鋰電池五階恒流快速充電方法研究TOC\o"1-3"\h\u35571緒論 vii1緒論1.1研究背景及意義目前，能源緊缺及環(huán)境污染問(wèn)題已變?yōu)閲?guó)際社會(huì)迫切要解決的熱點(diǎn)課題。根據(jù)目前我國(guó)的能源形勢(shì)，人均占有天然氣及石油的比例僅和世界平均水平的1/15相差無(wú)幾。可用的能源量岌岌可危是人們對(duì)能源的過(guò)渡開(kāi)采和使用導(dǎo)致的。環(huán)境污染問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重是因能源問(wèn)題產(chǎn)生的。化石原料既適合用在熱力發(fā)電領(lǐng)域，在快速交通領(lǐng)域也適用，20世紀(jì)含有煤、石油、天然氣等的化石原料是主要給予能源的質(zhì)料。空氣質(zhì)量變化和氣候變化是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪庇^感受到的，現(xiàn)代居民對(duì)清新自然和高品質(zhì)的生活環(huán)境有著很強(qiáng)烈的需求。突破人們目前依賴石油的現(xiàn)狀的是全球氣候變化及2008年的石油危機(jī)，確定了把可替代能源如太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能等轉(zhuǎn)變成電能這一新技術(shù)發(fā)展方向，并將這類可替代能源之能量用便攜式來(lái)存儲(chǔ)也是另一項(xiàng)應(yīng)該并行發(fā)展的技術(shù)。高速通信和交通進(jìn)行聯(lián)系是世界各國(guó)人民日益增加的需求，可以通過(guò)便攜式存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。便攜式能源因具有高能量密度的特點(diǎn)不僅使計(jì)算設(shè)備、娛樂(lè)和個(gè)人通信成為可能，還可以運(yùn)用于電動(dòng)汽車中，使人們的出行得到改善。近年來(lái)，運(yùn)用于交通工具中的電池已經(jīng)受了這種便攜式能源的影響。隨著中國(guó)工業(yè)化道路的推進(jìn)，在接下來(lái)的5到10年內(nèi)我國(guó)對(duì)能源的耗費(fèi)需求仍將持續(xù)增大。燃油汽車通過(guò)大量燃燒石油和天然氣把化學(xué)能和熱能轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能消耗了地球上的化石資源，而且對(duì)環(huán)境也引發(fā)了不好的影響。要達(dá)成解決自然能源日益匱乏的問(wèn)題的目標(biāo)，使得汽車工業(yè)能可持續(xù)發(fā)展，完全滿足人和環(huán)境友好和諧發(fā)展的要求，人類社會(huì)發(fā)展及進(jìn)步之必然選擇是發(fā)掘和采用清潔無(wú)污染的能源。中國(guó)正在一步步地變成汽車生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，汽車制造業(yè)將來(lái)的重點(diǎn)研究方向是發(fā)展電動(dòng)汽車。中國(guó)面臨著節(jié)能減排的重大挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車的動(dòng)力是電，與燃油汽車相比，它不但噪音小，也沒(méi)有排放存在污染性的氣體，在保護(hù)環(huán)境層面上非常有好處，優(yōu)點(diǎn)相對(duì)多一些，于某個(gè)程度上不僅能夠回收更多的能量，還能調(diào)節(jié)能源布局等。于技術(shù)層面以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面，改善城市環(huán)境和消除能源危機(jī)的最有效措施和重要途徑是發(fā)展電動(dòng)汽車，將化石燃料轉(zhuǎn)為可替代能源的關(guān)鍵是發(fā)展電池科技。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心儲(chǔ)能元件，是研究電動(dòng)汽車未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵部件，主要是為電動(dòng)汽車供給動(dòng)力來(lái)源，電動(dòng)汽車的行駛距離及工作效能是被電池直接確定的。電動(dòng)汽車的電池需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間，影響了動(dòng)力電池的充電速度和整體充放電效果，也會(huì)縮短動(dòng)力電池循環(huán)壽命，進(jìn)而使電動(dòng)汽車的推廣普及受到約束。在行駛過(guò)程中若要使電池快速達(dá)至滿電情形且完成高效之目標(biāo)，要并行考慮充電歷程中電池的電流可承受能力，在不破害電池之循環(huán)壽命的根本上，擇取并運(yùn)用適當(dāng)?shù)某潆姺椒▽?duì)電池使用壽命和性能有極大的影響。動(dòng)力電池高效快速的充電方法既會(huì)影響電池的工作狀態(tài)和循環(huán)壽命，還會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。因此，為與電動(dòng)汽車工作性能需求相符合，研究對(duì)于電動(dòng)汽車電池之高效而快速的充電方法極度重要。1.2鋰電池充電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電池充電技術(shù)主要分為以下三方面：一是電池充電方法的研究，主要就是在保證電池不受損傷的情況下，加快充電速度、提高電池使用效率；二是電池組均衡控制技術(shù)的研究。