优化充电

1. 动力电池优化充电

充电是动力电池的能量补给方式,是动力电池全生命周期工况的主要组成部分。近年来,以电动汽车为代表的新能源汽车自燃起火事故有31%都发生在充电阶段,动力电池充电方法的发展不再是仅着眼于加快充电速度、提高用户体验,还要保证新能源汽车的安全性、可靠性和长寿性。因此,缩短动力电池的充电时间、提高动力电池的充电效率以及在充电过程中保证动力电池安全性、可靠性和长寿性是近年来新能源汽车发展的研究重点和难点。早期的动力电池充电主要是恒流充电方法和恒压充电方法,通过不断发展完善衍生出恒流恒压充电方法、多阶恒流充电方法、电流和电压脉冲充电方法,还有以连续交变电流为激励的交流充电方法、以模型为基础的系列优化充电方法以及近年来热门的快速充电方法等。

恒流恒压充电

恒流恒压充电方法(CC-CV)方法首先采用设定好的恒定电流对动力电池进行充电,直到动力电池电压达到预设值后切换为恒压充电,最终以充电电流达到截止电流值为终止条件,能够有效结合上述两种充电方法优势,具体的充电过程如图1所示。恒流恒压充电方法对动力电池的损伤较小,不需要预先获取准确的电路模型,通用性强、方法简单、易于实现硬件电路,因而被广泛应用,是目前锂离子动力电池应用中最为常见的充电方式。但恒压充电阶段耗费时间长,难以适用于快速充放电的场合。

图1 恒流恒压充电曲线

多阶恒流充电

多阶恒流充电方法由若干个恒流充电阶段组成,如图2所示,当动力电池在第一个恒流充电阶段达到了上截止电压或设定的SOC水平后,跳转至下一个恒流充电阶段,如此类推,为了避免动力电池过快到达上截止电压,每个恒流充电阶段的设计电流呈现阶梯式逐级递减,以遍历动力电池预设的所有恒流充电阶段为充电终止条件。按照阶与阶之间跳转条件的不同,多阶段恒流充电方法可以分为以上截止电压为跳转条件的充电方式和以SOC区间为跳转条件的充电方式。

图2 多阶段恒流充电曲线

a) 以上截至电压为跳转条件 b) 以SOC区间为跳转条件

脉冲充电

脉冲充电方法可通过短时间的放电或者间歇降低极化电压,使得下一个波形周期获得相比与其他充电方式更高的充电电流可接受能力,增加充放电功率,减少动力电池充电时间。可以通过施加脉冲电流的方式实现脉冲充电,也可通过在动力电池两端施加脉冲电压的方式来实现。

如图3展示了脉冲充电方法的基本思想。脉冲充电一般由若干个以Tc为时间周期的子过程组成,每个子过程分为两个阶段:第一阶段,动力电池以Ic为脉冲电流充电Td时间;第二阶段,动力电池以Id为电流小脉冲进行Tc-Td时长的放电,Id可以为0。随着实验的进行,动力电池端电压持续升高,通过以端电压达到预定的截止电压为终止条件。

图3 脉冲充电充电曲线

交流充电方法

交流充电方法是一类采用连续周期性交变电流作为充电激励源的动力电池充电方法,其中,以正弦波电流实现充电的正弦波充电方法(Sinusoidal Ripple Current,SRC)是最具有代表性的交流充电方法之一。与脉冲充电方法不同,SRC利用正弦电流与直流电叠加作为充电电流,而充电电流的幅值一直随着时间而变化。SRC在寻找最优充电曲线时需要动力电池模型,但与基于模型的充电方法不同的是,它在充电电流中加入了交流分量。如图4所示,二阶RC动力电池模型由一个电阻Ra和两个RC并联电路串联而成,含有直流分量的动力电池阻抗,通过拟合SRC充电过程中不同频率下的电压、电流波形可以得到模型各分量值,从而应用于模拟SRC充电过程。SRC的核心在于最优充电电流频率的计算,通常是利用对电化学阻抗谱(EIS)的分析寻找最小阻抗所对应的频率。


图4 二阶RC动力电池模型

基于模型的优化充电方法

基于模型的充电方法是一种利用动力电池模型描述能力进行充电性能优化的一类充电方法,其核心是通过建模的方式掌握动力电池特性,并基于此制定面向预期优化目标的充电策略。与基于波形的充电方法不同,基于模型的充电方法在动力电池内外特性方面提供了更深、更广的把控度,是一种具有良好应用前景的充电方法。根据使用模型的不同,基于模型的充电方法通常有基于等效电路模型的充电方法和基于电化学模型的充电方法等。

