吳鐵洲,白 婷,胡麗平,李子龍

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院,武漢 430068)

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間歇-正負脈沖蓄電池快速充電方法的研究*

吳鐵洲1*,白 婷2,胡麗平3,李子龍4

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院,武漢 430068)

目前影響鋰離子電池充電速度的關(guān)鍵問題之一是如何消除或減小充電過程中的極化現(xiàn)象。傳統(tǒng)的快速充電法中使用比較廣泛的是多階恒流脈沖充電法,主要采用正脈沖、停充等方式來減小或消除極化效應,在一定程度上提高了充電速度,但效果不夠理想。提出的間歇-正負脈沖充電法,首先依據(jù)析氣點電壓和極化電壓監(jiān)測蓄電池極化狀況,然后采用兩種模糊控制器,分別確定間歇-正負脈沖充電法中的正負脈沖寬度,采用交替充電和放電減少或消除充電過程中的極化現(xiàn)象。實驗證明,間歇-正負脈沖充電方法比傳統(tǒng)的采用停充方式的多階恒流脈沖充電法充電速度提高了33.3%,充電效率提高了5.1%,溫升降低了57%。

鋰離子電池;快速充電;去極化;間歇-正負脈沖;模糊控制

電動汽車是未來汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢[1]。

蓄電池作為電動汽車的儲能元件,受到廣泛應用。鋰離子動力電池與傳統(tǒng)的鉛酸和鎘鎳等電池相比,具有比能量高、使用壽命長、污染小和工作電壓高等特點[2-3],得到了廣泛應用。由于電動車自身的行駛特點,要求充電裝置能夠?qū)π铍姵剡M行快速、高效、無損的充電[4]。鋰離子電池的性能和使用壽命與充電方法的選擇有密切的關(guān)系,選擇一種高效的充電方法對蓄電池非常重要[5-6]。傳統(tǒng)的快速充電方法有很多,多級恒流脈沖充電法是常用的一種,其采用多階段恒流及脈沖結(jié)合的充電的方式,在一定程度上提高了充電速度[7]。然而在脈沖階段,采用的是恒定的脈沖值對電池進行脈沖充電,且沒有放電脈沖,只依靠停充來恢復極化效應。針對去極化問題,本文提出了間歇—正負脈沖充電方法快速充電方法,并將此方法與傳統(tǒng)的多階恒流脈沖充電方法進行對比。

1 間歇-正負脈沖充電法的基本原理

鋰離子電池主要由兩個電極、電解質(zhì)、多孔隔板組成。正極主要采用含鋰的化合物,負極多采用碳素材料[8]。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。鋰離子充放電過程中存在歐姆極化、濃差極化和電化學極化等。極化現(xiàn)象的存在使得蓄電池的充電過程無法完全吻合馬斯提出的蓄電池固有的可接受充電電流的特性曲線,導致鋰離子電池充電速度變慢[9]。

傳統(tǒng)的多級恒流脈沖充電方法采用的是大電流恒流脈沖充電,電池端電壓隨充放電電流變化曲線如圖1所示。從圖1中可知大電流充電固然可以加快充電速度,但能量損失也大,故充電后期應減小充電電流。大電流放電時,電壓下降明顯,斜率很大,其放電時間縮短,同時終止電壓變低,故放電電流不宜過小。

圖1 電壓與充放電電流的關(guān)系

圖2 間歇-正負脈沖充電方法示意圖

通過以上分析研究,本文對傳統(tǒng)的多級恒流脈沖充電法的恒流脈沖進行了改進,如圖2所示。第1階段,蓄電池初期的電荷容量較低,極化現(xiàn)象不明顯,此時蓄電池的充電接受電流能力是最強的,因此采用大電流恒流充電,使蓄電池在較短時間內(nèi)獲得盡可能多的電量。第2階段,由于蓄電池充電接受能力有限,充電電流值應隨充電過程逐漸降低。又由馬斯三定律可知,停充和放電脈沖能有效的去除極化作用[10],于是將第2個階段分成3個等級,每級充電電流脈沖周期恒定,脈沖幅度逐級遞減,每個等級之間加負脈沖,負脈沖前后加間歇。第3階段,采用恒壓補足充電。該階段采用恒壓充電使充電電流自動減小至某一閾值時,停止充電。