在充電過(guò)程中，采用合理的均衡控制技術(shù)能夠減小各單體電池之間容量的不一致性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命；三是電池停充控制技術(shù)的研究。對(duì)于電池充電后期，采用合理的停充控制技術(shù)，準(zhǔn)確檢測(cè)電池滿充狀態(tài)，防止電池過(guò)充、使電池能量得到最大化利用。以下是對(duì)國(guó)內(nèi)外鋰電池充電技術(shù)這三方面研究進(jìn)展的概括。1.2.1充電方法研究現(xiàn)狀為提高鋰電池使用效率，充電技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注，并且已經(jīng)研究出了多種充電方法。以鋰電池的充電效率為標(biāo)準(zhǔn)，充電方法可以分為常規(guī)充電和快速充電兩類。常規(guī)充電主要包括恒流恒壓充電、間歇充電，快速充電包括脈沖充電和智能充電。每種的充電方法充電性能各有差異。下面對(duì)這幾種方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析：恒流恒壓充電：這種方法是最為經(jīng)典，首先采用恒流方式充電，然后采用恒壓方式充電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便。但是這種充電方法沒(méi)能消除電池的極化現(xiàn)象，充電效率較低；變電流間歇充電：在限定電池最高充電電壓情況下，采用了電流分段逐漸減小的間歇充電方式對(duì)電池充電，增加了充電電流、縮短了充電時(shí)間，但是在充電后期采用的恒壓充電速度較慢；脈沖充電：它顛覆了傳統(tǒng)的電池對(duì)最佳充電曲線的限制，采用大電流脈沖充電，停充期消除了電池的極化現(xiàn)象。但是為了保證電池溫度不至于過(guò)高，前期的恒流充電電流一般較小，速度仍然較慢；智能充電：采用智能控制算法根據(jù)電池充電狀態(tài)，自動(dòng)跟蹤電池的最佳充電電流曲線，電池溫度變化小、充電時(shí)間短，但是對(duì)于算法的設(shè)計(jì)和測(cè)量精度要求較高。1.2.2均衡控制技術(shù)研究現(xiàn)狀在鋰電池生產(chǎn)制造過(guò)程中，電池的可用容量、額定電壓、內(nèi)阻等電池的特性上彼此之間會(huì)出現(xiàn)差異。而且這種差異性會(huì)隨著電池的循環(huán)使用逐漸增加，使電池出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放，減小電池容量、縮短電池壽命?？梢钥闯觯姵氐木獬潆娂夹g(shù)顯得十分重要，目前，常見(jiàn)的均衡方法主要可以分為以下五種：涓流均衡充電方法：在充電后期采用小電流均衡充電，缺點(diǎn)是均衡速度較慢；電阻并聯(lián)均衡方法：通過(guò)各單體上并聯(lián)的電阻消耗過(guò)多的能量，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生能量損耗，同時(shí)產(chǎn)生的一定的熱能；電容均衡方法：利用電容的儲(chǔ)能特性，使電池間的能量轉(zhuǎn)移，不足是開(kāi)關(guān)本身頻繁的切換會(huì)消耗掉部分能量，同時(shí)流經(jīng)電容的均衡電流比較小，均衡速度較慢；電感均衡方法：將電感作為儲(chǔ)能介質(zhì)來(lái)轉(zhuǎn)移重新分配電池之間多余能量，不足的是電感轉(zhuǎn)移能量速度較慢，難以滿足電池快速充電的要求；變壓器均衡方法：利用變壓器的能量傳遞特點(diǎn)，對(duì)連接在副邊的單體電池進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移，缺點(diǎn)是當(dāng)單體電池較多時(shí)會(huì)增加副邊設(shè)計(jì)的難度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。1.3研究?jī)?nèi)容以鋰離子電池為研究對(duì)象，分析了其工作原理、充放電特性以及影響因素，研究了鋰離子電池極化現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、原則及消除方法。介紹了現(xiàn)有快速充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)和用大電流充電來(lái)提高鋰離子電池的充電效率的難點(diǎn)，重點(diǎn)研究了五階恒流快速充電方法的原理，研究鋰離子電池RC等效電路模型來(lái)確定五階恒流電流大小的優(yōu)化值，同時(shí)適時(shí)添加間歇和負(fù)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)去電池的極化。建立鋰離子電池五階恒流快速充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)了主電路、各組成子電路以及部分軟件實(shí)現(xiàn)圖，最后搭建鋰離子電池硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了鋰離子電池五階恒流快速充電系統(tǒng)的功能。2鋰離子電池工作原理及充放電特性2.1電池工作原理鋰電池結(jié)構(gòu)主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜，其中正極材料由鋰金屬氧化物（以LiMO2來(lái)代表，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等）構(gòu)成，負(fù)極一般為石墨（C），電解質(zhì)要求具有高導(dǎo)電率、高循環(huán)效率、高穩(wěn)定性和無(wú)污染等特點(diǎn)，一般選擇LiAsF6、LiPF6、LiBF4等鋰鹽，隔膜一般為聚烯烴多孔膜。