CN113410530B - 一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，包括：基于电池的n阶RC等效电路模型，定义极化程度的时间连续表达式，所述极化程度的时间连续表达式表征了极化程度随充电电流的变化而变化；在充电过程中，采集电池的实时外特性参数；将所述充电过程分为两个阶段进行控制：在第一阶段，根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，并基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，以调整极化程度，使极化程度逼近所述目标极化程度；当第一阶段充电达到截止电压后进入第二阶段，转换为恒压充电直至电池满充。

Description

一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法
技术领域
本发明涉及电池快速充电技术领域，具体涉及一种对电池极化程度进行量化并实时追踪及控制的电池快速充电方法。
背景技术
在工业环境和日常使用场景中，以锂离子电池为代表的二次电池的充电过程需要达到较高的充电效率与安全性需求，基于此，大量研究者提出了多种充电方法，并从不同的目标维度对充电过程中的电流、电压等相关参数实施优化。
目前，锂离子电池充电方法可大致分为五类：恒流恒压(CC-CV)充电、多段恒流充电、脉冲充电、智能充电和其他充电方法。不同类别的充电方法中，较为典型的应用研究及其优缺点归纳在如下表1中：
表1
Figure GDA0003640421060000011
Figure GDA0003640421060000021
锂离子电池充电优化方案指定一般从三个维度来考虑：提高充电效率(单位时间充入电量)，降低温升(额外能量损耗)，延长电池使用寿命。从本质上看，充电效率的高低取决于电池对充电电流的接受能力，即内部极化分压的大小，因此上述大多数充电方法都考虑到了极化电压，但大多数是将其作为边界条件而非从极化本身去定量表征极化，这样一来，若电池极化程度持续过低，电池充电效率得不到保障；而若极化程度过高，温升加剧，内部极化分压严重，充电效率反而会下降甚至会引起热失控。
发明内容
目前考虑极化电压的充电方法，一方面是没有从极化本身去定量表征极化而导致难以实时追踪极化程度，无法精确控制极化程度；另一方面是全程将极化电压作为控制量，未考虑在充电过程末期，电池进入极化敏感区，极化电压对电池端电压造成的波动变大，电压超冲会造成电池性能衰退的可能性，而且调控频率不够敏捷。鉴于此，本发明对电池极化程度进行量化并实时追踪及控制，提出一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，以解决现有的充电方法存在的上述问题。
一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，包括：基于电池的n阶RC等效电路模型，定义极化程度的时间连续表达式，所述极化程度的时间连续表达式表征了极化程度随充电电流的变化而变化；在充电过程中，采集电池的实时外特性参数；将所述充电过程分为两个阶段进行控制：在第一阶段，根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，并基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，以调整极化程度，使极化程度逼近所述目标极化程度；当第一阶段充电达到截止电压后进入第二阶段，转换为恒压充电直至电池满充。
本发明提供的上述技术方案，将电池的极化程度进行量化，作为充电过程的主要控制量进行追踪并实时精密调控，保证极化程度尽量稳定在目标极化程度及其附近的合理区间内，确保电池均匀的电流(功率)接受能力，在控制电池发热、保证电池充电安全的同时，提高了充电效率。
更进一步地，所述电池的n阶RC等效电路模型包括：开路电压源，串联在干路中的欧姆极化电阻R0，以及串联在干路中的n阶RC环节；其中，电阻R0表征欧姆极化，与所述开路电压源串联而接入电压；所述n阶RC环节由表征浓差极化与电化学极化的极化电阻Rp,i和表征浓差极化与电化学极化的极化电容Cp,i并联形成，电阻Rp,i与电容Cp,i并联后与所述开路电压源串联而接入电压；其中i为正整数且i∈[1,n]。
更进一步地，极化程度的时间连续表达式的定义过程包括：
首先，将电池的极化程度定义为在相同的荷电状态水平下，电池的实时极化电压与标定的基准极化电压的比值，即：
Figure GDA0003640421060000031
可见，极化程度是关于荷电状态SOC的函数；
其次，电池的n阶RC等效电路模型的极化电压时间连续表达式为：