新型的充電方法不采用階段恒流充電,而是采用電流逐漸減小并加入負脈沖的方式。充電過程中隨著電解液濃度升高,端電壓也不斷升高,極化分布情況也不斷變化。歐姆壓降主要與充電電流有關(guān)且成正比,而快速充電必須加大充電電流,因此針對歐姆電阻一定的蓄電池,在快速充電過程中無法降低歐姆壓降。如果能降低電化學極化電壓和濃差極化電壓,即在蓄電池電動勢一定的情況下,使析氣點的電壓盡可能低,則蓄電池的極化將不嚴重,蓄電池只產(chǎn)生微量析氣或不產(chǎn)生析氣,因而可實現(xiàn)對蓄電池進行高效、無損、快速地充電[11-13]。因此,在蓄電池充電過程中選擇一個合適的析氣點電壓Uq,既保證一定的充電電流,又使得析氣不嚴重,這個合適的析氣點電壓稱之為析氣點閾值電壓Uqth。濃差極化在接近析氣電壓閾值Uqth時明顯增大,必須及時消除才可繼續(xù)快速充電。因此,可以在蓄電池充電過程中獲取析氣點電壓Uq和極化電壓Uj,根據(jù)其大小來決定去極化脈沖給定時間、去極化脈沖寬度幅值。

因此,間歇—正負脈沖的關(guān)鍵是根據(jù)蓄電池溫度的變化TA、蓄電池容量C和蓄電池析氣點電壓Uq決定上一階段充電結(jié)束,間歇適當時間,由蓄電池的極化電壓Uj和蓄電池荷電狀態(tài)SC以及蓄電池上升的溫度TC決定放電脈沖的寬度W。本文將通過模糊控制器[14],確定以上參數(shù)。

2 模糊控制器

2.1 模糊控制器的組成

模糊控制器的基本組成如圖3所示,主要有3個功能模塊。

圖3 模糊控制器的組成

(1)模糊化

模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。

(2)模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心,它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關(guān)系及推理規(guī)則進行的。

(3)清晰化

清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實際用于控制的清晰量。

2.2 模糊控制器的設(shè)計

鋰離子電池快速充電系統(tǒng)的控制部分由兩個模糊控制器構(gòu)成,兩個控制器都采用多輸入單輸出的形式,控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中,模糊控制器1用于控制充電正脈沖寬度,模糊控制器2用于控制去極化放電脈沖寬度。

充電正脈沖的寬度通過模糊控制器1來實現(xiàn)。對鋰離子電池使用正脈沖充電。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

當析氣點電壓Uq大于析氣點閾值電壓Uqth,則轉(zhuǎn)入去極化。由模糊集合論可知,可以用狀態(tài)變量來描述一個確定的系統(tǒng),一個狀態(tài)變量可以表示為一個模糊集合,記為

X(t)=f[A(u),B(u),t]

(1)

式中A(u)、B(u)表示在論域M上的相關(guān)模糊子集。模糊控制的目標就是要找到一個控制函數(shù)μ(u),使隸屬度μA(u)和μB(u)為最大值,從而使式(1)最大限度地接近控制指標。

圖5 模糊控制器1的結(jié)構(gòu)

如圖5所示。模糊控制器1中,μ(u)來自知識庫,知識庫存有充電領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗和知識,以及各種模糊推理規(guī)則,通過一組輸入變量Ii(i=1,2,…,n),經(jīng)過模糊推理,輸出一組變量Qj(j=1,2,…,m)。

本系統(tǒng)用IFC1·C2·…·CnTHEND的形式來表示知識與規(guī)則。式中C1,C2,…,Cn表示發(fā)生的事件,即可以是輸入變量,也可以是標準常數(shù);符號“·”代表邏輯關(guān)系算子,它既可以表示關(guān)系運算“>”、“<”、“=”等的單項或組合,也可以表示邏輯運算“NOT”、“AND”、“OR”的單項組合。

根據(jù)系統(tǒng)的輸入變量TA(電池表面溫度)、Uq(析氣點電壓)和C(電池容量),以及常數(shù)Ts(25 ℃時的溫度),可以寫出如下一組推理規(guī)則:

