献 、文献 研究发现,电池在放电过程中的温升较充电过程大,将脉冲充、放电过程加入到低温充电前,预热电池后对电池进行常规充电,提高了电池低温充入电量。

[7]~ [11]

文献 文献 所提到的充电方法没有涉及低温

[12] [13]条件下的电池充电;文献 、文献 虽然通过预热电

SOC池提高了充入电量,但耗时较长,且不适用于 较低

RC

的情况。本文采用一阶 等效电路模型对某三元聚合物材料锂离子电池和磷酸铁锂电池的充电过程进

0℃行分析,提出了一种多阶段恒流充电方式。在

-10 ℃

和 条件下对其充电效果进行了分析,并与常规恒

-

流 恒压充电方法进行对比,进而验证本文所提出方法的有效性。

2 锂电池充电特性分析 2.1 电池和试验设备

18 650

试验中所使用的 圆柱形三元聚合物锂电

2.6 A · h( 2.7 A · h),池,标称容量 实际容量 最大放电倍

3 C, 1 C, 1 000

率 最大充电倍率 循环次数可达 次。所

18650 1.35 A·h(用 圆柱形磷酸铁锂电池标称容量为 实

1.37 A · h), 1 C,

际容量为 最大放电倍率为 循环次数可

1 000 8

达 次。电池测试设备为 通道可编程电池测试

5V 20 A, 0.1%

仪,最大测试电压 、电流 测试精度 。恒

-40~150 ℃,温箱为高低温交变试验箱,温度范围为 温

0.01 ℃ 1

度精度 。试验设备如图 所示。

2.2 不同温度下的恒流-恒压充电试验

25 ℃ 0 ℃ -10 ℃ -

在 、和 条件下,采用恒流 恒压充电方式对三元聚合物锂电池和磷酸铁锂电池分别进行了

1充电试验,充电相关参数如表 所示。 2 25℃ 0℃ -10℃充电电压结果如图 所示, 、 和 充入电

2.494 A·h 1.979 A·h 1.705 A·h

量分别为 、 和 。充电电压 3 25 ℃ 0 ℃ - 10 ℃

结果如图 所示, 、 和 充入电量分别为

1.309 A · h 1.196 A · h 0.664 A · h

、 和 。可以看出,随着温

- 10 ℃度的降低,可充入电量有了明显的下降,在 时可

2 3充入的电量仅为电池容量的约一半。由图 和图 对比

25 ℃

可以看出, 时,充电电压曲线上升较缓慢,在充电

90%

SOC达到 后,电压迅速增大至充电截止电压。在

0 ℃ - 10 ℃

和 时,充电电压随温度降低更快达到充电截止电压,电池无法充满电。

3 一阶RC电池等效模型

4

电池的充电过程如图 所示,采用电池常用等效模RC

型中的一阶 模型进行分析[14- 15]。其中,极化内阻Rp和极化电容Cp并联代表电池的极化过程, Rr为电池的欧姆内阻, Uocv为电池的开路电压, Up和Ur分别为电池的极化压降和直流欧姆压降,为充电电流,箭头方向为充电I电流方向, Uo为充电电压。

3) 4)

由式( 和式( 可以看出,电池在充电过程中, Uo主要由Rp、Rr和I决定。在常温条件下充电时,由于电池的Rp和Rr都比较小且上升较慢, Uo可以保持缓慢的增长[16]。而在低温条件下电池的Rp增大,充电过程中极化现象加重, Rr的上升加快,导致 Uo在SOC未实现

100%

时达到充电截止电压。Rp和Rr由设计参数和工作

[11]条件决定,而I则可根据充电需求改变。在文献 中

1所提到的将恒流分为两阶段进行充电的策略中,在第阶段Uo达到充电截止电压后,通过降低I减小Rp和Rr引起的压降,使得Uo有所下降,第2

阶段的恒流充电在第

1

阶段的充电基础上,增加充入电量。

4 多阶段恒流充电方法

针对上述分析,本文提出一种多阶段恒流充电方式,即在开始充电时采用最大充电倍率对电池进行充

0.1 C电,在达到充电截止电压后,将充电倍率降低 继续

0.1 C充电,再次达到充电截止电压时,继续下降 充电倍

0.1 C率,如此循环,直至电池的充电倍率下降至 达到充电截止电压后,进行恒压充电,最终结束整个充电过程。为了测试多阶段恒流充电方法的充电效果,首先以

25℃

环境为 作为试验条件,进行该方法的验证。针对三

1 C,元聚合物锂离子电池,充电初始倍率为 充电截止电

4.2 V,

压为 进行多阶段恒流充电;针对同一三元聚合物

0.5 C -电池,按照其电池手册进行充电倍率为 的恒流 恒压充电。多阶段恒流充电过程中的充电电流、电压随

5

SOC变化情况如图 所示。 25 ℃

充电结果显示, 时,多阶段恒流充电方法可充

2.648 A · h 98.07% 5

入 电量,充电SOC达到 。从图 所示

1 1C 80%的充电曲线可以看出,第 阶段 充电充入了 的电量,之后各阶段由于电流的下降,使得Uo下降,充入 25 ℃ -了剩余部分的电量。将 下的恒流 恒压充电的结