Figure GDA0003640421060000032
其中，up(t)为t时刻的极化电压，n阶RC等效电路模型中第k组RC环节的时间常数τk＝RpkCpk，Rpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电阻，Cpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电容，upk(0)表示第k组RC环节的初始极化电压，i(t)表示t时刻的充电电流；
假设当电池充电至t时刻时，已有k组RC环节达到饱和状态，存在：
t＞aτk＞aτk-1＞…＞aτ1
其中，a的取值范围3～5；
则此时的极化电压为：
Figure GDA0003640421060000041
其中，up(0)表示电池的初始极化电压，m表示已饱和的RC环节的编号，x表示未饱和的RC环节的编号，Rpm表示已饱和的RC环节的极化电阻值，Rpx表示尚未饱和的RC环节的极化电阻值，τx表示尚未饱和的RC环节的时间常数；
对极化电阻系数项进行线性简化，令：
Figure GDA0003640421060000042
最后，得到所述极化程度的时间连续表达式：
Figure GDA0003640421060000043
其中，DOP(t)表示电池充电过程中t时刻的极化程度，ups(SOC)为标定的基准极化电压曲线。可见在充电过程中，电池的极化程度随充电电流的改变而改变，在充电过程中通过调整充电电流即可调整电池的极化程度。
更进一步地，基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，包括：当计算出的实时极化程度小于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过低，并提高充电电流，以提升极化程度；当计算出的实时极化程度大于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过高，并降低充电电流，以降低极化程度；当计算出的实时极化程度与所述目标极化程度之间的偏差绝对值小于或等于1时，采用一次函数对充电电流进行实时微调，以保持稳定追踪。
更进一步地，基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差来实时调整电池的充电电流，通过如下的三阶段变速跟踪算法来实现：
Figure GDA0003640421060000051
上式表征了根据当前时刻t的实时极化程度DOP(t)与目标极化程度DOPs之间的偏差，调整下一时刻充电电流i(t+1)。
更进一步地，在所述第一阶段还设置了如下的过载保护机制：当根据所述偏差调整后的充电电流超过预设的充电电流上限，则输出所述充电电流上限作为下一时刻充电电流，当调整后的充电电流所对应的端电压超过预设的充电截止电压时，输出所述充电截止电压作为对应的下一时刻端电压；以避免电池过载。
更进一步地，采集的所述实时外特性参数包括实时的充电电流和端电压，根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，包括：根据实时的充电电流i(t)和端电压u(t)，以及电池的开路电压uoc(t)，计算实时极化电压，求得的实时极化电压与标定的基准极化电压的比值即为实时极化程度，用公式表示为：
Figure GDA0003640421060000052
其中，i(t)表示t时刻采集的实时充电电流；u(t)表示t时刻采集的实时端电压；ups(t)表示在t时刻的荷电状态下所对应的基准极化电压，通过事先标定的基准极化电压曲线获得。
更进一步地，所述基准极化电压曲线的标定过程包括：在恒定温度环境下，基于电池的一阶RC等效电路模型在固定倍率的恒流-恒压充电方式下得到标定的基准极化电压曲线。
更进一步地，还包括：建立电池的n阶RC等效电路模型之后，进行模型参数辨识，包括：基于电池的RC等效电路模型，通过端电压关于电流激励的瞬时响应拟合得到所述模型参数，即欧姆极化电阻、表征浓差极化与电化学极化的极化电阻以及表征浓差极化与电化学极化的极化电容。
更进一步地，根据电池的充电时间与温升之间的平衡要求，将所述目标极化程度预设为2～3.5。
附图说明
图1是本发明实施例一种考虑极化程度的锂离子电池快速充电方法硬件平台与数据流示意图；
图2是本发明实施例中所采用INR18650-33G型电池的OCV-SOC曲线；
图3是本发明实施例中所采用INR18650-33G型电池充电过程的基准极化电压曲线；
图4是本发明实施例实验对比与验证方案；
图5是上限电流为1.5C的CDOP-CV充电实验结果；
