摘要：近年来，我国对锂离子电池的需求不断增加，为了提高电池的充电速度和降低极化对电池性能的影响，本研究提出一种基于模糊控制技术的恒定电池极化电压的充电方法。分析了充电方式对充电电流、充电深度、极化状态和循环性能等方面的影响，并研究了恒定电池极化电压充电方法，同时与传统恒流－恒压充电方法进行比较，分析结果显示本研究的充电方法可以有效提高电池的充电速度、降低电池升温程度，并同时有利于电池的循环寿命提高。
关键词：锂离子电池;极化电压;模糊控制技术;充电速度
引言
锂离子电池因能量密度高、使用寿命长、节能环保等优点而成为电动汽车动力电池的首选。但由于参数随条件的变化，锂离子电池在实际应用中仍然存在一些挑战。低温环境下锂离子电池的可用容量急剧下降，会直接影响电动汽车的续航里程，而且电池充电变得更加困难，输出功率大幅下降，严重时难以达到正常工况要求。锂离子电池的使用寿命与众多因素相关，低温下按常规策略充电容易出现析锂现象，这将严重影响电池的寿命。因此，对锂离子电池进行低温加热，改善低温充电性能和使用性能十分必要。
1极化电压产生机理
在充放电过程中，在电极与电极、电极与电解液间存在电化学反应和锂离子浓度差，产生了电化学极化和浓差极化，反应速率由二者最慢的决定，这两种极化的本质都是锂离子在正负极间来回嵌入与脱嵌，造成电池内部锂离子浓度局部的不均匀，对外表现为电压差。
2极化电压的计算方法
为了更好地描述锂离子电池的化学反应原理，图1给出锂离子电池Thevenin等效电路图。其展示了锂离子电池的化学反应原理和电流输出特性。图1中，Ｒ1代表电池内阻，Ｒp1代表电荷在电池正负极表面所形成膜内的转移阻抗，Cp1代表电池正负极界面形成的双电层电容，Ｒp2代表电荷在电极和电解液内部的扩散阻抗，Cp2代表与浓度扩散相关的电容，V0为电池电压，I为电池电流，OCV为电动势，V1代表阻抗压降，Vp代表极化电压。
图1锂离子电池Thevenin等效电路图
根据图1模型，充电时极化电压表达式为:
通过式(1)可以看到，通过实验测量得到V0和I，再通过小电流充放电，最终可以得到电动势OCV和直流内阻ＲΩ，从而得到充电时的极化电压。通过图1还可以给出极化电压与电池端电压和阻抗的关系，如式(2)、式(3)所示:
式中：
表示充电时电池端电压，
表示放电时电池端电压式(2)+式(3)取平均值得到：
研究认为，当外面环境温度不变时，可以认为电池内阻ＲΩ是恒定的。通过如下计算可以得到电池内阻ＲΩ:突然停止正在恒流充电的电池，记录电池在此瞬时的电压压降和电流的变化。通过电压压降与电流压降的比值从而可以得到直流内阻:
综上，结合式(1)～式(5)，可以计算得到Vp－SOC曲线。
3变频变幅自加热策略实验验证
低温下电池寿命衰退的主要原因是电池析锂，故在选择交流电参数时，不仅要考虑其对电池产热功率的影响，还需考虑其是否造成电池析锂。在变频变幅交流加热后期，最佳加热频率下电池内阻较小，若保证恒定的极化电压，则电流幅值较大。但影响析锂的主要因素是法拉第电流的幅值，由于电池的大电流幅值是瞬时的，且大部分电流都是通过非法拉第路径（电双层），故法拉第电流非常小，析锂的可能性很低。另外，在高频交流电下，电化学极化及浓差极化将得到抑制，电池的电压变化主要是由欧姆压降引起的，这不会造成电池析锂，故恒定极化电压的交流加热不会产生电池析锂。
4模糊控制恒定极化充电依据