6果与多阶段恒流充电结果进行了对比,如图 所示。 1 C,针对磷酸铁锂电池,充电初始倍率为 充电截止

3.6 V;

电压为 针对同一磷酸铁锂电池,按照其电池手册

- 0.5 C

恒流 恒压充电标准,恒流阶段充电倍率为 。多阶段恒流充电过程中的充电电流、电压随SOC变化情况如

7

图 所示。 25℃

充电结果显示, 时,多阶段恒流充电方法电池1.368 A·h 7

储存电能容量达到了 。从图 所示的充电曲1 1C 85%

线可以看出,第 阶段 充电充入了近 的电量,之后各阶段由于电流的下降,使得Uo下降,充入了剩余部25 ℃ -

分的电量。将 下的恒流 恒压充电与多阶段恒流8

充电结果进行对比,如图 所示。

根据对比结果可以看出,两种材料电池采用多阶段

-

恒流充电方法时,充入电池电量均高于恒流 恒压的充

-

电方法。以三元聚合物锂离子电池为例,与常规恒流92.37%

恒压方法相比,在对电池充入相同电量 时,多阶63 min, 45.2%

段恒流充电的充电时间为 缩短了 。因此,在充入同样的电量时,多阶段恒流充电方法的充电时间也是最短的。

5 低温条件下多阶段恒流充电分析

由上述分析可知,低温条件下的电池内阻增大,电池在进行恒流充电时较快达到充电截止电压而无法充满电池。多阶段恒流充电在充电至充电截止电压时降低充电电流,因此可以适应内阻较大情况下的充电。

0 ℃ -10 ℃

在和 条件下对三元聚合物锂离子电池进行了多阶段充电,得到充电过程中充电电流、电压随

9 10

SOC变化情况如图 和图 所示。 9 1C

图 中开始阶段的 倍率充电很快达到充电截止

0.8~0.3 C 80%

电压, 倍率恒流充入了接近 的电量,其中

0.8 C -10 ℃倍率恒流充入电量最大。温度降低到 时,图

10 1~0.8 C 0.7~0.3 C

中 倍率充电很快达到截止电压, 倍

70% 0.7 C率恒流充入了接近额定容量 的电量,其中 倍

9 10率恒流充入的电量最大。由图 和图 可以看出,多阶段恒流充电方法可以在不同的温度下,根据截止电压的限制,调整充电电流倍率,下降到某几段较适宜的充电

- 10 ℃电流倍率进行充电,缩短了充电时间,并保证在

90%

时仍能充入 左右的电量。随着温度的降低,电池内阻的增加,多阶段恒流充电中大倍率充电阶段的比例下 降,充电时间增加,但仍可以保持较高的充入电量。

0 ℃ -10 ℃

将和 温度条件下,针对三元聚合物锂离子电池恒流恒压充电和多阶段恒流充电方法的充电结

11 12

果进行对比,如图 和图 所示。 11 0℃

从图 中可以看出, 时,与常规恒流恒压方法

17%

相比,多阶段恒流方法的充入电量增加了 。充入

73.3%)

相同电量( 时,多阶段恒流方法的充电时间为

55 min, 40% 12 -10 ℃

缩短了 。由图 可以看出, 时,与常规恒流恒压方法相比,多阶段恒流方法的充入电量增

24.48% 63.15%)

加了 。充入相同电量( 时,多阶段方法

66 min, 10%

的充电时间为 缩短了 。

0 ℃ - 10 ℃ 18650

在和 条件下,选取 磷酸铁锂电池

13 14作为试验对象进行充电对比试验。图 和图 分别为

-不同温度下的多阶段恒流充电电流 电压随SOC变化情况。

13 14 0℃由图 和图 可以看出,磷酸铁锂电池在 时

0.7~0.3 C采用多阶段恒流充电方法,充电倍率在 时可

80% -10 ℃

充入电量接近 。在 时采用多阶段恒流充电方

1~0.6 C 10%法,充电倍率在 时可充入电量在 以下,充电

0.5~0.1 C 75%

倍率在 时可充入接近 的电量。

0 ℃ -10 ℃

将和 温度条件下,针对磷酸铁锂电池恒流恒压充电和多阶段恒流充电方法的充电结果进行对

15 16

比,如图 和图 所示。

15 16 0℃

由图 和图 可以看出: 时,与常规恒流恒压

3.6%,方法相比,多阶段恒流方法的充入电量增加了

87.29%)

充入相同电量( 时,多阶段恒流方法的充电时

124 min, 32%;- 10℃

间为 缩短了 时,与常规恒流恒压方法相比,多阶段恒流方法的充入电量增加了

36.86%, 48.46%)

充入相同电量( 时,多阶段方法的充电

65.8 min, 35%

时间为 缩短了 。 0 ℃ -10 ℃

通过 和 下不同电池材料的多阶段恒流充电结果可以看出,多阶段恒流充电方法适用于不同材料的电池,并且充电效果的改善程度根据电池材料的不同而有所区别。

6 结束语

本文对三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池在不同温度条件下的充电过程进行了分析,结果显示,传-

统的恒流 恒压充电方法的可充入电量随着温度的下

1 RC

降而下降。由此从 阶 电池等效模型出发,依据充电截止电压对充电过程的影响,提出了一种多阶段恒流

0 ℃ -10 ℃

充电方法。在 和 条件下针对三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池分别进行了该充电方法的试验0℃

测试。结果表明:在 条件下,三元聚合物锂离子电40% 32%,

池和磷酸铁锂电池的充电时间分别缩短了 和

17% 3.6%;- 10 ℃

充入电池电量分别提高了 和 条件下,三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池的充电时间分10% 35%, 24.48%

别缩短了 和 充入电池电量分别提高了

36.86%

和 。多阶段恒流充电方法在低温条件下提高了电池的充入电量,缩短了充电时间,并且适用于本文所提的两种不同材料的电池。

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(责任编辑 斛畔) 2017 12 6修改稿收到日期为 年 月 日。

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