(1)IFTA/Ts≥μT(u)THENS1

(2)IFC≥μC(u)THENS2

(3)IFUq≥UqthTHENS3

上述規(guī)則的含義和作用是:

(1)如果電池溫度超過某一閾值μT(u),系統(tǒng)就會產(chǎn)生過熱信號S1,并及時減小電流值。

(2)如果充電容量到達某一最低限值μC(u),就產(chǎn)生容量到達信號S2,并提醒操作員注意。

(3)如果充電過程中,析氣點電壓Uq大于析氣點閾值電壓Uqth時,就產(chǎn)生信號S3,即開始去極化措施。

去極化反向放電脈沖的寬度由模糊控制器2實現(xiàn)。在第1階段正脈沖充電結(jié)束后靜止一段時間,在靜止期間檢測蓄電池的極化電壓Uj。模糊控制器把蓄電池的極化電壓Uj和蓄電池的荷電狀態(tài)SC作為模糊控制器的兩個輸入變量,去極化脈沖寬度W′作為輸出。又因為不適當?shù)某潆娊Y(jié)果會導致電池溫度過渡升高,影響有效的充電電阻,因此,W′需經(jīng)過溫度TC的修正得到真正的去極化脈沖寬度W。如圖6所示,其中輸入:

Uj=U-E

(2)

式中U為蓄電池的端電壓,E為對應于當時電池內(nèi)部電解液濃度的平衡電勢。

圖6 模糊控制器2的結(jié)構(gòu)

(3)

式中,C0為初始電量,Cε為電池充放電量,Cm為電池額定容量:

C0=Cm-Cdisch

(4)

充電時充入的電量取值為:

(5)

式中,k是充電系數(shù),其為蓄電池實際接收的充電電流與充電裝置輸出的充電電流之比;ich是充電電流值;t是充電時間;放電時放出的電量取值為:

(6)

式中,idisch為放電電流值;t為放電時間。

TC(k)=TA(k)-TB(k)

(7)

式中,TA是蓄電池表面溫度,TB是外界周圍溫度。

Uj、SC和W′的模糊集取為{ZEPSPMPBPV}。分別代表小、中小、中、中大、大、負大、負小、零、正小、正中、正大、正很大。

Uj和SC的論域取為{0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},

W′的論域取為{0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8,+9}

圖7 Uj、SC和W′的隸屬函數(shù)曲線

Uj、SC和W′的隸屬函數(shù)均取三角形。Uj的隸屬函數(shù)如圖7(a)所示,由于蓄電池各階段的荷電狀態(tài)對去極化電壓的靈敏度不同,一般在荷電狀態(tài)較低時,對去極化電壓影響不敏感,因此SC的隸屬函數(shù)取為不對稱型,如圖7(b)所示,W′的隸屬函數(shù)如圖7(c)所示。

根據(jù)實驗和經(jīng)驗得Uj、SC和W′模糊控制規(guī)則如表1所示。本文采用的去模糊的方法是常用的重心法,從而得到Uj、SC和W′的模糊控制查詢表,如表2所示。重心法公式如下:

(8)

式中Wi是規(guī)則中推理的結(jié)果,Bi是模糊輸出量的中心元素位置,n是輸出模糊量的個數(shù),y是輸出。

表1 Uj和SC的模糊控制規(guī)則表

表2 Uj、SC和W′的模糊控制查詢表

3 實驗結(jié)果及分析

正脈沖參數(shù)確定。實驗中使用3.6V/1500mAh的鋰離子電池,第1階段采用1C大電流充電,當檢測端電壓為4.2V時,停止第1階段充電。同時在前文已說明整個充電過程應根據(jù)指數(shù)最佳充電曲線,電流值逐級遞減。本文將遞減規(guī)律定為1/2,即在第1階段充電電流采用1C的基礎(chǔ)上,第2階段第1級采用1/2C、第2級采用1/4C、第3級采用1/8C。又通過模糊控制器1,得出每階段正脈沖寬度為900ms。

