基于電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略

王 源， 程方曉， 王 旭

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

基于電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略

王 源， 程方曉*， 王 旭

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

通過磷酸鐵鋰電池的開路電壓計(jì)算一個(gè)荷電狀態(tài)(SOC)，隨后以SOC為依據(jù)來調(diào)整充電狀態(tài)。與其他充電方法相比，本方法在充電時(shí)間和充電效率方面均有較大的提高。

充電策略; 磷酸鐵鋰電池; 荷電狀態(tài)(SOC)

0 引 言

便攜式電子裝置的使用越來越廣泛。用于電子裝置的充電電池一般是鋰電池、鎳氫電池和鎳鉻電池。近幾年，電子產(chǎn)品中鋰電池的需求量大大增加。鋰電池同樣可以滿足電動(dòng)汽車的需求，鋰電池在未來電池領(lǐng)域舉足輕重。

鋰電池過充是鋰電池的充電電量大于電池的額定容量。當(dāng)電池經(jīng)常發(fā)生過充現(xiàn)象時(shí)，電池將會(huì)損壞。恒流-恒壓法(CC-CV)是一種易于實(shí)現(xiàn)的充電策略，被廣泛應(yīng)用于解決電池的過充問題。雖然恒流-恒壓法可以有效地防止電池過充，且充電電量近乎達(dá)到電池的額定容量，但是這個(gè)充電策略的充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因?yàn)槭褂眠@個(gè)策略時(shí)，電池在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)以恒定電壓充電，這樣會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間[1]。

為了加快充電過程并保證電池達(dá)到額定容量，近年來大量研究人員對(duì)這一方面進(jìn)行了研究，提出了大量可行理論。一種蟻群算法被應(yīng)用在確定五段式充電的最優(yōu)充電電流上面，使充電電流逼近最佳充電電流，這樣就減少了充電時(shí)間，增加了電池充放電循環(huán)次數(shù)。脈沖充電策略是利用鎖相式電池充電，這種方法易于控制，便于操作[2]。這些充電策略都是可行的，但是，這些方法有一定局限性，從而阻止了它們進(jìn)一步的應(yīng)用。為了加快電池充電速度，需要使用一個(gè)接近最大充電電流的大電流對(duì)電池進(jìn)行充電。然而，因?yàn)殇囯姵厣疃确烹姾螽a(chǎn)生很大的阻抗，過大的充電電流會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高。

基于以上原因，提出了一種快速充電策略，該策略以電池開路電壓和SOC來確定大電流充電的合適時(shí)機(jī)，用以縮短充電時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明，該充電策略優(yōu)于其他充電策略。

1 磷酸鐵鋰電池的剩余電量計(jì)算

SOC是一種對(duì)電池的剩余電量進(jìn)行量化的常用指標(biāo)，它可以代表剩余電量占電池標(biāo)準(zhǔn)容量的比例。SOC可以用公式表示為:

(1)

式中:SOC0----電池的初始SOC;

AHC----電池的標(biāo)準(zhǔn)容量；

i----放電(i為正)或充電(i為負(fù))電流[3]。

為了表示OCV和SOC之間的關(guān)系，提出一種裁剪相關(guān)向量機(jī)(TRVR)的方法，這種方法可以減少模型中的噪音干擾。把這個(gè)方法應(yīng)用于電池模型，得到:

(2)

式中:SOCi、OCVi----剩余電量與電源開路電壓值，每一個(gè)SOC值都對(duì)應(yīng)一個(gè)OCV(開路電壓)值;

εi----采集噪聲，符合高斯分布;

y(SOCi,ω)----非線性函數(shù);

ω----可調(diào)權(quán)值，ω=[ω0,ω1,…,ωn]。

(3)

式中:K(SOC,SOCi)----核心函數(shù)。

權(quán)值可通過式(2)和式(3)迭代得出[4]。充電方法流程如圖1所示。

圖1 充電方法流程

步驟1：初始化參數(shù)和數(shù)據(jù)集合，確定初始權(quán)值ω。然后，把SOC與ω的值代入式(3)來計(jì)算y=[y1，y2,…,yn]。接下來，計(jì)算誤差的平方r2=(OCVi-y)2，然后把r2升序排列，并依據(jù)r2的順序排列(SOCi，OCVi)，把(SOC，OCV)集合的前一半作為T0。

