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車用鋰電池健康狀態(tài)下快充方法研究綜述

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月29日 15:38

車用鋰電池健康狀態(tài)下快充方法研究綜述

作者簡介:張志剛，教授，博士后，主要從事車輛動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究1. 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 4000542. 招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 4013293. 重慶市公安局交通管理局，重慶 400054 收稿日期: 2021-07-29

基金項(xiàng)目: 重慶市高校創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目(CXQT21027)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2021jcyj-msxmX0464)；重慶理工大學(xué)科研啟動基金資助項(xiàng)目(2021ZDZ004)

摘要: 為了改善電動汽車使用便捷性，鋰離子動力電池快速充電被廣泛用于新能源汽車充電領(lǐng)域，然而，不當(dāng)?shù)目焖俪潆姇铀匐姵乩匣?，引發(fā)電池?zé)崾Э氐纫幌盗邪踩珕栴}，如何實(shí)現(xiàn)鋰離子動力電池安全、可靠地快充已成為行業(yè)的熱點(diǎn)和痛點(diǎn). 本文通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的歸納整理，闡述了鋰離子動力電池在快充條件下的主要阻礙因素及基于電化學(xué)—熱耦合模型的快充方法和快充趨勢，探討了鋰離子動力電池的電化學(xué)特性、熱特性、老化機(jī)理及陽極析鋰機(jī)理，在總結(jié)當(dāng)前主流的快充策略優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了電動汽車用動力電池電化學(xué)—熱耦合模型的安全快充方法的研究趨勢.

English Abstract

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開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)志碼（OSID）：

當(dāng)今全球正面臨嚴(yán)峻的能源短缺危機(jī)，石油消耗量快速增長的同時，大量化石燃料的使用與濫用加劇了環(huán)境污染[1]. 純電動汽車作為一種零排放、綠色低碳的交通工具發(fā)展迅猛，然而，由于續(xù)航里程和充電速度等因素導(dǎo)致的里程焦慮和充電焦慮是制約純電動汽車大規(guī)模推廣的瓶頸[2]. 鋰離子動力電池(后面簡稱鋰電池)由于具有比能量高、比功率大、無記憶性等良好性能，已被視為理想的新一代電動汽車動力源[3-4]. 快速充電策略是當(dāng)前儲能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，通過快充策略以減少充電時間、延緩電池老化、提升充電效率[5-7]. 文獻(xiàn)[8]建立了鋰電池的電—熱模型，研究了鋰電池在充電過程中的極化特性，提出一種Reflex快充策略，有利減小電池極化，并且可以減少電池溫升及容量衰減. 文獻(xiàn)[9]介紹了一種面向控制的電化學(xué)模型，可以用于在線觀測充電過程中陽極上鋰的沉積，基于模型進(jìn)一步提出了一種在線無損快速充電算法，可以在保護(hù)電池的同時縮短充電時間. 文獻(xiàn)[10]通過粒子群尋優(yōu)算法，以充電時間、容量及充電效率為優(yōu)化目標(biāo)，提出一種自適應(yīng)分階段恒流充電策略，相對于傳統(tǒng)的恒流恒壓(Constant Current Constant Voltage，CC-CV)充電模式，該策略充電時間短、溫升小，電池容量衰退較小.

本文從鋰電池特性和老化機(jī)理入手，將限制鋰電池快速充電能力的影響因素分類闡述，分析主流充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍. 基于鋰電池電化學(xué)—熱耦合模型和電動汽車行業(yè)發(fā)展需求，提出了鋰電池健康狀態(tài)下快速安全充電的研究趨勢.