由于影响充电极化电压的因素不仅包括线性部分还包括非线性系数，然而，非线性因素是一个变量。为了解决这个问题，采用模糊控制算法控制充电极化电压。模糊控制法的优点是对过程参数的变化有较强的适应性，可以计算精密度不高的信息，有利于实现过程的非线性监控。电池极化主要有欧姆、浓差和电化学3种，可以通过控制充电电流，间接调控电解液浓度和电极反应速率，从而实现电池极化电压的控制。电池在不同SOC阶段的充电电流不同，锂离子电池在初始充电阶段时用较大充电电流充电，对应较小的极化电压，同时合理增大充电电流，提高充电速率，从而缩短充电时间。在锂离子电池不同的SOC阶段内，尽量调节充电电流最大，进而形成最小的极化电压。
5实验分析
采用70Ah软包装LiCoO2电池进行本实验研究，基于模糊控制方法对电池充电，过程中通过控制充电电流保持电池的极化电压恒定不变。图1是采用模糊控制恒定极化方法的充电曲线。可以看出，刚开始充电时(0到300s)，充电电流从0剧烈增大到90A。随着充电的进行，当充电时间在300s～3500s间，电流基本恒定。当充电到3500s之后，由于充电基本完成，这段时间内的电流急剧下降。这个过程可以分析出，在充电初期，模糊控制有一定的滞后性，但其仍能够有效的稳定极化电压在设定值处，通过调节充电电流保持极化电压的稳定。
图1模糊控制恒定极化方法充电曲线
为了研究模糊控制的恒定极化充电方法对电池充电性能的影响，我们分别对3个70Ah软包装LiCoO2电池分别进行了不同充电模式的实验。具体过程如下:充电方式1采用本研究提出的模糊控制恒定极化方法。充电过程中极化电压设定为20mV并保持不变，此过程通过控制充电电流密度时间。当电池充电至容量达到100%时，充电过程结束。然后电池在0．2C电流下放电，直到电池端电压降低到3．0V结束。本实验充放电循环50次。充电方式2采用0．2C的电流进行恒流恒压充电。放电过程与电池1相同，充放电循环50次。充电方式3采用1．0C电流进行恒流恒压充电。放电过程与电池1相同，充放电循环50次。以上实验都在室温25℃之下进行。结果显示，这3种充电方式都可以完成电池的100%充电。其中，采用模糊控制恒定极化方法对电池充电，仅用5010s就可以完成。实验过程中检测到的最大电池升温仅为5℃。当采用恒流－恒压充电方法(充电电荷量为0．2C)时，电池的充电完成时间延长到9580s，测量到最大电池升温是4℃。虽然采用充电方式2的电池充电时间变长，但其温升程度变小。当采用1．0C的恒流－恒压充电方法时，虽然电池的充电时间降低到4290s，但同时电池升高温度高达7℃。综上，采用恒流－恒压方法时，随着充电电流密度的增大，电池充电速度提高，但同时电池放热明显增大，从而导致电池安全性能变低。采用模糊控制恒定极化方法比采用恒流－恒压充电方法的充电时间要短，同时模糊控制恒定极化方法可以有效的平衡充电速度和电池的安全性能，具有很好的综合性能。
结束语
综上所述，极化电压平稳期随着放电倍率的增大而缩短，在放电初期和末期，极化电压与放电电流倍率呈指数变化关系，SOC越小，极化电压增长越快。极化电压随着温度的降低而增大，平稳期缩短，极化电压存在明显的累计现象，放电容量减小。
参考文献
［1］姚雷，王震坡．锂离子动力电池充电方式的研究［J］．汽车工程，2015，38(1):72－77．
［2］何亮明，杜翀．基于压降补偿的锂离子动力电池恒流充电方法［J］．电源技术，2015，39(6):1155－1157．
［3］吕涛，施伟斌，范坤坤．WSN节点电池供电性能测试研究［J］．传感技术学报，2013，38(10):12－18．
［4］潘盛辉，丁修乘，郭毅峰．锂离子动力电池脉冲快速充电实验研究［J］．电源技术，2016，46(6):1172－1175．
论文作者:季则彩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
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