步驟2：利用新的T0集合來更新ω。同時(shí)，通過新的ω來更新y和r2。利用r2來判斷噪聲的大小，設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)r2小于該閾值時(shí)，保留對(duì)應(yīng)的(SOCi，OCVi)，以此來更新T0。

步驟3：根據(jù)新集合來更新權(quán)值，并通過新權(quán)值對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算。

步驟4：重復(fù)步驟2和步驟3，直到得到穩(wěn)定的權(quán)值。隨后代入SOC和與之對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的權(quán)值到式(3)，計(jì)算出OCV的值，這樣就實(shí)現(xiàn)了OCV和SOC之間的對(duì)應(yīng)，完成計(jì)算。

2 快速充電策略

圖1流程中包括低充電速率(LRC)過程和高充電速率(HRC)過程。

在充電開始階段，進(jìn)行測(cè)量磷酸鐵鋰電池的初始電壓并與閾值電壓Vth比較,如果電池電壓低于閾值電壓，低充電速率的過程會(huì)用小電流對(duì)電池進(jìn)行充電直到SOC與SOCLRC相等。用0.5C小電流進(jìn)行充電是為了防止溫度過高損壞電池。通過小電流充電，滯后性的影響會(huì)被消除[5]。

接下來，再次測(cè)量電池電壓。利用式(3)和測(cè)量的電壓來計(jì)算SOC，從而可以得到電池剩余電量。ED是電池額定容量和SOC之差。接下來進(jìn)行大電流充電，直到SOC和電池額定容量之差與ED相等，從而結(jié)束充電。

3 結(jié)果測(cè)試和分析

需要做一些實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證充電策略的效率。測(cè)試電池的基本參數(shù)見表1。

表1 磷酸鐵鋰電池電氣特性

參照?qǐng)D1的流程，第一步是確定閾值電壓Vth。注意不同電池將會(huì)有不同閾值電壓。測(cè)量閾值電壓的方法是通過實(shí)驗(yàn)確定[6],四塊電池的開路電壓特性曲線如圖2所示。

圖中,No.1和No.2是新電池，No.3和No.4是舊電池?？梢钥闯?，由于電池內(nèi)阻的原因，開路電壓曲線存在微小差異，當(dāng)開路電壓大于3.2V時(shí)，四組電池開路電壓沒有太大差異，故Vth設(shè)定為3.2V。此時(shí)，為保證電池開路電壓高于Vth，SOCLRC設(shè)置為25%,LRC和HRC分別設(shè)為0.5C和4C。這些參數(shù)見表2。

圖2 四塊電池的開路電壓特性曲線

參數(shù)數(shù)值OCVth/V3．2SOCLRC/%25LRC充電電流0．5CHRC充電電流4C

實(shí)驗(yàn)1：估計(jì)電池剩余電量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)將要對(duì)兩種電池阻抗模型進(jìn)行比較，兩種模型分別是純電阻模型和RC網(wǎng)絡(luò)模型[7]。放電過程采用一個(gè)恒定的電流放電，持續(xù)600s。放電過程的仿真和實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

(a) 純阻抗模型

(b) RC網(wǎng)絡(luò)模型

從圖中可以看出，這兩種模型的結(jié)果相差不大，出于系統(tǒng)復(fù)雜性考慮，在以后的實(shí)驗(yàn)中選擇純阻抗模型。用上述方法來計(jì)算SOC。

電池SOC估計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。

由表3可以看出，該方法估算SOC時(shí)誤差較小，估計(jì)效果較好。

實(shí)驗(yàn)2：電池充電實(shí)驗(yàn)。

在本實(shí)驗(yàn)中，使用基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略進(jìn)行充電，初始電壓分別為2.8V和3.24V。2.8V的初始電壓低于閾值電壓，3.24V電壓高于閾值電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