1. 鋰離子電池特性及快充影響因素 1.1. 鋰離子動力電池老化機(jī)理

鋰電池在循環(huán)充放電時，電池內(nèi)部通常會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)具有不可逆性常造成電池電極活性物質(zhì)及可循環(huán)活性鋰離子減少，進(jìn)而造成電池容量下降和電阻上升，使得電池老化衰退[11-12]. 電池老化主要體現(xiàn)為阻抗增加和容量衰退，這是由電池內(nèi)部電化學(xué)性質(zhì)所決定的[13]. 電池老化的原因有：電極活性材料的腐蝕溶解[14-16]、結(jié)構(gòu)變化[17-19]、活性物質(zhì)顆粒破裂[20-22]等導(dǎo)致正負(fù)電極受損，固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)生長增厚[23-24]、負(fù)極析鋰[25-26]等導(dǎo)致的活性鋰離子損失，這些因素將導(dǎo)致電池最大可用容量衰減，如圖 1所示. 鋰電池實(shí)際使用過程中的老化分為兩類：循環(huán)老化及日歷老化. 循環(huán)老化即鋰電池在充放電循環(huán)過程中發(fā)生的不可逆容量損失，主要影響因素有充放電電流、截止電壓、荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)、溫度、放電深度(Depth of Discharge，DOD)等[27]，為實(shí)現(xiàn)安全快速充電，研究電池老化機(jī)理具有重要意義[28].

文獻(xiàn)[29]使用單粒子模型對鋰電池進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的容量和電壓比對，分析出電池容量衰減有3個階段：

1) 電池容量衰減主要是由于SEI膜形成；

2) 電池老化過程中陰極材料衰退占比增大，但活性鋰離子消耗為主要原因；

3) 電池老化衰退主要原因?yàn)殛帢O材料衰退，且陽極變化會加速電池老化.

文獻(xiàn)[30]通過研究充電電流倍率、溫度及DOD對磷酸鐵鋰電池老化的影響，表明溫度對鋰電池老化影響較大，DOD影響較小. 此外，在大倍率電流充電過程中，電流倍率對鋰電池容量衰減有顯著影響. 文獻(xiàn)[31]研究發(fā)現(xiàn)溫度上升使得SEI增長速率增大，鋰電池循環(huán)后期，陽極動力學(xué)特性受到SEI膜限制，導(dǎo)致陽極析鋰. 文獻(xiàn)[32]通過研究不同SOC窗口和充電電流倍率下鋰電池容量衰減特性，發(fā)現(xiàn)鋰電池在循環(huán)過程中，在高SOC和大倍率電流條件下陽極石墨層機(jī)械形變發(fā)生率增大，進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池容量衰減. 文獻(xiàn)[33]研究表明，在低溫和大倍率充電工況下陽極析鋰發(fā)生率增大，使鋰電池容量衰退加劇.

1.2. 鋰電池健康狀態(tài)定義

電池健康狀態(tài)(State of Health，SOH)表征鋰電池當(dāng)前狀態(tài)下相較出廠時的儲電能力，用來定量描述電池老化的進(jìn)程，用百分?jǐn)?shù)表示. 由于電池的容量、內(nèi)阻及剩余可充電次數(shù)等特征參數(shù)都會隨著電池老化而發(fā)生變化，故SOH可用不同的特征參數(shù)來表示，其定義如下：容量定義SOH[34]、內(nèi)阻定義SOH[35]和剩余可充電次數(shù)定義SOH[36]. 文獻(xiàn)[37]研究了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時鋰離子運(yùn)動和消耗過程，并結(jié)合電池容量衰退過程，提出了容量損失、濃度變化等共計(jì)5個方程，可計(jì)算出容量損失，還可模擬不同的充電截止電壓和放電深度對電池老化進(jìn)程的影響，預(yù)測精度也很高. 文獻(xiàn)[38]將Thevenin等效電路模型中的歐姆內(nèi)阻作為電池SOH的衡量指標(biāo)，運(yùn)用雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器對模型參數(shù)進(jìn)行在線辨識，結(jié)合電池老化的研究，對SOH進(jìn)行估計(jì). 文獻(xiàn)[39]選取電動汽車運(yùn)行過程中電池管理系統(tǒng)監(jiān)控的歷史數(shù)據(jù)(電流、電壓、溫度)來實(shí)時跟蹤SOH，在對數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理后訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用電動汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，平均誤差小于2.18%. 綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，由于影響電池老化進(jìn)程的影響因素較多，電化學(xué)模型難以對鋰電池內(nèi)部復(fù)雜的狀態(tài)變化逐個描述，而等效電路模型將電池內(nèi)部簡化處理可能導(dǎo)致模型誤差較大[40]，因此利用電池歷史運(yùn)行可監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對SOH進(jìn)行估計(jì)已經(jīng)成為主流研究方向.