图6是CDOP-CV与CC-CV全过程的充电电流、端电压和SOC对比；
图7是CDOP-CV与CC-CV充电全过程的电池表面温度和DOP对比；
图8是戴维南模型与n阶RC等效电路模型的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明实施例提出一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，首先基于电池的等效电路模型定义电池的极化程度并量化表征；然后对电池充电过程分阶段控制，在充电过程中实时采集电池参数，在充电第一阶段根据电池的实时参数计算实时极化程度，进行极化程度的跟踪和调整以使极化程度稳定在合理区间，确保电池具有均匀的电流接受能力，从而使得电池发热得以控制，在控制电池温升、确保安全的情况下实现了电池充电效率的提升。
本发明实施例提出的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，包括：基于电池的n阶RC等效电路模型，定义极化程度的时间连续表达式，所述极化程度的时间连续表达式表征了极化程度随充电电流的变化而变化；在充电过程中，采集电池的实时外特性参数；将所述充电过程分为两个阶段进行控制：在第一阶段，根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，并基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，以调整极化程度，使极化程度逼近所述目标极化程度；当第一阶段充电达到截止电压后进入第二阶段，转换为恒压充电直至电池满充。
建立电池的一阶RC等效电路模型，或称戴维南等效电路模型，并拓展至n阶。参考图8，n阶RC等效电路模型包括：开路电压源uoc，串联在干路中的欧姆极化电阻R0，以及串联在干路中的n阶RC环节。电阻R0表征欧姆极化，与开路电压源串联而接入电压；所述n阶RC环节由表征浓差极化与电化学极化的极化电阻Rp,i和表征浓差极化与电化学极化的极化电容Cp,i并联形成，电阻Rp,i与电容Cp,i并联后与所述开路电压源串联而接入电压；其中i为正整数且i∈[1,n]。根据基尔霍夫第二定律可以得到n阶RC等效电路模型的极化电压表达式为：
up(t)＝uoc(t)-u(t)-i(t)R0 (1)
式(1)中，up(t)为t时刻的极化电压，uoc(t)为t时刻的开路电压，u(t)为t时刻电池的端电压，i(t)为t时刻输入模型的电流激励(等效于电池的充电电流)，R0表征电池的欧姆极化电阻。
在建立了电池的n阶RC等效电路模型之后，对电池进行一系列的预处理，并定义极化程度的时间连续表达式。所述预处理包括：电池OCV-SOC曲线标定、模型参数辨识，基准极化电压曲线的标定和目标极化程度DOPs的确定。
OCV代表电池的开路电压，SOC代表电池的荷电状态，OCV-SOC曲线可通过开展HPPC(Hybrid Pulse Power Characteristic，混合动力脉冲能力特性)充电测试实验得到充电数据(包含实时的充电电流、端电压、荷电状态等数据)，并通过高阶多项式拟合得到。OCV-SOC曲线表征了电池的开路电压是关于荷电状态SOC的函数，可以用公式uoc(t)＝f(SOC(t))表征t时刻开路电压是关于t时刻荷电状态的函数。在充电过程中，电池的荷电状态随着时间在改变(充电过程电池的剩余电量一直在增加，满电时荷电状态为100％，完全没电时荷电状态0％)，开路电压也随之在改变，通过事先标定的OCV-SOC曲线，可以获知在某种荷电状态下的开路电压。
模型参数辨识包括：基于RC等效电路模型，通过端电压关于电流激励的瞬时响应拟合得到戴维南模型中的参数，即表征欧姆极化的欧姆电阻R0、极化电阻Rp和极化电容Cp。
基准极化电压曲线的标定：在恒定温度环境下，基于电池的一阶RC等效电路模型在固定倍率的恒流-恒压充电方式下得到标定的基准极化电压曲线。
目标极化程度的确定：可以根据具体的需求来设置，考虑电池的充电时间与温升之间的平衡，本发明实施例将目标极化程度DOPs设置为2～3.5之间的值。
在建立了电池的n阶RC等效电路模型的基础上，按照如下的过程给出极化程度的时间连续表达式：
首先，将电池的极化程度DOP定义为在相同的荷电状态水平下，电池的实时极化电压与标定的基准极化电压的比值，即：
Figure GDA0003640421060000081
由于在每种荷电状态下都有对应的极化程度，即极化程度是关于荷电状态SOC的函数，因此式(2)中用DOP(SOC)表征极化程度，分子上up(SOC)表征极化电压(也与SOC有关)，分母上ups(SOC)表征事先标定的基准极化电压曲线。基于式(2)的定义，消除了不同SOC对极化程度的量化带来的误差。