鋰電池的充放電過(guò)程其實(shí)就是鋰離子在電池正極和負(fù)極間來(lái)回移動(dòng)的過(guò)程，充電時(shí)，正極的鋰金屬化合物被電離釋放出鋰離子，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)和隔膜到達(dá)負(fù)極上，嵌套在石墨的微孔上，同時(shí)為維持電荷的平衡，外電路中的電子會(huì)流入負(fù)極；放電時(shí)，鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)方向正好相反，負(fù)極石墨中嵌套的鋰離子將被電離出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)到達(dá)正極與電子和金屬化合物重新化合形成鋰金屬化合物。充放電化學(xué)反應(yīng)式如下：正極反應(yīng)式：（2-1）負(fù)極反應(yīng)式：(2-2)總的反應(yīng)式：(2-3)其中，從左向右的過(guò)程為充電，而從右向左的過(guò)程為放電。鋰電池的充放電原理示意圖如圖2.1所示。圖2.1鋰電池充放電原理示意圖2.2充放電特性不同正極材料的鋰電池最高充電電壓不同，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4是4.2V，而LiFePO4為3.8V，為統(tǒng)一，本文設(shè)定鋰電池的最高充電電壓為4.2V，額定電壓為3.6V。鋰電池抗過(guò)充能力非常弱，電壓一般不能超過(guò)1%，就是說(shuō)充電時(shí)鋰電池的上限電壓不能超過(guò)4.242V。放電時(shí)，終止電壓為2.5V到2.7V之間，而且不能低于2.2V，否則會(huì)對(duì)電池造成不可修復(fù)的損傷。如圖2.2為充放電電流倍率較小的情況下鋰電池電壓與容量的關(guān)系曲線，充電過(guò)程中，電池電壓到達(dá)4.2V時(shí)容量達(dá)到100%，電池充滿。橫坐標(biāo)SOC（StateofCharge）為電池的剩余容量，也表示電池的荷電狀態(tài)，在計(jì)算時(shí)可以表示為電池的剩余容量除以額定容量，縱坐標(biāo)為電池電壓（CellVoltage）。從圖中可知，電池電壓與SOC是成正相關(guān)，隨著電池電壓的增加或者減小，SOC呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。從圖中還可以看出，在SOC相同的情況下，充電電壓比放電電壓高，這是電池內(nèi)部的內(nèi)阻造成的。充電時(shí)電池端電壓V0等于電池實(shí)際電壓值V加上內(nèi)阻上的壓降VR；而放電時(shí)，電池端電壓V0等于電池實(shí)際電壓值V減去內(nèi)阻上的壓降VR，這樣導(dǎo)致充放電時(shí)電池端電壓相差2VR。圖2.2鋰電池電壓與容量關(guān)系曲線在鋰電池充放電過(guò)程中，通常用C表示電池充放電時(shí)電流大小對(duì)電池容量的比率，即倍率，它與電池的容量有關(guān)，例如對(duì)于容量為1500mAh的電池進(jìn)行充電，1C表示充電電流為1.5A。如圖2.3所示，分別采用0.8C、0.5C和0.3C三種不同的電流倍率，在保證電池溫度在安全范圍內(nèi)，首先對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流充電，使電池端電壓達(dá)到上限電壓，然后采用4.2V的恒壓充電將電池充滿。從圖中可以看出，隨著充電電流的增加，充電時(shí)間越來(lái)越短，而且在恒流區(qū)充入的能量逐漸減小，恒壓區(qū)充電容量逐漸增加。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，保證電池溫度在一個(gè)可控范圍內(nèi)，通過(guò)提高充電電流可以加快充電速度。圖2.3不同充電倍率下的充電特性曲線動(dòng)力電池與普通電池的最大區(qū)別是驅(qū)動(dòng)能力就不一樣，即放電倍率不一樣，動(dòng)力電池的放電倍率要高，最大可以承受高達(dá)40C的放電電流，而普通電池放電倍率一般只有1~2C。如圖2.4為不同放電倍率下動(dòng)力鋰電池的放電特性曲線，分別采用0.2C、0.5C、1C、3C、5C和10C倍率的電流對(duì)電池進(jìn)行放電，可以發(fā)現(xiàn)，放電前期和后期電池電壓下降的速度較快，在放電中期，電池電壓變化較慢。隨著放電倍率的逐漸增加，可放出的電池容量逐漸縮小，當(dāng)以10C放電時(shí)只能放出77%左右的容量，而且電池端電壓下降速度逐漸加快。圖2.4不同放電倍率下的放電特性曲線2.3最佳充電曲線上個(gè)世紀(jì)七十年代，美國(guó)的一名科學(xué)家馬斯（J.A.Mas）首次提出蓄電池在充電時(shí)候存在最佳可接受充電電流曲線：式中，Ic為某時(shí)刻電池充電電流，I0為電池初始的充電電流，t為充電時(shí)間，α為充電接受率（其對(duì)于電池的快速充電影響很大，充電接受率α越大則電池可充電電流越大，充電效率越高）。當(dāng)今，鋰電池的各種充電方法都是以馬斯提出來(lái)的最佳充電曲線作為理論基礎(chǔ)來(lái)展開(kāi)的。如圖2.5所示為鋰電池的最佳充電曲線，隨著充電進(jìn)行，最佳充電電流呈現(xiàn)指數(shù)下降的趨勢(shì)。在充電過(guò)程中，若是充電電流高出最佳充電電流曲線，不但無(wú)法提高充電速度，反而會(huì)使電池溫度升高，增加電池內(nèi)部析氣量；若是充電電流低于此最佳充電曲線，雖然不會(huì)對(duì)電池構(gòu)成損傷，但由于充電電流降低，會(huì)降慢電池充電速度。圖2.5鋰電池最佳充電曲線3鋰離子電池五階恒流快速充電3.1鋰離子電池的快速充電方法采用適當(dāng)?shù)某潆姺椒▽?duì)鋰離子電池充電能夠提高其充電效率和速度，降低最大溫升，還能起到保護(hù)電池不受損傷，在一定程度上增加電池使用壽命的作用。