1.3. 影響鋰離子動力電池快速充電因素

鋰電池在其充電過程中受電池當(dāng)前SOC和SOH狀態(tài)及溫度、充電電流等因素影響較大，且這些因素之間互相聯(lián)系、互為影響，具有強(qiáng)耦合性[41]，其關(guān)系如圖 2所示.

1.3.1. SEI膜生長

鋰電池第一次充放電時，陽極與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在陽極界面會形成一層SEI膜. SEI膜的形成對鋰電池有兩個方面的影響[42]. 其一，SEI膜在生長過程中會消耗掉一定量可移動鋰離子，從而造成鋰電池部分容量的不可逆損失；另一方面，SEI膜允許鋰離子通過，但可以隔絕電子和電解液的通過，從而防止了負(fù)極中的鋰離子和電解液的進(jìn)一步反應(yīng)，保證鋰電池能夠在限定的電壓區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作[43]. 但隨著電池循環(huán)使用次數(shù)的增加，SEI膜持續(xù)生長，阻礙了部分鋰離子在電解液中的運(yùn)動，使得電阻增大.

在SEI膜的形成過程中，會對電池的循環(huán)特性、倍率特性及溫度特性等產(chǎn)生影響[44]. 文獻(xiàn)[45-46]通過試驗(yàn)研究陽極材料在不同工況下的變化狀況，表明陽極界面SEI膜形成導(dǎo)致鋰離子動力特性受到阻礙，使得電池極化和電阻增大，并且電流倍率和循環(huán)次數(shù)增大也會使電阻增大. 文獻(xiàn)[47]通過事后拆解的方法分析了充電電流倍率對三元鋰電池老化的影響，研究發(fā)現(xiàn)高充電電流倍率使得SEI膜生長速率增大，進(jìn)一步導(dǎo)致電池阻抗增加和加劇容量衰減. 文獻(xiàn)[25, 48-49]研究發(fā)現(xiàn)電池循環(huán)過程中，石墨表面SEI膜的增長，使得電極孔隙率降低，阻礙了鋰離子動力學(xué)特性，增大電池極化，進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池在適宜工況下發(fā)生陽極析鋰.

1.3.2. 負(fù)極析鋰副反應(yīng)

相比于SEI膜生長的副反應(yīng)而言，鋰電池在循環(huán)使用過程中負(fù)極析鋰的可能性較低[50]，但在特殊工況下，如大倍率電流充電、過充及低溫，也可能發(fā)生陽極析鋰，如表 1所示.

陽極析鋰后，由于析出的部分鋰金屬在放電時無法被氧化為鋰離子，導(dǎo)致這部分的鋰離子無法繼續(xù)發(fā)揮化學(xué)能和電能之間轉(zhuǎn)化的作用，從而造成電池容量的衰減. 另一方面，析出的鋰金屬通常以鋰枝晶的形式附著在負(fù)極顆粒表面，鋰枝晶生長到一定程度時能刺破隔膜，造成正負(fù)電極發(fā)生短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控[51].

目前學(xué)者對鋰電池析鋰原因開展的研究，可以分為“濃度說”[52]和“電位說”[53]. “濃度說”認(rèn)為電池負(fù)極表面鋰離子濃度達(dá)到飽和而無法繼續(xù)嵌入負(fù)極，“電位說”認(rèn)為是電池負(fù)極表面電位低于Li/Li+平衡電位而導(dǎo)致的. 文獻(xiàn)[54]通過將局部擠壓的隔膜組裝成扣式半電池，因?yàn)榫植块]合隔膜的周圍鋰離子濃度較高，使得該位置過電位較大，導(dǎo)致陽極析鋰. 文獻(xiàn)[3]采用析鋰電勢作為判定，對鋰電池析鋰電流邊界進(jìn)行標(biāo)定，也就是依據(jù)負(fù)極電位閾值，將鋰電池在快速充電過程中出現(xiàn)的負(fù)極析鋰副反應(yīng)邊界電流作為整個電池充電范圍內(nèi)的最大充電電流. 文獻(xiàn)[55]通過移位電壓判斷陽極析鋰的時間點(diǎn)，在電池循環(huán)中移位電壓急劇增大時，會發(fā)生陽極析鋰，并證實(shí)充放電電壓受到電池內(nèi)阻和鋰儲量的影響.