然后，电池的n阶RC等效电路模型的极化电压时间连续表达式为：
Figure GDA0003640421060000082
式(3)中，up(t)为t时刻的极化电压，n阶RC等效电路模型中第k组RC环节的时间常数τk＝RpkCpk，Rpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电阻，Cpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电容，upk(0)表示第k组RC环节的初始极化电压，i(t)表示t时刻的充电电流。
假设当电池充电至t时刻时(即已充电t时间)，已有k组RC环节达到饱和状态，存在：
t＞aτk＞aτk-1＞…＞aτ1 (4)
其中，a的取值范围3～5；比如，对于一个阻容环节(RC环节)来说，假设其时间常数为τ，Vmax为电容满充电压值，Vt为充电过程中任意时刻t时电容的端电压：
当t＝3τ时，Vt＝0.95Vmax；
当t＝4τ时，Vt＝0.98Vmax；
当t＝5τ时，Vt＝0.99Vmax；
可以看出，经过3～5个τ后，充电过程基本结束。因此设置a的取值范围3～5是合理的。
则此时的极化电压为：
Figure GDA0003640421060000091
式(5)中，up(0)表示电池的初始极化电压，m表示已饱和的RC环节的编号，x表示未饱和的RC环节的编号，Rpm表示已饱和的RC环节的极化电阻值，Rpx表示尚未饱和的RC环节的极化电阻值，τx表示尚未饱和的RC环节的时间常数；
对极化电阻系数项进行线性简化，令：
Figure GDA0003640421060000092
最后，得到所述极化程度的时间连续表达式：
Figure GDA0003640421060000093
其中，DOP(t)表示电池充电过程中t时刻的极化程度。从式(7)可以看出，通过改变充电电流i(t)即可改变极化程度。基于此，后续提出了根据实时极化程度与目标极化程度的偏差，采用三阶段变速跟踪算法来调整充电电流，以此调整极化程度，实现实时追踪和量化控制极化程度的充电控制方案。
本发明实施例中将充电过程分为两阶段进行控制，开始充电后进入第一阶段，主要控制量为极化程度；当第一阶段充电达到截止电压后进入第二阶段，转换为恒压充电直至电池满充(满充以是否达到最小充电电流为判断依据)。同时，需要在充电过程中实时采集电池的外特性参数，比如电池的端电压、充电电流、电池温度等数据。温度数据可供参考查看充电过程的温升情况。端电压、充电电流可供计算实时极化程度。具体实施时，可以利用自制的数据采集模块并行采集这些外特性参数，然后传输给上位机进行相关的计算，再根据计算结果下发指令。
在第一阶段，利用实时采集的充电电流和端电压，根据式(1)计算电池的实时极化电压，计算出的实时极化电压与对应时刻的基准极化电压的比值即为实时极化程度，用公式表示为：
Figure GDA0003640421060000101
式(8)即表征了某一时刻的实时极化程度的计算方法。比如t时刻实时极化程度DOP(t)即为t时刻的实时极化电压(uoc(t)-u(t)-i(t)R0)与t时刻的基准极化电压ups(t)的比值。在t时刻，计算得到实时极化程度之后，将实时极化程度与预设的目标极化程度进行比较，基于两者之间的大小关系和偏差大小，判定该如何调整下一时刻的充电电流。具体而言，当计算出的实时极化程度小于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过低，并提高充电电流，以提升极化程度；当计算出的实时极化程度大于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过高，并降低充电电流，以降低极化程度；当计算出的实时极化程度与所述目标极化程度之间的偏差绝对值小于或等于1时，认为实时极化程度与目标极化程度较为接近，可以采用一次函数对充电电流进行实时微调，保持稳定的追踪即可。这样调整的目的是使极化程度不断接近目标极化程度，避免极化程度偏离目标极化程度太大导致电流接受能力不稳定，降低充电效率。因此需要这样调整来使极化程度稳定在以目标极化程度为中心的一个较小的合理区间内，确保电池有稳定、均匀的电流接受能力，从而在限制了电池温升的情况下提高了电池充电效率。
具体而言，可以设立如下的三阶段变速跟踪算法来调整充电电流：
Figure GDA0003640421060000102
式(9)表征了在充电过程的第一阶段，根据实时极化程度与目标极化程度之间的偏差分为三种情况来调整充电电流，对应三种跟踪方式——指数跟踪、线性跟踪、对数跟踪。