負脈沖參數(shù)確定。如果負脈沖的幅值太小,去極化的效果不會很明顯,如果負脈沖的幅值太大,蓄電池將被損壞[15]。用不同的放電電流,分別測量溫度的上升值,曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,電池在0.5C電流放電時,溫度持續(xù)下降。在1C電流時,溫度保持。當用一個大電流5C放電時,溫度在10min之內(nèi)快速上升了6 ℃。數(shù)據(jù)顯示,大電流放電引起溫度持續(xù)上升,這是由于大的放電電流在電池內(nèi)阻上產(chǎn)生的熱量比化學反應吸收的熱量更多,如果用一個持續(xù)時間太長或者幅值太大的負脈沖對蓄電池放電,它將會產(chǎn)生很多熱量,損害電池壽命。因此,本文選擇不會引起明顯溫度變化的1C作為負脈沖的幅值。又通過模糊控制器2可得,負脈沖的脈沖寬度為30ms。

圖8 不同放電電流下電池溫度變化曲線

實驗分別選擇間歇-正負脈沖充電方法和傳統(tǒng)階段脈沖充電法對電池充電,實驗結(jié)果如圖9所示,傳統(tǒng)的階段脈沖充電方法的充電時間為4500 s,間歇-正負脈沖充電方法的充電時間為3000 s。在充電時間上,間歇-正負脈沖充電方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的階段脈沖充電方法,加快了充電時間。在表3中,充電效率定義為放電容量除以充電容量,可以看出,在溫升和充電效率上,間歇-正負脈沖充電方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的階段脈沖充電方法。

圖9 兩種充電方法充電過程中電壓變化曲線

表3間歇-正負脈沖充電法與傳統(tǒng)的階段脈沖充電法對比結(jié)果

充電方法充電時間/s充電效率/%溫升/℃?zhèn)鹘y(tǒng)的階段脈沖充電方法450093．487間歇-正負脈沖充電法300098．573

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的多級恒流脈沖充電法無法很好的去除充電過程中的極化問題,提出了間歇-正負脈沖充電法。采用了以蓄電池析氣點電壓Uq、極化電壓Uj和荷電狀態(tài)SC為模糊控制器輸入變量,以正脈沖及去極化脈沖的寬度作為模糊控制器輸出,并根據(jù)電池上升的溫度TC進行修正的實時去極化策略,得出充電過程中的正負脈沖參數(shù)。本文對間歇-正負脈沖充電方法進行了實驗,將實驗結(jié)果與傳統(tǒng)的多階恒流脈沖充電法進行對比,結(jié)果表明,間歇-正負脈沖充電方法比傳統(tǒng)的多階恒流脈沖充電法充電速度提高了33.3%,充電效率提高了5.1%,溫升降低了57%,真正實現(xiàn)了高效、快速、無損的充電思想。

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吳鐵洲(1966-),男,漢族,湖北天門人,博士,2010年畢業(yè)于華中科技大學控制科學與工程系系統(tǒng)所,現(xiàn)任湖北工業(yè)大學教授,研究方向為蓄電池充放電技術(shù),wtz315@163.com;

白婷(1989-),女,漢族,湖北武漢人,湖北工業(yè)大學在讀碩士,研究方向為蓄電池充放電技術(shù),riobto@163.com。

ResearchonIntermittent-PositiveandNegativePulseFastChargingofLithiumionBattery*

WUTiezhou1*,BAITing2,HULiping3,LIZilong4

(School of Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

One of the key issues currently affecting charging speed of lithium ion battery is how to eliminate or reduce the polarization in the charging process. More widely using in fast charge battery of traditional fast charging method is the multi-stage constant current pulse charging method which takes method of positive pulse,stop charging and other ways to reduce or eliminate the polarization effect to improve the charging speed in a certain extent,but the result is not satisfied. This paper proposes the intermittent-positive and negative pulse charging method using alternately charge and discharge to reduce or eliminate the polarization phenomenon. Gassing point voltage and polarization voltage are used to monitor the polarization status of storage battery. And then,two fuzzy controllers identify the positive and negative pulsed width for the intermittent positive and negative pulse method. According to the experimental results,comparing with traditional multi-stage constant current pulse charging method using stop charging mode,the charging time,charging efficiency and average temperature rise,are improved by about 33.3%,5.1%,57.1%,respectively.

Lithium Ion battery;fast charging;depolarization;intermittent-positive and negative pulses;fuzzy control

項目來源:國家自然科學基金項目(51247004);湖北省科技廳項目(2010CDB05802)

2013-11-29修改日期:2013-12-22

TM910.6

:A

:1005-9490(2014)06-1245-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.046