表3 電池SOC估計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4 電池初始電壓為2.8 V時(shí)的充電曲線

圖5 電池初始電壓為3.34 V時(shí)的充電曲線

在圖4中，由于初始電壓低于閾值電壓3.2 V，所以充電過程從小電流充電開始，然后進(jìn)行一次負(fù)脈沖充電，后停充一小段時(shí)間，消除滯后性影響[8]。當(dāng)滯后性影響減小以后，進(jìn)行電壓的測(cè)量，從而確定SOC值。圖5中表示了當(dāng)初始電壓超過3.2 V的閾值電壓時(shí)，開始進(jìn)行一次負(fù)脈沖充電，后停充一小段時(shí)間，然后執(zhí)行大電流充電操作。從圖4和圖5可以看出，電池的最終電壓Vend不會(huì)超過充電電壓3.65 V。充電過程中沒有發(fā)生過充現(xiàn)象。在試驗(yàn)中，測(cè)得室溫為32.2 ℃，在小電流充電時(shí)，電池溫度接近室溫，當(dāng)進(jìn)行大電流充電時(shí)，電池溫度升高到37 ℃。溫度曲線如圖4中虛線所示。相對(duì)電池參數(shù)上面的最大工作溫度為45 ℃，充電過程中的溫度上升是可以接受的。為了進(jìn)一步確認(rèn)該充電策略同樣適用于大容量電池，同樣對(duì)5 A·h的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，初始電壓為2.70 V，小電流充電時(shí)電流為2.5 A，最大充電電流達(dá)到10 A。

充電過程如圖6所示。

圖6中顯示，當(dāng)充電電流達(dá)到0時(shí),電池最終電壓Vend沒有超過充電電壓3.65 V。這個(gè)結(jié)果證實(shí)了該充電策略同樣適用于大容量電池。

隨后，使用其他兩種策略進(jìn)行充電，分別是CC-CV方法(策略1)和提前預(yù)測(cè)法(策略2)，用來和基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略的對(duì)比[9]。

前兩種充電策略的結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖6 大容量磷酸鐵鋰電池充電曲線

圖7 策略1充電曲線

圖8 策略2充電曲線

在同樣的初始電壓條件下，以上兩種充電策略分別需要67 min和38 min。經(jīng)過比較圖5、圖7和圖8，在0.5 A·h的電池容量下，3種充電策略中，文中提出的充電策略的充電時(shí)間是最短的。同時(shí)，在提前預(yù)測(cè)法中產(chǎn)生了較大的充電電流，可能會(huì)降低電池容量。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證文中提出的充電策略的優(yōu)點(diǎn)，3種充電策略在對(duì)完全放電的電池充電時(shí)的充電效率見表4。

表4 3種充電方法充電效率

在試驗(yàn)中，所有的電池初始電壓被控制在2.8 V。η用來顯示充放電的效率。為了保證測(cè)試的一致性，所有充電策略的最大充電電流為2C。在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，3種策略的充入電量分別是1.07、1.06、1.01 A·h。策略3為磷酸鐵鋰電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略，這表明該策略具有充電時(shí)間少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

通過對(duì)鋰電池充電策略進(jìn)行大量研究，提出了基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略。通過研究開路電壓和SOC之間的關(guān)系，準(zhǔn)確估計(jì)出電池的剩余電量,并據(jù)此執(zhí)行快速充電策略來減少充電時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，與同類充電策略相比，本充電策略充電效果突出，是進(jìn)行快速充電的新選擇。

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Fast charge strategy based on the residual energy evaluation

WANG Yuan, CHENG Fangxiao*, WANG Xu

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The State of Charge (SOC) is determined based on the open-circuit voltage of LiFePO4batteries. Then the charge state is adjusted according SOC value. Both charge time and charge efficiency are improved.

charge strategy; LiFePO4; State of Charge (SOC).

2016-03-22

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120362)

王 源(1992-)，男，漢族，山東菏澤人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:644638099@qq.com. *通訊作者：程方曉(1969-)，女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事測(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:chengfangxiao@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.08

TM 910.06

A

1674-1374(2016)06-0555-06