指数跟踪阶段：当实时极化程度小于目标极化程度DOPs且偏差大于1即|DOP(t)|＜DOPs-1时，认为电池当前极化程度过低，采用指数跟踪来提高充电电流，即采用i(t+1)＝e|DOP(t)来调整充电电流。使用指数函数可以迅速抬升充电电流，拉升电池极化程度，迅速提高充电效率。值得注意的是，为了防止电流冲击，此处采用指数函数而不宜直接阶跃式地提高充电电流。比如，在刚开始充电时，锂离子电池从静置状态进入充电状态的瞬间，可认为锂离子电池的极化程度DOP趋近于0，内部化学反应即将开始，此时可以迅速抬升充电电流，拉升电池极化程度，以迅速提高充电效率，此时是t＝0时刻，采用式(9)的算法以将充电电流抬升至i(t+1)＝e|DOP(t)。
线性跟踪阶段：当实时极化程度与目标极化程度之间的偏差绝对值小于或等于1，即(DOPs-1)≤|DOP(t)|≤(DOPs+1)时，认为实时极化程度与目标极化程度偏差不大，此阶段代表电池内部的化学反应稳定进行，具有均匀的电流接受能力，预设适当的DOPs值即可达到快速充电的目的。此阶段可以采用一次线性函数对充电电流进行实时微调，按照
Figure GDA0003640421060000111
来调整下一时刻的充电电流，保持稳定的追踪即可。
对数跟踪阶段：当实时极化程度大于目标极化程度且偏差大于1即(DOPs+1)＜|DOP(t)|时，认为电池当前极化程度过高，可以采用对数跟踪来降低充电电流，按照i(t+1)＝i(t)·(1-ln(|DOP(t)|-DOPs))来调整下一时刻的充电电流。比如，在快速拉升电池极化程度时，由于电池内部化学反应的惯性，有可能会导致超调，极化程度过冲到较高水平，满足实时极化程度大于目标极化程度且偏差大于1的情况，则采用对数函数能够对超调量进行衰减，增强跟踪过程的鲁棒性。
在上述的三阶段变速跟踪极化程度的充电过程中，也就是充电过程的第一阶段，还应设置合适的过载保护机制，防止电池过载。例如：当根据实时极化程度与目标极化程度的偏差、按照相应的跟踪方式计算得到的下一时刻充电电流i(t+1)超过预设的充电电流上限iup则输出iup作为下一时刻充电电流；或者i(t+1)所对应的端电压u(t+1)超过预设的充电截止电压ucutoff时，输出ucutoff作为对应的下一时刻端电压，作为下一时刻的充电数据。
上述第一阶段的过程通过三阶段变速跟踪算法自适应调整充电电流的大小，可以使电池具有大致恒定(与预设的目标极化程度较为接近甚至可能相等)的极化程度，保持均匀的功率接受能力，从而提高充电效率；同时，由于均匀的功率接受能力，电池在此阶段的产热和散热相对平衡，因此其外表明温度在安全的范围内稳定波动，避免了热失控的发生。
充电过程的第二阶段为恒压充电阶段。当电池端电压首次达到截止电压，充电过程即进入恒压阶段。恒压阶段充电电流一般为单调递减，电池的极化程度逐步减弱，同时电池外表面温度也持续下降，直至达到最小充电电流限制，判断电池充满，充电过程结束。在SOC水平较高时电池进入极化敏感期，此阶段能够有效避免电流阶跃带来的冲击，保护电池的同时也能够为电池充入更多的电量。
下面通过一个具体的例子来验证本发明前述充电方法的有效性。
实施例1
充电效率(单位时间充入电量)与电池温升被认为是衡量充电方式的重要参考标准，本实施例给出利用本发明前述的充电方法(在后续内容中将本发明的充电方法称为恒定极化-恒压充电，简写为CDOP-CV)对锂电池进行充电的案例，并选取常用的CC-CV充电方式作为对照组。以下结合附图1，具体说明本发明在电池充电领域的实施方式，包括以下步骤。
步骤一、本次实验采用三星INR18650-33G圆柱形锂离子电池，上下截止电压分别为4.15V与2.5V，电池工作温度范围(-20℃～60℃)。对INR18650-33G电池的预处理包括模型外特性参数的标定(含戴维南模型的阻容参数、OCV-SOC曲线)、基准极化电压的标定和目标极化程度DOPs确定。使用HPPC实验步骤，得到本实施例中电池模型的阻容参数，如表2所示：
表2
R<sub>0</sub> R<sub>p</sub> C<sub>p</sub>
0.0378Ω 0.0188Ω 9069F
并经过六阶多项式拟合得到OCV-SOC曲线，如图2所示。曲线的关系可用如下六阶多项式表示：
OCV＝-16.6364SOC6+57.9186SOC5-80.2655SOC4+55.9271SOC3-20.0889SOC2+4.0917SOC+3.1455
基准极化电压曲线，即ups(SOC)曲线是通过在同样的温度环境(25℃)下对电池进行0.5C电流倍率的CC-CV充电得到，结果如图3所示。为了尽可能的使电池在极化稳定区工作，同时发挥出本发明前述充电方法的最大潜力，本实施例中取目标极化程度DOPs＝3。