1.3.3. 充電極化現(xiàn)象

鋰電池在充放電狀態(tài)下出現(xiàn)內(nèi)部鋰離子濃度短時間內(nèi)的分布不均現(xiàn)象，即為鋰電池的極化. 鋰電池的極化受充放電電流大小、環(huán)境溫度、內(nèi)部活性物質(zhì)濃度等因素影響[56]，極化現(xiàn)象阻礙鋰離子動力特性，導(dǎo)致溫升高、陽極析鋰等，進(jìn)而使得充電電流曲線不能達(dá)到最大充電電流曲線，極化嚴(yán)重時，可能使得電池電壓陡升，損壞電池[57].

文獻(xiàn)[58-59]建立鋰電池的等效電路模型，研究了電池極化電壓與端電壓之間的關(guān)系. 文獻(xiàn)[60]通過分析鋰電池極化電壓，建立了反映電池內(nèi)部復(fù)雜離子運(yùn)動的方程，通過計(jì)算鋰電池充放電時鋰離子流值來獲得極化電壓變化規(guī)律. 文獻(xiàn)[61]將鋰離子電池的充放電策略作為控制目標(biāo)，研究了電池SOC、充放電形式、充放電倍率大小和工作溫度等方面與電池極化電壓之間的相互聯(lián)系. 文獻(xiàn)[62]等采用極化電壓時間常數(shù)進(jìn)行快充優(yōu)化策略設(shè)計(jì)依據(jù)，能夠較好地平衡充電過程中快充速率、極化電壓和溫升速度.

1.3.4. 溫度對充電影響

電池的溫度對內(nèi)部活化酶的活性有較大影響，進(jìn)而影響電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)速度，同時影響電池內(nèi)鋰離子脫嵌速率和擴(kuò)散遷移速率[63]. 電池溫度在充電中后期不斷累積，電池溫度過高部分能量會轉(zhuǎn)化為熱量消耗，導(dǎo)致實(shí)際充電容量不足，并且嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍⑷紵痊F(xiàn)象. 溫度過低，鋰離子電池反應(yīng)緩慢，充電速率降低，充電時間延長[64]. 根據(jù)電池溫度—可接受充電電流曲線，表明在25℃下充電效果最佳，電池性能較好[65-66].

文獻(xiàn)[67]研究表明，環(huán)境溫度影響電池的電解液濃度和活性，當(dāng)溫度越高電解液活性和濃度越高，鋰離子擴(kuò)散和遷移速率增加. 文獻(xiàn)[68]研究了溫度變化在循環(huán)充放電過程中對鋰電池的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度影響循環(huán)充放電過程中陰極SEI膜的增長速率. 高溫不僅會阻礙電池壽命，還會增加發(fā)生災(zāi)難性故障的危險，相反，低溫也會限制電池壽命，因?yàn)殡姵貎?nèi)部電阻增加. 文獻(xiàn)[69]通過實(shí)驗(yàn)分析了不同環(huán)境溫度下電池內(nèi)阻狀況，在環(huán)境溫度為25℃下磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻是環(huán)境溫度為60℃狀況下的5倍.

1.3.5. 充電電流倍率對電池性能影響

不同充電電流倍率下的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池充電時間特性分別如圖 3所示. 總體上，提高充電電流倍率可以縮短充電時間，然后電流倍率上升到一定值后，充電時間縮減的程度開始減小，最終趨于平緩[70]. 鋰電池循環(huán)壽命受到充電電流倍率顯著影響，不同充電電流倍率下電池容量曲線表現(xiàn)為先下降后上升，當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)超過300次之后，在高倍率電流充電條件下，電池最大可用容量急劇衰減[71]. 提高充電上限電壓，有利于抑制電池容量衰減，其原因?yàn)樘岣叱潆娚舷揠妷?，使得正?fù)極電勢差增加，嵌入至負(fù)極的鋰離子數(shù)量增加. 然而當(dāng)充電電壓過高，負(fù)極電勢降至0V以下時，將會導(dǎo)致負(fù)極析鋰，從而導(dǎo)致電池容量急劇衰減[72]. 在快充條件下，應(yīng)當(dāng)監(jiān)測負(fù)極電位和電流密度，避免負(fù)極析鋰，降低充電安全風(fēng)險.