3.1.1快速充電原理上世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)蓄電池進(jìn)行充電研究，首次提出電池處于恒定大小的電流充電的情況下，電池充進(jìn)去的容量若超過(guò)某一個(gè)數(shù)值，而且這個(gè)值是恒定的，會(huì)導(dǎo)致析氣現(xiàn)象發(fā)生，隨之電池的溫度會(huì)升高，繼而使電池的充電速率減慢，得出了可接受最佳充電曲線的理論，即對(duì)于充電的任一時(shí)刻蓄電池可以接受的充電電流大小為式(3-1)。(3-1)式(3-1)中，i表示蓄電池在任意的一個(gè)時(shí)間里能夠接受的電流大小，I0表示初始狀態(tài)電池最大的電流，α是蓄電池的充電接受比。時(shí)間t下蓄電池用不同充電方法充電的電流特性規(guī)律曲線如圖3.1所示。圖3.1不同充電方法下的電流特性曲線3.1.2常用的快速充電方法分析在馬斯三定律的基礎(chǔ)上，人們對(duì)快速充電方法進(jìn)行了越來(lái)越多的研究，經(jīng)過(guò)測(cè)試多種充電方法，相繼提出了一些有用的快速充電方法。譬如恒流充電法、恒壓充電法、階段充電法、間歇充電方法和脈沖充電法等。恒流充電法。這種方法具備操作簡(jiǎn)潔、控制便捷、布局簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)鋰離子電池以恒定大小的電流充電，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電電路中的電阻，或是充電電源的輸出電壓被相應(yīng)調(diào)節(jié)，來(lái)維持充電電流不變。若設(shè)置較小的恒流值對(duì)電池進(jìn)行充電，導(dǎo)致充電時(shí)間延長(zhǎng)，降低了電池的充電速度。當(dāng)用較大電流的恒定值對(duì)電池進(jìn)行充電，那么充電后期充電電流會(huì)超過(guò)馬斯提出的蓄電池最佳可接受充電電流值，導(dǎo)致電池過(guò)充，電池內(nèi)部的電解液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體，并使電池溫度迅速上升，出現(xiàn)析氣效應(yīng)，縮短了蓄電池的循環(huán)壽命，導(dǎo)致電池的極板損壞，消耗電能造成能源浪費(fèi)。恒壓充電法。給電池用大小一樣的電壓進(jìn)行充電就是恒壓充電，在整個(gè)充電過(guò)程中，電流的值會(huì)慢慢下降，充電的過(guò)程終止是當(dāng)電路中的電流值降低到預(yù)先設(shè)置好的電流大小的時(shí)候。恒流充電在充電的后期很容易損傷電池，那么恒壓充電則能夠彌補(bǔ)前者的缺點(diǎn)，能夠防止在充電的后期電路中的電流值過(guò)大，進(jìn)入充電末期電池兩端的電壓連續(xù)上升，所以延長(zhǎng)了充電要用的時(shí)間。但是在充電初期恒壓會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大的電流，使電池內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池發(fā)生極化的現(xiàn)象，過(guò)大的電流還會(huì)引發(fā)電池的極柱出現(xiàn)損傷。恒壓充電法的操作簡(jiǎn)單方便，容易實(shí)現(xiàn)，在充電中不需要調(diào)節(jié)電阻或者外圍的電源，但是不容易挑選到合適的電壓大小，在充電開(kāi)始階段電壓值過(guò)大會(huì)引發(fā)大的電流，導(dǎo)致電池?fù)p害，電壓過(guò)小可能導(dǎo)致欠充，引起電池固定所有的容量降低，減短了電池的循環(huán)壽命。恒流恒壓充電法。將以大小不變的電流充電的方式和大小一樣的電壓充電的方法合理地結(jié)合起來(lái)得到恒流恒壓充電法，這種方法具有操作容易且便捷的特點(diǎn)。在電池的充電歷程中，先給電池大小不變的電流執(zhí)行充電，這個(gè)初始大小是事先設(shè)置好的，當(dāng)設(shè)置的高電壓值被到達(dá)后，電池轉(zhuǎn)入恒壓充電階段，這時(shí)電路中的電流會(huì)一直變小，直到電流大小接近并達(dá)到設(shè)好的電流值，充電過(guò)程才終止。電池在充電的初始階段和結(jié)束階段電流的值都不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的現(xiàn)象，這是恒流恒壓充電法相比恒流充電法或恒壓充電法的優(yōu)勢(shì)。3.2五階恒流快速充電方法原理傳統(tǒng)五階恒流充電方法的原理如圖3.2所示。圖3.2傳統(tǒng)五階恒流充電方法原理鋰離子電池的總體充電過(guò)程分為5個(gè)階段，即電流I1~I5，根據(jù)馬斯充電曲線知鋰離子電池可接受充電電流的值隨著充電過(guò)程的進(jìn)行是逐漸減小的，因此I1~I5的值也是逐級(jí)減小的，I1的值最大。預(yù)先設(shè)定好鋰離子電池的限制電壓Vlim為4.2V，以及5個(gè)充電電流，充電開(kāi)始階段用電流I1進(jìn)行充電，當(dāng)檢測(cè)到電池的端電壓達(dá)到限制電壓Vlim后轉(zhuǎn)入第二階段電流的充電，若電池兩端的電壓再次達(dá)到Vlim后再進(jìn)行第三階段電流的充電，依次循環(huán)下去，直到完成5個(gè)階段的總充電過(guò)程。由于用過(guò)大的電流給鋰離子電池充電會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生極化，極化主要分為濃差極化、歐姆極化、電化學(xué)極化這三類，這些極化現(xiàn)象使得鋰離子電池的充電電流曲線沒(méi)辦法和馬斯提出的蓄電池固有的最佳可接受的充電電流曲線完全重合，進(jìn)而減慢了鋰離子電池的充電速度，縮減了電池的充電效率。