锂电池调研报告

-动力锂电池充放电控制策略调研报告目录1. 动力锂离子电池22. 动力锂离子电池充放电策略32.1 锂电池充放电特性32.2 锂电池充电控制策略42.2.1 恒流恒压充电42.2.2 模糊控制充电52.2.3 锁相充电法72.2.4 灰度预测充电92.2.5 正弦-恒流充电102.2.6 分阶段恒流充电11参考文献131. 动力锂离子电池锂离子电池下面简称锂电池是1990年日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界上最新一代的充电电池。随着本钱的急剧下降和性能的大幅度提高，锂电池的生产和应用已得到迅速开展。根据正极材料的不同，锂电池单体cell的标称电压从3.2V到3.7V，能量密度从100mAh/g到140mAh/g不等。严格来说，动力锂电池是指容量在3Ah以上的锂离子电池。目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池。通过对锂电池单体进展串并联，可满足各种应用场合对电压和容量的不同的要求。相较于传统的充电电池镍氢电池、铅酸电池等，锂电池作为动力电池具有显著的优势：(1)高能量密度(高比能量)：锂电池的比能量已能达1500Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。同等容量要求下，能够减轻电池系统的重量。(2)工作电压高：一个锂电池单体的工作电压可到达3.7V，是镍镉或镍氢电池的3倍。同等电压要求下，能够减少串联单体的数目。(3)循环寿命长：在正常条件下，锂电池的循环次数可超过500次，磷酸亚铁锂电池可到达2000次。(4)可快速充放电：1C充电30分钟可到达标称容量State of Charge, SOC的80%以上，磷酸亚铁锂电池可以在10分钟内充电到90%SOC。这使得锂电池电动汽车能够实现快充，更加方便。(5)工作温度范围宽：工作温度为-2545，随着电解液和正极的改良，有希望能扩宽到-4070。这使得锂电池系统能适应各种环境。除此之外，锂电池还具有无污染、无记忆效应、自放电率低和可塑性强等优点。但锂电池也存在以下缺点：(1)本钱高：主要是正极材料价格较高。(2)不能耐受过充、过放，温度过高时还会有爆炸危险。必须有特殊的保护电路以防止过充。尤其是多个单体串联成电池组pack时，由于单体的特性不一致造成的不均衡，会导致*些单体过充而另外一些充不满，为保护电池需要加均衡电路或在充电策略上做改良。这些都增加了充电的本钱。2. 动力锂离子电池充放电策略2.1 锂电池充放电特性锂电池对于充放电电压、电流和温度都有着较高的要求。1充放电电压锂电池对充电终止电压的精度要求很高3.7V单体的充电终止电压为4.2V，一般误差不能超过额定值的1%。充电终止电压过高，会缩短锂电池的寿命。在4.2V附近时，1%的充电终止电压误差将会导致寿命变化1/3，容量变化8%1。过高的充电终止电压虽然可使容量增加，但对寿命的影响很大。假设造成过充，还会对电池造成永久性损害。充电终止电压过低，又会使电池充电不完全，电池的可使用时间变短。因此，为保护电池寿命，可以考虑提高对充电终止电压精度的要求。锂电池也存在放电终止电压3.7V单体的放电终止电压为3V。对于过放的锂电池，在充电前需要进展预处理，激活电池内部被过放的单元，之后再按一般模式充电。2充放电电流锂电池的充电率(充电电流)应根据电池生产厂商的建议选用。虽然*些电池的充电率可达2C，但常用的充电率为0.25C1C。这是由于充电过程中，电能无法100%转换为化学能，有一局部会转换成热能使电池温度升高。大电流充电时产热严重，降低了充电效率，还会有爆炸的危险。另外，假设一直采用恒流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电完毕控制不当还会造成过充。