1.4. 熱特性

鋰電池在快速充電進(jìn)行中會生熱，主要表現(xiàn)為化學(xué)熱、極化熱、歐姆熱和副反應(yīng)熱[73]. 由于某一類型鋰電池使用過程中容量變化不大，因而電池化學(xué)熱變化不大，而極化熱、歐姆熱及副反應(yīng)熱都和電池采用的充電策略有關(guān). 電池的極化程度越高、副反應(yīng)越劇烈，生熱更多，這樣使得電池溫升速率加快[74-75]. 在充放電過程中鋰電池會產(chǎn)生各種熱，其中所產(chǎn)生的焦耳熱與電流平方成正比，在大電流快充條件下電池生熱量較大、溫升快[76]. 在快速充電條件下，電池?zé)峁芾硪彩钱?dāng)前研究熱點(diǎn). 文獻(xiàn)[77]基于鋰電池電—熱模型，分析對比了電池常規(guī)充電和過充電條件下的電、熱特性，表明常規(guī)充電條件下，電池溫升是由于充電產(chǎn)生的不可逆熱，然而在過充電條件下，電池?zé)岬漠a(chǎn)生主要是因?yàn)槌潆姵跗阡嚦练e導(dǎo)致的. 文獻(xiàn)[78]基于電池充電電壓隨SOC變化的規(guī)律，建立了電池生熱量隨SOC變化的熱源方程式，并耦合了正負(fù)極耳的生熱，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方式建立了過充電—熱耦合模型. 研究表明，電池過充電過程中，最高溫度出現(xiàn)在正極附近，最低溫度出現(xiàn)在負(fù)極一側(cè)的底角處，隨著過充電流的增大，電池內(nèi)外部和區(qū)域溫差增大，電池的熱均勻性變差，電池極耳的位置對電池的溫度場分布有很大影響. 文獻(xiàn)[79]通過建立18650鋰電池的電—熱模型，對比分析LiNi1/3Mn1/3O2，LiNi0.8CoAl0.05O2，LiFePO4，LiMn2O4，LiCoO2 5種陰極材料的熱特性，研究表明，同一種材料充電電流倍率每增加2C，溫升增加大約5℃.

2. 主流充電法及安全快充策略

鋰電池充電時，內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，且涉及的參數(shù)具有強(qiáng)耦合、不可測等特性，但所涉及的參數(shù)對電池性能、循環(huán)壽命有較大影響，通常受到溫度、充電電流倍率及SOC影響[80, 81]. 針對電動汽車鋰電池的充電，發(fā)展了多種充電方式，每種充電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)[82]，下面是目前使用的一些主流充電方法：

2.1. 恒流恒壓充電(Constant-Current Constant-Voltage Charging)

恒流恒壓充電綜合了恒流CC和恒壓CV充電兩個過程，首先，電池被恒定電流充電至預(yù)先設(shè)定的截止電壓，隨后，充電切換至恒壓充電模式，即電池的端電壓保持不變，充電過程一直持續(xù)到電流下降到規(guī)定的截止電流或充電時間到達(dá)設(shè)定的截止時間[83]. 恒流充電過程可有效地減少充電時長，在恒壓充電過程中將電池充滿. 然而恒壓階段充電電流下降緩慢，使得充電時間較長，且此過程中電池?zé)崃坷鄯e、極化增大，充電效率低[84]，而采用恒定大倍率電流充電則會導(dǎo)致后期出現(xiàn)較大溫升，進(jìn)而損壞電池.