步骤二、建模计算上位机中存储了针对INR18650-33G型锂离子电池进行预处理后得到的戴维南模型参数、SOC-OCV曲线、基准极化电压曲线以及目标极化程度DOPs的值。通过Matlab运行本发明的三阶段变速跟踪算法并为输出控制***提供动态更新的充电参数。输出控制***由可编程稳压源(CHROMA62050)、可编程直流电子负载(CHROMA63206E-600)和执行板(自制)组成。稳压源为执行板输出计算得到的端电压u(t+1)与充电电流i(t+1)，精度分别为0.05％和0.1％，电子负载能够在充电实验开始前以相同的方法统一对电池放电并吸收电池输出的能量。稳压源和电子负载通过USB与上位机通信，而执行板在稳压源和电子负载的控制下对单串模组进行充放电操作。至此完成了充电实验的预处理。
步骤三、利用上述实验平台在相同的环境下对同一电池展开一系列充电实验，具体的实时过程有：①控制室内试验台附近的温度处于25±0.5℃；②采用1C倍率对电池放电，直至电池达到放电截止电压2.5V；③静置电池2h以上；④采用预设的充电方案对电池进行充电；⑤重复②-④步骤，直至完成实施例实验验证方案的全部充电过程，充电方案如图4所示。注意：在CDOP-CV充电方法中，设置充电电流的上限为1.5C，作为充电过程的安全边界条件。
上限电流为1.5C的CDOP-CV充电实验结果如图5所示。可以看出，采用本发明所提出的CDOP-CV充电方法对锂离子电池进行充放电，存在图5所示的三大阶段：快速激活阶段、恒定极化阶段和恒压阶段，三阶段分别对应采用三阶段变速跟踪算法的指数跟踪、线性跟踪和对数跟踪。
在快速激活阶段，电池从静置状态进入充电状态，其瞬时极化程度远低于目标极化程度，因此三阶段变速跟踪过程此时采取指数跟踪策略，在较短时间内迅速增大充电电流，打破静置平衡态，快速提升电池内部的极化程度。电流提升至所设定的上限电流后，继续以上限电流1.5C对电池进行充电，直到电池的瞬时极化程度处于目标极化程度附近，而后三阶段变速跟踪过程采取线性跟踪策略，自适应调整充电电流，温度小幅度波动。快速激活阶段使电池从尚无焦耳热累积的静置状态迅速进入快充状态，有效地提升电池的充电效率。值得一提的是，虽然在快速激活阶段采用的电流较大，但此时电池外表面温度没有明显升高，而是在快速激活阶段结束后的一小段时间内迅速攀升。这是因为电池内部累积的焦耳热需要一定时间才能传导到电池的外表面，从而被热敏元件检测到。这也从侧面说明，通过极化程度监控电池内部的工作状态更直接、更快速，而通过表面温度监控则会存在严重的迟滞，因为当电池外表面温度剧烈升高时，其内部热失控的基础往往已形成，在此时采取相应的保护手段可能为时已晚。
如图6所示，将上限电流为1.5C的CDOP-CV充电过程与CC-CV(0.5C恒流-4.15V恒压和1C恒流-4.15V恒压，下称0.5C-4.15V和1C-4.15V)充电过程进行对比，可以看出，采用本发明CDOP-CV方法充电时，充电电流能够自适应调整，电池的端电压在大部分时间内都能远离上下截止电压，保持良好且均匀的功率接受能力，同时可以看出，相比CC-CV充电，在CDOP-CV充电的整个期间，电池SOC以较均匀且较快的速率提升，直至电池被充满。以表格形式统计不同充电方式的相关性能指标，如表3所示：
表3
充电方法 CDOP-CV CDOP-CV CC-CV CC-CV
电流最大值(A) 1C 1.5C 0.5C 1C
充电时间t(s) 6833 6264 7999 5952
充入电量Qc(Ah) 2.82 2.84 2.84 2.84
充电效率η(10-4Ah/s) 4.13 4.53 3.54 4.76
电流均方值(A2) 2.57 3.21 1.67 3.90
温升范围ΔT(℃) 2.00 9.50 4.75 15.25
|DOP|平均值 2.64 2.60 2.57 4.87
|DOP|最大值 3.10 3.09 4.80 9.92
如图7所示，无论充电电流是较大或较小，CC-CV充电过程的温度曲线都只有一个波峰，电池外表面温度呈现先上升后下降的趋势，表明在充电过程中，电池发热和散热不平衡，更容易带来剧烈的温升现象。而在CDOP-CV充电的过程中，除了快速激活阶段，电池均表现出相对平衡的发热和散热，温度呈现小幅波动的趋势，温升范围也更合理。
综上，本发明的充电方法通过自适应调整充电电流的大小，可以使电池具有恒定的极化程度，保持均匀的功率接受能力，从而提高充电效率；同时，电池在此阶段的产热和散热相对平衡，因此其外表面温度在安全的范围内稳定波动，与CC-CV方式对比大大降低了高温引起热失控的可能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，包括：
基于电池的n阶RC等效电路模型，定义极化程度的时间连续表达式，所述极化程度的时间连续表达式表征了极化程度随充电电流的变化而变化；