与充电类似，锂电池大电流放电也会产热严重，使电池的放电容量降低。与充电不同的是，锂电池对于放电的耐受比充电要强，很多锂电池是充坏的，而放坏的则很少。锂电池最大的放电率可达2C3C，对于电动汽车瞬时加速等应用是非常有利的。3充放电温度锂电池的充电温度一般被限制在060范围内。不同的温度下，锂电池的可承受的充电电流是不同的2：温度低于0度时，电池的活性较差，内阻较高，可承受充电电流的能力弱，不适宜充电3；010，应以较小的电流充电；在1020，电池的活性增强，可以以较大电流充电；2050是电池工作的较好温度范围，因此可以以大电流充电；温度再往上升时，电池充电比拟危险，并且电池在高温的情况下容量衰减较快，所以也不适宜充电4。锂电池的放电温度为-2545并有望拓宽。与充电类似，温度过低或过高时也不适宜大电流放电。综上所述，锂电池的充放电存在多重限制，对充放电的控制要求很高。2.2 锂电池充电控制策略常见的锂电池充电方法有涓流充电(Constant Trickle Current charge)，恒流充电(Constant Current Charge, CC)和恒流恒压充电(Constant-Current and Constant-Voltage Charge, CC-CV)等5。为了缩短充电时间，减少发热和提高充电效率，国内外学者做了诸多研究，主要是对以上常规充电方法的改良，包括模糊控制充电法Fuzzy-Controlled Charge6-8、锁相充电法Phase-Locked Charge9-14、灰度预测充电法Grey-Predicted Charge15-17、内阻调节充电法Built-in Resistance pensation, BPR12, 18-20、正弦电流充电法Sinusoidal Current Charger, Sin-CC21-23、分阶段恒流充电法Five-Step Charge24-26等。下面对这些方法进展介绍。恒流恒压充电涓流充电的实现简单，本钱低，且较平安，但充电时间最长(长达10多个小时)，因此被称为隔夜充电Over Night Charge。为了缩短充电时间，采用比涓流充电大得多的充电电流对电池进展充电，也即恒流充电。恒流充电的缺点是须准确地检测电池是否充满，常常会造成过冲或过放。恒流恒压充电法克制了涓流充电和恒流充电的缺点，得到了广泛应用，其充电过程如图 1所示。图 1恒流恒压法充电过程恒流恒压充电的理论根底是锂电池充电过程中其寄生电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)会发生变化，考虑ESR上的损耗过大会导致严重发热，将充电分为三个阶段进展。a预充电阶段。充电开场之前首先要检测电池端电压，假设小于放电截止电压，说明电池被过放了，ESR很大，需要用涓流充电对其进展预充电进展修复。假设电池电压大于，则不需要进展预充电。b恒流充电阶段。当Vb在和充电终止电压之间时，ESR较小，可以恒定的较大电流对电池进展充电。在此阶段中，是不断上升的。当到达充电终止电压，恒流阶段完毕，转入恒压阶段。c恒压充电阶段。在这一阶段中，以充电截止电压对电池进展恒压充电，电池电流是不断下降的，当充电电流小于1/40C(也有其他数值，如1/10C)时，恒压阶段完毕。恒流恒压充电的优点是能够在相对短的时间将电池充到比拟高的SOC，比拟平安。缺点是要求充电装置能够在恒压和恒流两种模式下切换，且要能够精准地控制充电截止电压。恒流恒压充电中，恒流充电阶段占据了整个充电时间的2540%，充进了7580%的容量，剩余的大量时间都是恒压充电阶段，只充进了2025%的容量27，因此在要求快速充电的应用场合，常常省掉恒压阶段，只进展恒流充电。