根據(jù)馬斯三定律得到在鋰離子電池充電歷程中，通過(guò)施予一定程度的放電脈沖電流和短時(shí)的中止充電都能夠提高電池的可承受充電電流的能力，由此想到，在傳統(tǒng)五階恒流充電法的基礎(chǔ)上，通過(guò)在相鄰兩個(gè)充電階段之間添加逆向放電脈沖電流和停充的措施來(lái)減小或去除充電過(guò)程中的極化效應(yīng)，提高充電的速度和充電效率。因此在鋰離子電池前四個(gè)充電階段的末尾分別加上放電負(fù)脈沖和間歇，得到五階恒流快速充電方法的原理如圖3.3所示。圖3.3五階恒流快速充電方法原理3.2.1基于TM的五階充電電流優(yōu)化不同的充電電流大小組合會(huì)使得電池的充電速度以及充電效率、充入電池的電量都會(huì)有所區(qū)別，因此本文先采用田口法(TM)來(lái)尋找5階充電電流的優(yōu)化值。TM是一種質(zhì)量提升工程方法，是在正交概念的基礎(chǔ)上被研究出的，以減少產(chǎn)品的質(zhì)量損失，完善產(chǎn)品的功能特性為目標(biāo)，使產(chǎn)品獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益?；谔锟谒枷?，得到電池充電過(guò)程中的電流參數(shù)能夠通過(guò)田口法進(jìn)行優(yōu)化，田口法是一種高效而且系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，能夠大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。TM產(chǎn)品設(shè)計(jì)的因素框圖如圖3.4所示，影響響應(yīng)值即輸出值Y的因素有三種：控制因子X(jué)、信號(hào)因子S和噪聲因子N，Y表示電池性能經(jīng)三種因素作用后的輸出值，即信噪比S/N表達(dá)式的自變量FDI?？刂埔蜃覺(jué)是可控因子，為輸入量，即I1~I5；信號(hào)因子S用來(lái)反映產(chǎn)品所固有的特性，噪聲因子N是不可控因子，直接控制噪聲因子的代價(jià)較大，所以可以通過(guò)控制可控因子I1~I5的水平，來(lái)提高電池的充電速度和提升充電效率，即優(yōu)化鋰離子電池的充電電流值來(lái)提升充電性能，根據(jù)FDI求得信噪比S/N后再計(jì)算得到優(yōu)化的五階充電電流大小。圖3.4產(chǎn)品因素框圖在TM中占據(jù)最主要而且重要地位的是參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的方法即參數(shù)設(shè)計(jì)，充電中五個(gè)電流水平的優(yōu)化是由參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)確定的。而進(jìn)行正交設(shè)計(jì)能夠?qū)さ脜?shù)設(shè)計(jì)中與最優(yōu)化點(diǎn)相接近的點(diǎn)。正交設(shè)計(jì)為研究和處理因素較多情形下實(shí)驗(yàn)的一種科學(xué)方法，通常只需要考慮全因子組合的一部分，可以對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估，然后對(duì)任一因子的各個(gè)水平進(jìn)行平衡比較。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，雖然利用正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)次數(shù)大大減少，但得到的優(yōu)化參數(shù)結(jié)果與全因子實(shí)驗(yàn)法得到的結(jié)果十分相近，所以按照正交表執(zhí)行電池充電的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。同水平正交表具有如下兩個(gè)特點(diǎn)：均衡分散性：每一列中每樣數(shù)字展示一樣的數(shù)量。整齊可比性：隨便兩列中所有有序數(shù)字均呈現(xiàn)一致的次數(shù)。3.2.2基于鋰離子電池RC等效電路模型的五階充電電流再優(yōu)化TM確定了五階恒流快速充電方法中的五階電流的大小，據(jù)此對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，能在一定程度上縮短充電需要的時(shí)間，并提高充電的效率，但是未能在更短的時(shí)間內(nèi)使電池的容量達(dá)到滿充容量，因此采用鋰離子電池RC等效電路模型推算出的優(yōu)化充電方法繼續(xù)優(yōu)化經(jīng)過(guò)TM優(yōu)化得出的電流值進(jìn)而得到充電電流最終的優(yōu)化值，通過(guò)此優(yōu)化值給電池充電不僅可以提高電池的充電速度，而且在短時(shí)間內(nèi)將電池充滿。圖3.5所示是鋰離子電池的RC等效電路模型。圖3.5鋰離子電池的RC等效電路模型UT表示當(dāng)電流I流過(guò)鋰離子電池時(shí)電池的端電壓(V)，RB表示電池的電阻(Ω)和CB表示電池的電容(F)。UT可表示為式(3-5)。(3-5)(3-6)(3-7)U表示電池的初始電壓(V)，根據(jù)式(3-5)至(3-7)可得式(3-8)。(3-8)鋰離子電池五個(gè)階段恒電流充電所需要的總時(shí)間為式4電動(dòng)汽車鋰電池五階恒流快速充電方法實(shí)驗(yàn)與分析4.1實(shí)驗(yàn)條件本文的快速充電系統(tǒng)被正式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之前，要首先驗(yàn)證本文所研究之基于ITM的五階恒流快速充電方法的有效性，并且設(shè)計(jì)了幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法有效，這些實(shí)驗(yàn)主要包括基于ITM的五階恒流快速充電方法中優(yōu)化充電模式的確定實(shí)驗(yàn)，用本文設(shè)計(jì)的快速充電方法充電與幾個(gè)傳統(tǒng)充電方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。