在充电过程中，采集电池的实时外特性参数；所述实时外特性参数包括实时的充电电流和端电压；
将所述充电过程分为两个阶段进行控制：在第一阶段，根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，并基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，以调整极化程度，使极化程度逼近所述目标极化程度；当第一阶段充电达到截止电压后进入第二阶段，转换为恒压充电直至电池满充；
极化程度的时间连续表达式的定义过程包括：
首先，将电池的极化程度定义为在相同的荷电状态水平下，电池的实时极化电压与标定的基准极化电压的比值，即：
Figure FDA0003662661150000011
可见，极化程度是关于荷电状态SOC的函数；
其次，电池的n阶RC等效电路模型的极化电压时间连续表达式为：
Figure FDA0003662661150000012
其中，up(t)为t时刻的极化电压，n阶RC等效电路模型中第k组RC环节的时间常数τk＝RpkCpk，Rpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电阻，Cpk表示第k组RC环节中表征浓差极化与电化学极化的极化电容，upk(0)表示第k组RC环节的初始极化电压，i(t)表示t时刻的充电电流；
假设当电池充电至t时刻时，已有k组RC环节达到饱和状态，存在：
t＞aτk＞aτk-1＞…＞aτ1
其中，a的取值范围3～5，表示经过3～5个τ之后，充电过程基本结束，τ表示一组RC环节的时间常数；
则此时的极化电压为：
Figure FDA0003662661150000021
其中，up(0)表示电池的初始极化电压，m表示已饱和的RC环节的编号，x表示未饱和的RC环节的编号，Rpm表示已饱和的RC环节的极化电阻值，Rpx表示尚未饱和的RC环节的极化电阻值，τx表示尚未饱和的RC环节的时间常数；
对极化电阻系数项进行线性简化，令：
Figure FDA0003662661150000022
最后，得到所述极化程度的时间连续表达式：
Figure FDA0003662661150000023
其中，DOP(t)表示电池充电过程中t时刻的极化程度，ups(SOC)为标定的基准极化电压曲线，在恒定温度环境下，基于电池的一阶RC等效电路模型在固定倍率的恒流-恒压充电方式下得到标定的基准极化电压曲线；
根据所述实时外特性参数计算电池的实时极化程度，包括：
根据实时的充电电流i(t)和端电压u(t)，以及电池的开路电压uoc(t)，计算实时极化电压，求得的实时极化电压与标定的基准极化电压的比值即为实时极化程度，用公式表示为：
Figure FDA0003662661150000024
其中，i(t)表示t时刻采集的实时充电电流；u(t)表示t时刻采集的实时端电压；ups(t)表示在t时刻的荷电状态下所对应的基准极化电压，通过事先标定的基准极化电压曲线获得；R0表示串联在干路中的欧姆极化电阻；通过事先标定的开路电压-荷电状态曲线，可以获知在某种荷电状态下的开路电压。
2.如权利要求1所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，所述电池的n阶RC等效电路模型包括：开路电压源，串联在干路中的欧姆极化电阻R0，以及串联在干路中的n阶RC环节；
其中，电阻R0表征欧姆极化，与所述开路电压源串联而接入电压；所述n阶RC环节由表征浓差极化与电化学极化的极化电阻Rp,i和表征浓差极化与电化学极化的极化电容Cp,i并联形成，电阻Rp,i与电容Cp,i并联后与所述开路电压源串联而接入电压；其中i为正整数且i∈[1,n]。
3.如权利要求1所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差，实时调整电池的充电电流，包括：
当计算出的实时极化程度小于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过低，并提高充电电流，以提升极化程度；
当计算出的实时极化程度大于所述目标极化程度且偏差大于1时，则判定电池当前极化程度过高，并降低充电电流，以降低极化程度；
当计算出的实时极化程度与所述目标极化程度之间的偏差绝对值小于或等于1时，采用一次函数对充电电流进行实时微调，以保持稳定追踪。
4.如权利要求1或3所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，基于所述实时极化程度与预设的目标极化程度之间的偏差来实时调整电池的充电电流，通过如下的三阶段变速跟踪算法来实现：
Figure FDA0003662661150000031