2.2.2模糊控制充电文献6在锂电池充电中采用了模糊控制的思想，提出了所谓模糊控制的主动荷电状态控制器Fuzzy-Controlled Active State-of-Charge Controller, FC-ASCC。图 2和图 3分别为模糊控制充电策略系统框图和充电时序图。图 2模糊控制充电策略系统框图图 3模糊控制充电时序在CC阶段完毕后，充电开场遵循图 3所示的时序。电池将脱离充电控制一小段时间，分别在时段内进展开路电压检测(Open Circuit Voltage Detection, OVD)，在时段内进展充电电流检测(Charging Current Detection, CCD)，检测得到开路电压和充电电流，将其作为模糊控制器的输入，输出则是下一阶段的充电电流。(检测和控制时间)+(充电时间)，取决于控制器的速度和电池的充电平安区域(电池的电压和电流范围)。图 4模糊控制充电的效果模糊控制充电的优点是充电时间短，根据7中的实验结果，在使充电处于平安区域Safe Area，即不过充的前提下，FC-ASCC充电法比CC-CV的充电速度提升了23%。2.2.3锁相充电法锁相充电法的实现主要是基于自动跟踪和锁相。锁相环的根本原理如Error! Reference source not found.所示。图 5锁相环根本原理*i、*o、*e、Vp分别代表输入相/频、输出相/频、相/频误差和泵升电压。*i和*o通过相/频比拟器Phase/Frequency parator比拟作差得到*e后输入低通滤波器，低通滤波器在这里作为压控振荡器Voltage-Controlled Oscillator , VCO的相/频驱动。整个系统就像是一个锁相环，使VCO的输出*o接近输入*i，直到完全相等后锁相才不起作用。图 6为锁相电池充电系统框图，它由相位比拟器，低通滤波器由Current Pump、锂电池和差分放大器构成和压控振荡器组成。图 6锁相电池充电系统框图首先，锂电池电池电压被检测后送到差分放大器。差分放大器放大电池电压以适应压控振荡器所能承受的电压范围，然后将其转换成频率后做反应，与输入频率比拟后得到相位误差。最后，输入到Current Pump产生适当的电流给锂电池充电。由于其本身的特点，锁相充电实际上有三个阶段，大电流充电阶段、变电流充电阶段和浮充阶段。在频率跟踪阶段，LPF输出最大限幅值给VCO以减小频率误差，使Current Pump输出大电流给电池充电；在相位跟踪阶段，LPF的输出逐渐减小，使Current Pump输出逐渐减小的充电电流，也即变电流充电阶段；最后PLBCS完成了锁相，输入完全等于输出，为零，充电完成。锁相充电的电流曲线如图 7所示。图 7 锁相充电电流曲线从锁相充电电流曲线上可以看出，它与恒流恒压充电很类似。2.2.4 灰度预测充电锂电池的充电电压曲线受很多因素影响，包括其实容量，充电率，放电率，温度，放电深度，循环次数，充电剖面，过冲，过放等等27-29。有些影响因素能够被测量和建模，有些只能很粗略的描述。这种由一些确定因素和不确定因素控制的系统，是典型的灰色系统。文献15中提出了将灰度预测理论应用于锂电池充电的灰度预测充电控制方法。灰度预测的数学模型为：其中，为输出变量，, , 是输入变量，, , 和, , 是待定系数。GM(1,1)是最简单也最常用的模型，但是只能处理非负序列。输入模型的锂电池电压都是正值，因此可以采用GM(1,1)模型。为确定锂电池GM(1,1)模型的待定系数，需要进展锂电池不同充电率(0.1C，0.3C，0.5C)的一分钟充电测试，测试结果如图 8所示。图 8不同充电两次实际充电曲线和灰度预测曲线不同的测试时间会影响预测精度，文献17中的实验说明，测试时间越短，预测精度越高。灰度预测控制的充电曲线如图 9所示。图 9 灰度预测充电曲线灰度预测充电的优点是充电时间短，较平安，实验结果说明它比CC-CV快了23%，且充电处于平安区域。