本設(shè)計(jì)選用的多功能電池測(cè)試儀的型號(hào)是Arbin-BT2000，用此款多功能電池測(cè)試儀來(lái)測(cè)試本文設(shè)計(jì)的快速充放電系統(tǒng)的功能。通過(guò)用BT2000測(cè)試儀執(zhí)行編程，可以達(dá)至恒流或恒壓充電、恒流變換成恒壓充電、脈沖電流的充放電、恒流放電、循環(huán)充放電等目標(biāo)，而且該多功能測(cè)試儀還具有任意可編程的功能。運(yùn)用Arbin-BT2000多功能測(cè)試儀的快速充電系統(tǒng)充放電的限制條件包括截止容量、截止電壓、截止電流、溫度、截止時(shí)間等系統(tǒng)的這些全部參考數(shù)據(jù)。BT2000測(cè)試儀不僅可以實(shí)時(shí)地顯示測(cè)量得出的數(shù)據(jù)以及計(jì)算值，還具有自動(dòng)繪制曲線的功能。但由于模糊控制可以實(shí)現(xiàn)的功能Arbin測(cè)試儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的快速充電系統(tǒng)中所有模糊控制實(shí)現(xiàn)所需功能的部分都只有通過(guò)人為操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如設(shè)定跳轉(zhuǎn)條件、停充時(shí)間等。本設(shè)計(jì)包括三個(gè)模糊控制器，一個(gè)模糊控制器是用于求解優(yōu)化充電模式中的電流優(yōu)化值，需要將該優(yōu)化的五階電流值人為設(shè)置進(jìn)去多功能測(cè)試儀中執(zhí)行電池的充電過(guò)程；另外兩個(gè)模糊控制器是為實(shí)現(xiàn)去電池極化的目的，它們的輸出分別是析氣點(diǎn)電壓以及實(shí)行負(fù)脈沖放電的時(shí)間寬度，設(shè)定電池端電壓超過(guò)析氣點(diǎn)電壓后先將電池停充一段時(shí)長(zhǎng)后再開(kāi)始給予電池反向電流放電，若檢測(cè)到析氣點(diǎn)電壓不小于電池兩端的電壓，則立即停止放電，間歇一定時(shí)間后跳轉(zhuǎn)到繼續(xù)充電過(guò)程，停充或停放的時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)加大電池的充電時(shí)間，因此停充合適的時(shí)間需根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，當(dāng)定好后此時(shí)間將設(shè)置進(jìn)入Arbin作為電池處于停充或停放狀態(tài)的時(shí)間。采用如圖4.1所示的鋰離子電池快速充放電測(cè)試平臺(tái)完成本章的實(shí)驗(yàn)。測(cè)試平臺(tái)主要由Arbin-BT2000、中控電腦、溫控箱以及鋰離子電池組成。測(cè)試用的鋰離子電池的容量均為2500mAh/3.6V，且具有相同的初始SOC，4.2V被置成電池充電歷程中的終結(jié)電壓，放電截止電壓須要比2.5V大，且設(shè)?20°C~60°C為放電溫度之區(qū)間。分別將傳統(tǒng)五階恒流充電方法、基于TM的五階恒流快速充電方法、基于ITM的五階恒流快速充電方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，進(jìn)而本文設(shè)計(jì)的快速充電系統(tǒng)的高效性能得到驗(yàn)證?？紤]到鋰離子電池的安全性原則以及工作特性，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也要記錄電池的充電時(shí)間、充電容量以及電池的溫升，若檢測(cè)到電池兩端的電壓達(dá)到4.2V，則結(jié)束充電，電池達(dá)到滿充后，靜置一段時(shí)間后再以1C的電流倍率進(jìn)行恒電流放電，同時(shí)也要記錄放電的時(shí)間和放電容量。按照充放電容量得到電池的充電效率，如式(4-1)所示。(4-1)式(5-1)中，η表示在總體充電過(guò)程中電池的充電效率，Cdis是電池的放電容量，Cch代表電池的充電容量。圖4.1鋰離子電池快速充放電測(cè)試平臺(tái)4.2五階恒流快速充電方法優(yōu)化充電模式參數(shù)的確定4.2.1五階充電電流優(yōu)化值的確定實(shí)驗(yàn)中使用3.6V/2500mAh的鋰離子電池，在圖4.1所示的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行電池充放電測(cè)試，確定基于ITM的鋰離子電池五階恒流快速充電方法的充電電流優(yōu)化值。在五階恒流快速充電方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)多功能測(cè)試儀上對(duì)電池執(zhí)行充放電實(shí)驗(yàn)，第一輪充電過(guò)程的電流水平設(shè)置值如表4.1所示。第一輪充放電過(guò)程結(jié)束后得到kcrT、kcrC的值輸入模糊控制器3來(lái)得到FDI值，根據(jù)FDI值估算信噪比(S/N)。為了找到當(dāng)前充電過(guò)程中每個(gè)階段電流的優(yōu)化值，I1?I5這5個(gè)因子的影響是由第4章中的式(4-7)推算出。第一輪實(shí)驗(yàn)后的因子影響如圖4.2所示。從圖4.1可以看出，能使成本函數(shù)值最大的電流水平組合是[1.3C，1.15C，1C，0.55C，0.5C]。