上式表征了根据当前时刻t的实时极化程度DOP(t)与目标极化程度DOPs之间的偏差，调整下一时刻充电电流i(t+1)。
5.如权利要求1所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，在所述第一阶段还设置了如下的过载保护机制：
当根据所述偏差调整后的充电电流超过预设的充电电流上限，则输出所述充电电流上限作为下一时刻充电电流；当调整后的充电电流所对应的端电压超过预设的充电截止电压时，则输出所述充电截止电压作为对应的下一时刻端电压；以避免电池过载。
6.如权利要求1所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，还包括：建立电池的n阶RC等效电路模型之后，进行模型参数辨识，包括：
基于电池的RC等效电路模型，通过端电压关于电流激励的瞬时响应拟合得到所述模型参数，即欧姆极化电阻、表征浓差极化与电化学极化的极化电阻以及表征浓差极化与电化学极化的极化电容。
7.如权利要求1所述的考虑电池极化程度的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，根据电池的充电时间与温升之间的平衡要求，将所述目标极化程度预设为2～3.5。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015056964A1 (ko) * 2013-10-14 2015-04-23 주식회사 엘지화학 하이브리드 이차 전지의 상태 추정 장치 및 그 방법
CN105552465A (zh) * 2015-12-03 2016-05-04 北京交通大学 一种基于时间和温度的锂离子电池优化充电方法
CN111710929A (zh) * 2020-06-30 2020-09-25 中航锂电技术研究院有限公司 锂电池充电方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4649101B2 (ja) * 2003-09-10 2011-03-09 株式会社日本自動車部品総合研究所 二次電池の状態検知装置および状態検知方法
JP4494454B2 (ja) * 2007-11-21 2010-06-30 株式会社日本自動車部品総合研究所 車載二次電池の内部状態検出装置
EP2479834A1 (en) * 2009-09-18 2012-07-25 Panasonic Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery charging method and charging device
JP2015104139A (ja) * 2013-11-20 2015-06-04 株式会社Ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 二次電池の充電方法およびそれを用いた充電装置
US11431037B2 (en) * 2017-12-06 2022-08-30 Yazami Ip Pte. Ltd. Method and system for fast-charging an electrochemical cell and fast-charging controller implemented in this system
KR102392399B1 (ko) * 2018-12-21 2022-04-28 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법
CN112448050B (zh) * 2019-08-28 2022-06-24 北京小米移动软件有限公司 锂离子电池的充电方法和锂离子电池的充电装置
CN112103580B (zh) * 2020-09-21 2022-04-01 武汉大学 一种基于等效内阻的锂电池充电方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015056964A1 (ko) * 2013-10-14 2015-04-23 주식회사 엘지화학 하이브리드 이차 전지의 상태 추정 장치 및 그 방법
CN105552465A (zh) * 2015-12-03 2016-05-04 北京交通大学 一种基于时间和温度的锂离子电池优化充电方法
CN111710929A (zh) * 2020-06-30 2020-09-25 中航锂电技术研究院有限公司 锂电池充电方法

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