基于標(biāo)準(zhǔn)CC-CV充電策略，許多研究學(xué)者提出了多種改進(jìn)快充方法. 文獻(xiàn)[85]提出了Boost充電策略，該策略采用CC-CV-CC-CV和CV-CC-CV充電，在充電初期使用大倍率電流的CC-CV或CV充電，之后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)CC-CV將電池充滿；Boost充電在充電速度上相較于傳統(tǒng)CC-CV得到提升，然而充電初期使用大電流CV充電不利于電池性能. 文獻(xiàn)[86]在充分考慮恒流階段和恒壓階段電池充電的特點(diǎn)后，提出一種變電流間歇充電方法：由于在開始階段電池的充電可接受能力較大，因此采用大電流對電池進(jìn)行充電，考慮到電池的極化效應(yīng)，當(dāng)恒流充電至電池截止電壓后，暫停充電，此時電池電壓將有所下降，隨后減小恒流充電的電流值，重復(fù)上述過程，直至電流減小到預(yù)定值后，采用恒壓充電完成最后階段的充電過程，做到了對電池的保護(hù). 文獻(xiàn)[87]提出了一種優(yōu)化CC-CV充電電流曲線的三重優(yōu)化目標(biāo)充電策略，使用優(yōu)化算法將充電溫升、時間及能量損耗作為優(yōu)化目標(biāo)，通過對比各種優(yōu)化算法及不同權(quán)重因子對優(yōu)化目標(biāo)的影響，研究表明，對目標(biāo)函數(shù)中的子函數(shù)項(xiàng)的權(quán)重進(jìn)行合理設(shè)置，從而可以獲取不同優(yōu)先等級的充電電流曲線.

2.2. 脈沖充電法(Pulse Charging)

作為恒流恒壓充電方法的代替方案，脈沖充電被認(rèn)為是一種能夠減少充電時間和提高電池充電及能量效率的有效方法[88]，該充電過程以預(yù)設(shè)的電流充電一段時間，之后伴隨短暫的中斷時間或以負(fù)脈沖放電，如此循環(huán)往復(fù)直到電池充滿量，在兩個連續(xù)脈沖之間增加停充期或者負(fù)脈沖，可以在下個正脈沖到來時使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到均衡. 相比傳統(tǒng)的恒流充電，增加短暫的停歇或放電的脈沖充電會使鋰電池有更強(qiáng)充電接受能力，比如會消除極化電壓、抑制鋰枝晶的生長以及減緩電池的老化和加快充電速度等[89].

文獻(xiàn)[90]提出了一種恒流脈沖間歇充電策略，該策略在充電時將脈沖電流占空比和幅值設(shè)為定值，縮減了充電時間和降低電池極化. 但為了進(jìn)一步縮短充電時間，則需要延長靜置時間消除電池極化，如此將與設(shè)定目標(biāo)沖突. 文獻(xiàn)[91]通過控制頻率以實(shí)現(xiàn)最小化的電池阻抗，同時通過調(diào)整占空比來減小極化，可以在不損壞電池特性的情況下，不到20 min可充電到最大容量，相比傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方法充電速度提高了兩倍，比恒流充電方法效率提高超過50%. 文獻(xiàn)[92]將鋰離子的擴(kuò)散進(jìn)行理想化建模，從而分析得到常規(guī)恒流充電下約1 h后鋰離子濃度在石墨/電解質(zhì)界面處達(dá)到飽和，故采用約75%的占空比的脈沖充電可平衡充電時間和鋰離子濃度飽和之間的矛盾.

2.3. 多段恒流充電法(Multistage Constant Current Charging)

恒流恒壓充電法中，如果從CC階段到CV階段轉(zhuǎn)換時間過早，會增加CV階段的充電時間，如果轉(zhuǎn)換時間太晚，電池會發(fā)生過度充電，可能會永久損壞電池[93]. 由于CC-CV充電法可能會導(dǎo)致過充和較長的充電時間，為避免這些問題，提出了多段恒流充電法. 多段恒流充電指按一定規(guī)則將充電電流劃分為多段，每段電流都是固定常數(shù)，先以某一恒定電流充電到設(shè)定閥值后，繼續(xù)以另一恒定電流充電，直到電池容量達(dá)到設(shè)定值. 在多段恒流充電過程中，將恒流恒壓充電過程中的恒壓階段用一組逐漸減小的電流替代[94].