基于等效电路模型的方法首先需要建立动力电池的等效电路模型,温度通常是动力电池充电过程中广受关注的特性,因此,可以通过建立温度模型来考虑充电过程中的动力电池温度变化。值得说明的是,动力电池等效电路模型与温度模型的耦合常应用于多阶恒产热率的充电策略当中。动力电池优化充电要解决的根本问题是尽可能减少动力电池吸收能量的功率损失。由于等效电路模型的电学构成简单明确,因此,常与动力电池功率损失模型联合使用,以实现充电功率损失的最小化。

由于等效电路模型的结构简单,无法考虑动力电池内部电势、锂离子浓度变化、电化学等动力电池内部化学反应过程。为了进一步适应动力电池的内部机理,通常可以采用基于电化学模型的优化充电方法。

快速充电方法

动力电池快速充电方法是指采取消除或降低动力电池极化等措施,在不影响动力电池长寿性和安全性的前提下最大程度发挥动力电池电流接受能力的一类充电策略。与传统充电方法不同的是,动力电池快速充电方法通常设有明确的性能目标。我国工信部在《汽车产业技术进步和技术改造投资方向2010年》中建议指出,快速充电的目标是在0.5h内将动力电池从0%电量充电至80%电量。

动力电池快速充电方法可以沿用传统动力电池的充电方法体系,但是快速充电的大倍率和高性能要求带来了一些新的挑战。例如,传统优化充电中的优化变量、优化边界及约束条件不再适用于快速充电的场合;传统充电方法中的模型主要关注1C以下的小充电倍率,而快速充电方法中的模型需要具备1C以上的大倍率适用性。随着快速充电条件的日渐成熟,传统动力电池的充电方法体系开始针对快速充电的应用要求不断完善和发展,也在不断产生更多形式的快速充电策略。

2. 主要结果

基于等效电路-温度模型的充电方法和多阶段恒产热率策略

(1)仿真结果

SOCf为0.9、Tmax为50℃,对动力电池单体进行分析。取β为0.24,以三阶为例,使用遗传算法优化得到三阶恒产热值分别为0.36W、0.27W和0.19W。得到动力电池的充电曲线,如图2所示。此时动力电池的充电时间为3563s,温升为1.07℃。

图5 三阶恒定产热值与充电电流

(2)实验验证

为了评价该充电方法相比于传统CCCV方法的优越性,在25℃环境下对动力电池单体进行充电对比实验。结果如图3所示。

图6 优化充电方法与CCCV的对比a) 电流曲线 b) 电压曲线 c) 温升 (d) SOC


表1 优化充电方法与CCCV的充电时间和温升

结果表明,相比于传统CCCV充电方式,基于模型的多阶段恒定产热率充电方法能够缩短7.89%的充电时间,并降低38.8%的温升,是一种可行的优化充电方式。

3. 参考文献

[1] 熊瑞. 动力电池管理系统核心算法(第二版)[M]. 北京:机械工业出版社,2021. (第九章)

[2] R. Xiong, W. Sun, Q. Yu* and F. Sun, “Research progress, challenges and prospects of fault diagnosis on battery system of electric vehicles”, Applied Energy, vol. 279, pp.115855, Dec 2020. (下载链接)

[3] R. Xiong*, Y. Pan, W.X. Shen, H. Li and F. C. Sun, “Lithium-ion battery aging mechanisms and diagnosis method for automotive applications: Recent advances and perspectives”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 131, pp. 110048, Oct 2020. (下载链接)

[4] R. Xiong*, S. Ma, H. Li, F. Sun and J.Li, “Towards a Safer Battery Management System: A Critical Review on Diagnosis and Prognosis of Battery Short Circuit”, iScience, vol. 23, no. 4, pp. 101010, Apr 2020. (下载链接)

[5] M. Ye, H. Gong, R. Xiong* and H. Mu, “Research on the Battery Charging Strategy With Charging and Temperature Rising Control Awareness”, IEEE ACCESS, vol. 6, pp. 64193 – 64201, Oct 2018.(下载链接

4. 可用资源

(1) 优化充电资料: 点击下载(优化充电)

(2) 模型实例:资源申请表.pdf

说明:基于等效电路-温度模型的充电方法,采用多阶段恒产热率策略。

(3) 授课讲稿:资源申请表.pdf


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