圖4.2第一輪實(shí)驗(yàn)后的因子影響圖4.3第二輪實(shí)驗(yàn)后的因子影響從圖5.3可知，使成本效益函數(shù)最大的因子水平組合是[1I(1)，2I(1)，3I(1)，4I(1)，5I(3)]，因子影響是越大越好，因此第二輪充放電實(shí)驗(yàn)完成后得到的充電值分別是[1.35C，1.15C，1C，0.6C，0.4C]。4.2.2間歇時(shí)間的確定當(dāng)對(duì)鋰離子電池提供正恒流充電結(jié)束后，進(jìn)行負(fù)脈沖放電時(shí)，需要在正恒流與負(fù)脈沖之間停充一定時(shí)長(zhǎng)，即添入間歇，可以有效地除去電池充電歷程中的極化反應(yīng)。倘若停充的時(shí)間間隔特別久，雖使得去極化的效果更好，但是延長(zhǎng)了總體的充電時(shí)間，這樣就不符合本文中快速充電的要求，但是假使間歇的時(shí)間太短，又會(huì)實(shí)現(xiàn)不了去除極化的目標(biāo)，因此電池的充電過(guò)程受間歇時(shí)間長(zhǎng)短的影響，所以本文將采用幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)決定停充的時(shí)間大小。在開(kāi)始執(zhí)行實(shí)驗(yàn)之前，選取初始態(tài)SOC=0的鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)選定10ms、50ms、100ms、500ms、1s、10s這些間歇時(shí)間分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的對(duì)比結(jié)果如表4.1所示。表4.1停充時(shí)間實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果停充時(shí)間(ms)1050100500100010000電池端電壓降(V)0.1600.2230.2820.3390.3980.440從表4.1得出，按照數(shù)據(jù)來(lái)分析，電池兩端電壓的下降值跟隨停充時(shí)間的延長(zhǎng)而加大，給予越長(zhǎng)的間歇時(shí)間，鋰離子電池的端電壓下降得越厲害，若供給的停充時(shí)間太長(zhǎng)，又達(dá)不到快速充電的目標(biāo)。雖然提供10s的間歇時(shí)間能夠讓電池兩端的電壓下降0.440V，但大大加長(zhǎng)了整體的充電時(shí)間，與快速充電的條件相悖。停充對(duì)正恒流與負(fù)脈沖的切換具有緩沖效果，還在一定程度上去除電池的極化效應(yīng)，所以本文將停充的時(shí)間設(shè)成1s不僅沒(méi)有延長(zhǎng)充電時(shí)間，還實(shí)現(xiàn)了去極化的目的。4.2.3負(fù)脈沖幅值的確定鋰離子電池充電的歷程中會(huì)發(fā)生極化，通過(guò)給予電池負(fù)脈沖電流來(lái)去極化，消除極化效應(yīng)的效果與負(fù)脈沖的幅值有著重要的聯(lián)系，假使負(fù)脈沖的幅值過(guò)大，可能會(huì)損壞電池，倘若負(fù)脈沖電流的幅值過(guò)小，那么消除極化的效果就不太理想。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，設(shè)定鋰離子電池的SOC=0，這樣就使得實(shí)驗(yàn)條件統(tǒng)一，本文取用大小分別是0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C的電流倍率對(duì)鋰離子電池施行放電實(shí)驗(yàn)，測(cè)量在執(zhí)行負(fù)脈沖電流放電前后的鋰離子電池溫度增高的值和電池兩端電壓的下降值，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表4.2所示。表4.2負(fù)脈沖幅值確定實(shí)驗(yàn)負(fù)脈沖幅值(C)溫升(°C)脈沖放電前后電池端電壓壓降(V)0.2C00.2410.5C00.4571C00.5421.5C30.6382C61.048根據(jù)表4.2能夠得出，分別給以鋰離子電池0.2C、0.5C以及1C實(shí)施放電的時(shí)候，電池的溫度基本上沒(méi)有變化，放電前后的溫差為0，而運(yùn)用1.5C的電流放電使得電池的溫度增高了3°C，選取2C的放電電流實(shí)行放電引起電池的溫度上升值是6°C。按照數(shù)據(jù)結(jié)果能得知，如果擇取大電流給鋰離子電池放電將導(dǎo)致電池的溫度一直變高，在充電歷程中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)雖然會(huì)將產(chǎn)生的熱量吸收掉一部分，但因?yàn)椴捎么箅娏鹘o鋰離子電池放電，會(huì)因電池的內(nèi)阻而產(chǎn)生大量的熱量，電池化學(xué)反應(yīng)吸收的熱量比內(nèi)阻上生成的熱量多特別多，所以倘若供給電池持續(xù)的而且幅值比較大的負(fù)脈沖電流，電池的放電會(huì)出現(xiàn)尤其多的熱量，造成電池的循環(huán)壽命大大下降。另外，放電負(fù)脈沖的幅值越大，也使得供給鋰離子電池負(fù)脈沖放電前與放電之后電池兩端的電壓降低。按照上述的分析，根據(jù)電池的溫升值和端電壓的壓降大小，為了不產(chǎn)生明顯的溫度變化，本文確定選用的負(fù)脈沖的幅值是電池放電前后的壓降相對(duì)大的1C電流值。因此，基于ITM的鋰離子電池五階恒流快速充電方法的優(yōu)化充電模式包括優(yōu)化充電電流值[1.35C，1.15C，0.64C，0.44C，0.3C]，1s的間歇時(shí)間，以及1C即2.5A的負(fù)脈沖幅值，去極化負(fù)脈沖的施予時(shí)機(jī)及寬度均由模糊控制器供給。