多階段恒流充電最早由Qian等[95]提出. 文獻(xiàn)[96]中采用優(yōu)化多段恒流充電中的電流序列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所獲得的快速充電模式能夠在40 min內(nèi)將鋰電池充電至75%容量，并且運(yùn)用該充電模式，鋰電池充放電循環(huán)壽命要比采用傳統(tǒng)的CC-CV充電模式延長60%. 文獻(xiàn)[97]運(yùn)用連續(xù)正交陣列技術(shù)確定五步恒流充電方法的最佳充電模式，該方法用于尋找最優(yōu)參數(shù)設(shè)置并簡化了實(shí)驗(yàn)步驟. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所獲得的充電模式能夠使鋰電池充電至95%的容量，并且與傳統(tǒng)的恒定電流—恒定電壓充電方法相比，該方法可以使充電過程更快且更安全并使電池具有更長循環(huán)壽命. 文獻(xiàn)[98]采用遺傳算法以電池充電時間和溫升為優(yōu)化目標(biāo)，采用了一種基于多階段恒流充電策略，該策略通過改變權(quán)重因子，以平衡充電時間和溫升之間關(guān)系，從而確定一組充電電流序列，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該策略優(yōu)化效果好，在充電過程中溫升較低，總充電時間較短.

2.4. 安全快充策略

鋰電池充電策略主要研究目標(biāo)包括4個方面：充電時間最小化、效率最高化、容量最大化及循環(huán)壽命最長化，然而不同目標(biāo)之間存在競爭關(guān)系，縮短充電時間則需要提升電流倍率，而大倍率電流亦會使得極化電壓增加，進(jìn)而降低了充電效率. 因此，基于電池特性如何權(quán)衡不同目標(biāo)之間的關(guān)系，成為當(dāng)前快速充電技術(shù)的研究重點(diǎn)[99-100]，對此，研究人員基于電池充電特性提出了健康狀態(tài)下安全快速充電策略.

文獻(xiàn)[101]提出一種基于SOC和SOH估計(jì)的安全充電策略，該策略采取對電池電壓和電流實(shí)時監(jiān)測，以對電池SOC和SOH進(jìn)行估計(jì)，從而根據(jù)電池的狀態(tài)情況調(diào)整電流倍率和充電上限電壓，該策略在提高了充電速度和安全性的同時，容易控制和易于實(shí)現(xiàn).

文獻(xiàn)[102]在均衡考慮鋰電池老化損耗和充電時間的前提下，基于電—熱—老化多參數(shù)耦合模型提出了一種能夠準(zhǔn)確表征電池自身物理及化學(xué)反應(yīng)特性的多級恒流充電策略. 該充電策略通過粒子群優(yōu)化算法將復(fù)雜充電過程轉(zhuǎn)化為一個高度非線性的多目標(biāo)優(yōu)化問題予以求解，從而得到一組最佳充電電流序列，文中所提出的優(yōu)化充電策略準(zhǔn)確地表征了鋰電池的實(shí)際工況特性，可抑制溫度升高且能夠延長電池的循環(huán)使用壽命.

文獻(xiàn)[103]采用了一種計(jì)及電池遲滯效應(yīng)的快速充電方法. 該方法的主要思路是建立電池開路電壓OCV與電荷狀態(tài)SOC的函數(shù)關(guān)系，以便于評估充電時所需的能量. 同時，根據(jù)此函數(shù)關(guān)系所得的充電能量估計(jì)值，確定快充充電電流. 此外，通過限制電壓遲滯效應(yīng)，能夠獲取高精度的OCV，進(jìn)而提高充電能量估計(jì)值的準(zhǔn)確性，縮短充電時間、提升電池壽命.

文獻(xiàn)[104]研究了一種基于保持極化電壓恒定的交替快速充電技術(shù)，定量分析了電流、荷電狀態(tài)SOC、電池老化等因素對極化電壓的影響. 通過在SOC域?qū)O化特性的分析，研究得出在包含SOC的極化電壓變化率中存在一個與電流、初始SOC、初始極化狀態(tài)和老化程度無關(guān)的拐點(diǎn)，極化電壓變化率趨于穩(wěn)定且在該拐點(diǎn)后保持一個較小值，進(jìn)而提出了一種以極化電壓為控制目標(biāo)的基于恒極化充電的模糊控制充電算法，與傳統(tǒng)CC-CV充電法相比，該充電控制算法顯著縮短充電時間，且沒有明顯的壽命損失.