缺点是要建立带充电锂电池的灰度预测模型，且模型参数随着电池容量，循环次数等在发生变化，需要测试修正。因此灰度预测充电可能并不适合工业应用。2.2.5正弦-恒流充电文献21中提出了正弦-恒流充电法，采用使电池交流阻抗最小的电压对锂电池进展充电。图 10 电池的交流电阻模型电池的交流电阻模型如图 10所示30，它包括欧姆电阻，充电转移电阻，电容，电极电感，和理想电池。这些电阻、电容和电感就组成了电池的交流阻抗。存在一个频率，使最小。在充电电流上叠加这个频率的交流电流对电池充电，可以使充电电流最大，损耗和发热最小，这就是电池的最正确充电频率。正弦-恒流充电法充电电流的表达式变为其中，为电池采用恒流充电的充电电流，由设定的充电率决定。文献23中得出了锂电池的最正确频率约为1kHz。比拟正弦-恒流充电和恒流充电的电池端电压变化曲线，如图 11所示。图 11正弦-恒流充电和恒流充电的电池端电压变化曲线正弦-恒流充电可以看做是改良的恒流充电，其优点是充电时间短，效率高，电池发热小。文献22中的实验说明，正弦-恒流充电的速度和效率相较于恒流充电分别提高了5%和5.5%，电池外表温升降低了51.5%。正弦-恒流充电的缺点有：随着锂电池特性的变化，最正确频率会偏移；为了在充电电流中参加交流电流，需要增加新的变换器，增加了本钱。2.2.6 分阶段恒流充电文献25, 26中提出了五步充电法，其充电时序如图 12所示。图 12五步充电法充电时序首先以电流对电池充电，随着充电的进展，电池端电压逐渐上升。当电池端电压上升至，减小充电电流为，电池端电压会略微下降后继续上升，直到重新升至如此重复5次，即为五步充电法。五步充电法实际上分阶段恒流充电，每个阶段的充电电流逐渐减小。分阶段恒流充电存在一个需要解决的重要问题就是如何确定每个阶段的充电电流。文献25, 26中通过多组实验测试的方法获得每个阶段的充电电流，即以不同的五段电流对电池进展分阶段恒流充电，然后通过放电测量充进去的电量，以能够充进最大的电量作为衡量标准，寻找最正确的五段电流。为了减少测试的次数，文献25, 26中采用连续正交矩阵的数学方法来对电流进展筛选,最终得到的最好的一组current levels是1.4C1C1C0.65C0.3C，而其中的平安限制电压Vlim具体是多少文献中并未提及，猜想可能默认为电池的充电截止电压。五步充电法能够将锂电池充满到95%SOC。文献8对五步充电进展了改良，以电池温升最小为优化目标，提出了基于模糊控制的五步充电法，其系统框图如图 13所示。图 13基于模糊控制的五步充电法系统框图控制狂徒中的功率开关局部由一个简单的buck电路实现。这里的模糊控制采用电池的温度T(包括温度变化T)作为模糊控制的输入，来计算充电电流指令。电池端电压检测仅用于确定充电阶段，电流检测仅作为充电电流控制的反应。基于模糊控制的五步充电法的充电曲线如图 14所示。在每个充电阶段中，由于模糊控制器的不断调整，充电电流并不是固定不变的。图 14基于模糊控制的五步充电法充电曲线图 15基于模糊控制的五步充电法温升曲线以温升为控制目标的模糊控制五步充电法，最主要的优点是电池温升最小，图 15给出了文献8的实验结果，可以看出这种充电控制方法对电池温升的抑制效果。参考文献1程涛. 锂电池线性充电芯片系统研究与设计: 硕士. 华中科技大学, 2007.2肖利芬. 锂离子电池假设干应用根底问题研究: 博士. *大学, 2003.3王洪伟, 杜春雨, 王常波. 锂离子电池的低温性能研究. 电池. 2021, (04): 208-210.4*金灵. 电动汽车智能电池系统的研究: 硕士. 交通大学, 2021.5Cope, R. 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