4.3五階恒流快速充電方法與其他充電方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于ITM的五階恒流快速充電方法的優(yōu)越性，將該設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的五階恒流充電方法以及基于TM的五階恒流快速充電方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。利用圖4.1所示的鋰離子電池測(cè)試平臺(tái)來(lái)執(zhí)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，要確保對(duì)比實(shí)驗(yàn)具有一致性，選取標(biāo)稱電壓為3.6V且額定容量為2500mAh的鋰離子電池為實(shí)驗(yàn)所用，電池在充電的起始情形下荷電狀態(tài)等于零?；贗TM的五階恒流快速充電方法各階段的充電電流倍率分別設(shè)為1.35C、1.15C、0.64C、0.44C、0.3C，間歇時(shí)間定為1s，放電脈沖的幅值設(shè)置成1C，而什么時(shí)候給負(fù)脈沖以及負(fù)脈沖持續(xù)放電多久都有模糊控制器根據(jù)電池的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提供；基于TM的五階恒流快速充電方法五個(gè)階段的充電電流倍率分別是1.35C、1.15C、1C、0.5C、0.3C，其間歇時(shí)間和負(fù)脈沖的幅值與前一種方法的設(shè)置相同；傳統(tǒng)的五階恒流充電方法充電電流值分別設(shè)成1.35C、1.15C、0.64C、0.44C、0.3C，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出三種充電方法充電過(guò)程中的電壓變化曲線如圖4-4所示。圖4-4三種充電方法的充電電壓變化曲線根據(jù)圖4-4得知，本文設(shè)計(jì)的方法所用的時(shí)間最少，是由于模糊控制器執(zhí)行去極化措施，而且充電過(guò)程中采用適當(dāng)?shù)耐３洌黾恿穗姵叵聜€(gè)階段能接受的最大的充電電流，因而大大縮短了充電時(shí)間，并且采用TM和根據(jù)鋰離子電池RC等效電路模型得出的優(yōu)化充電電流使得電池消耗的充電時(shí)間更短?；赥M的五階恒流快速充電方法也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的快速充電，而傳統(tǒng)的五階恒流充電方法沒(méi)能很好地消除充電過(guò)程中的極化效應(yīng)而降低了電池可以接受的最大充電電流，延長(zhǎng)了充電時(shí)間，提升了電池的最大溫升。5結(jié)論隨著能源短缺問(wèn)題和環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，作為綠色環(huán)保交通工具的電動(dòng)汽車得到了大力發(fā)展。而電動(dòng)汽車必備的儲(chǔ)能元件是二次電池，該類型電池的種類有多種，比如鉛酸蓄電池、Ni-Cd電池、Ni-MH電池、鋰離子電池等，與其他幾種電池相比較，鋰離子電池具有更加優(yōu)越的性能，并被廣泛推廣并運(yùn)用在交通、通訊、航天等領(lǐng)域。鋰離子電池的安全、高效而且快速的充電方法針對(duì)其的使用極其關(guān)鍵。選取合適的快速充電方法不僅可減少鋰離子電池的充電時(shí)間，還能提高電池的充電效率，降低電池最大溫升，延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)環(huán)境造成少的污染，減少成本。目前存在的一些快速充電方法存在一定的不足，所以本文為了達(dá)到鋰離子電池的快速充放電的目的，進(jìn)行了下述工作：分析了本課題的背景以及研究意義，研究了鋰離子電池和電池的快速充電方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、電池復(fù)雜的充電過(guò)程以及待解決的電池快速充放電方法中的難點(diǎn)問(wèn)題；對(duì)不一樣種類的二次電池的特點(diǎn)作比較，選取性能更好的鋰離子電池用作本文研究的對(duì)象。分析了鋰離子電池的基本工作原理和電池充放電的具有的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了產(chǎn)生極化現(xiàn)象的原理，電池的析氣特性和兩者在電池充電歷程中發(fā)揮的不良作用。在極化效應(yīng)和析氣特點(diǎn)的基礎(chǔ)上本文研究消去電池極化的方法和必須注意的事項(xiàng)和依據(jù)；研究了蓄電池快速充電的基礎(chǔ)理論，分析了現(xiàn)有的一些快速充電方法的優(yōu)勢(shì)和不足。以電池的五階恒流充電方法為研究基礎(chǔ)，研究了基于ITM的五階恒流快速充電方法。首先研究了正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化充電電流原理和基于鋰離子RC等效電路模型的優(yōu)化充電電流原理，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出五階電流的優(yōu)化值、正負(fù)脈沖間的間歇時(shí)長(zhǎng)和去極化脈沖的幅值，得出給電池充電的優(yōu)化充電模式，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出了本文所提充電方法的有效性。參考文獻(xiàn)宋慶華.一款線性鋰電池充電管理芯片的設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué),2015.MAbdel-Monem,KTrad,NOmar,etal.Influenceanalysisofstaticanddynamicfast-chargingcurrentprofilesonageingperformanceofcommerciallithium-ionbatteries[J].E