文獻(xiàn)[105]提出了一種安全無損快速充電策略. 基于降維負(fù)極電位估計(jì)模型，開發(fā)了負(fù)極電位閉環(huán)觀測器，基于負(fù)極電位觀測值開發(fā)了電流在線優(yōu)化控制器及耦合控制策略，該策略根據(jù)輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)修正內(nèi)部狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電位實(shí)時精確觀測，通過自動調(diào)整充電電流，使觀測到的陽極電位始終保持在目標(biāo)值附近，既減少了充電時間，也保證了電池運(yùn)行在安全充電區(qū)間內(nèi).

3. 挑戰(zhàn)與趨勢

為了減少用戶的里程焦慮和滿足客戶充電期望這一需求，促使許多汽車制造商將快速充電能力作為電動汽車電池組的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù). 近年來，大量的研究投入到了快速充電策略的各個方面，但仍存在許多知識欠缺[106].

3.1. 當(dāng)前充電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

至今，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種充電方法，以滿足電動汽車快充所需，但每種充電方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，各種充電方法的不足之處如表 2所示.

目前使用的快速充電策略面臨的主要挑戰(zhàn)之一是充電電流的選擇. 快充條件下的充電電流倍率應(yīng)該使充電速度和電池壽命達(dá)成一種平衡，為了縮短充電時間周期，目前的方法采用高倍率電流，這使得鋰離子以更快的速度脫嵌、轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象將會導(dǎo)致電池壽命縮減，而且可能會導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，大倍率充電還會產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，影響鋰電池的快速充電能力.

現(xiàn)有的建模方法有明顯的局限性. 基于等效電路的模型，除了一些物理參數(shù)外，不能獲取關(guān)于電池內(nèi)部狀態(tài)信息，其次，獲取的信息只在限制的條件下具有可靠性. 而另一方面，全階電化學(xué)模型的高精確度使其在實(shí)時性方面不易實(shí)現(xiàn)，而在快速充電條件下，電池參數(shù)的準(zhǔn)確辨識是至關(guān)重要的. 表征電池特性的關(guān)鍵參數(shù)有電壓、電流、SOC及開路電壓，這些參數(shù)對充電電流的選擇和內(nèi)部溫度的控制具有重要意義.

3.2. 最優(yōu)快速充電策略的實(shí)現(xiàn)

如圖 4所示，充電電流倍率、析鋰副反應(yīng)、熱穩(wěn)定性等鋰電池特性相互關(guān)聯(lián)，各參數(shù)間具有強(qiáng)耦合性. 為了提高充電速度及確保安全性，應(yīng)當(dāng)精確辨識控制這些關(guān)鍵參數(shù). 許多學(xué)者提出了耦合電池模型，包括電—熱模型、電—熱—老化模型等，以獲取多目標(biāo)和最佳的充電策略. 建立準(zhǔn)確的電池模型后，制定充電時間、充電過程溫升、能力損失最小化及容量和循環(huán)壽命最大化等目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，利用多種智能優(yōu)化算法，推導(dǎo)出用于控制充電策略和電池溫度約束的最優(yōu)充電電流倍率.

針對鋰電池安全快速充電問題，存在的主要挑戰(zhàn)在于：一是電池自身能夠承受較大充電電流，這對電池極化電阻提出了更高的要求；二是電池在承受大倍率電流充電后，仍能維持良好的工作性能、循環(huán)壽命和熱安全性，這就要求電池活性材料穩(wěn)定性方面足夠可靠.

4. 結(jié)論

綜上所述，本文總結(jié)了鋰電池的充電特性，系統(tǒng)地回顧和比較了目前鋰電池的主流充電方法以及部分優(yōu)化充電策略，這些優(yōu)化充電策略在縮減充電時間、提高充電效率和延長電池使用壽命方面均有卓越的表現(xiàn)，探討了目前鋰電池快充策略的研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)，對于今后實(shí)現(xiàn)鋰電池快充的關(guān)鍵技術(shù)、策略進(jìn)行了展望.

參考文獻(xiàn) (106)

網(wǎng)址: 車用鋰電池健康狀態(tài)下快充方法研究綜述 http://www.u1s5d6.cn/newsview905288.html