電動汽車用鋰離子動力電池大功率快充方法研究

湯愛華,龔 鵬,姚 疆,張瑩瑩

(重慶理工大學 1.車輛工程學院;2.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400054;3.重慶市公安局 交通管理局,重慶 400054;4.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司,重慶 401329)

鋰離子動力電池(以下簡稱鋰電池)因循環(huán)壽命長、比能量和比功率高、自放電率低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域[1]。電動汽車所面臨的“充電焦慮”和“里程焦慮”已嚴重阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進程[2],電動汽車用鋰電池大功率快速充電方法已成為電動汽車行業(yè)的痛點與熱點。不當?shù)目焖俪潆姇斐呻姵仃枠O表面析鋰并加速鋰電池老化,導致電池容量衰減和功率衰退[3]。電池析鋰后,鋰電池放電時會引起鋰電池容量迅速下降。一方面,低溫環(huán)境下的大功率快充會進一步加劇析出的金屬鋰與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng),進而觸發(fā)鋰電池熱失控[4,5];另一方面,析出的金屬鋰可能會以樹枝狀的鋰枝晶形式附在石墨電極表層,不斷析出的金屬鋰會促進鋰枝晶生長進而可能刺穿隔膜,使得正負極直接相連,誘發(fā)鋰電池內(nèi)短路,進而導致鋰電池熱失控[6],嚴重制約了鋰電池在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。在鋰電池充電過程中,隨著環(huán)境溫度不斷上升,電池固體電解質(zhì)界面(Solid electrolyte interphase,SEI)膜增長,進而導致電池容量衰減[7]。溫度繼續(xù)升高還會出現(xiàn)SEI膜分解、電極與電解液反應(yīng)、隔膜融化、電解質(zhì)溶液分解等過程[8],加速電池老化和引發(fā)熱失控。因此,對高低溫下電動汽車用動力電池大功率快充方法進行研究意義重大。

本文從闡述鋰電池熱失控機理和溫度對電池特性的影響及相關(guān)措施出發(fā),分析了高低溫環(huán)境下鋰電池大功率快充方法的優(yōu)缺點和適用范圍,提出鋰電池在高低溫下大功率快充方法的挑戰(zhàn)與前景。

1 鋰電池熱失控機理

鋰電池在使用過程中伴隨著電池內(nèi)部復雜副反應(yīng)會生熱,導致電池內(nèi)部出現(xiàn)溫度分布不均勻,影響鋰電池的使用壽命、可靠性與安全性[9-14]。鋰電池熱失控機理[15]如圖1所示,電池濫用會使得鋰電池內(nèi)部熱量累積,引發(fā)電池內(nèi)部SEI膜分解、隔膜熔化、電極與電解液發(fā)生電化學反應(yīng)等副反應(yīng)發(fā)生,在電池內(nèi)部形成鏈式反應(yīng),最終觸發(fā)熱失控[12]。

圖1 鋰離子電池熱失控機理圖

為進一步研究電池熱失控,Spotnitz等[13]研究了電池內(nèi)部各類副反應(yīng)產(chǎn)熱,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了針對各種濫用行為如過充、過熱、內(nèi)短路、針刺和擠壓等的熱失控模型。清華大學電池安全實驗室通過不斷實驗總結(jié)出鋰電池熱失控的3個特征溫度:自生熱起始溫度t1、熱失控觸發(fā)溫度t2和熱失控最高溫度t3,完整地揭示了3種熱失控觸發(fā)機理。第1種是過充、快充、低溫充電等導致的負極析出活性鋰,第2種是撕裂、擠壓、機械變形、隔膜破裂、過充過放、過熱等導致的內(nèi)短路以及自引發(fā)內(nèi)短路,第3種是正極釋放活性氧。在新電池體系中,隨著隔膜和負極材料的發(fā)展,正負極氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量成為導致熱失控的直接原因[14]。如圖1所示,在熱失控過程中,電池負極的副反應(yīng)首先開始進行,包括SEI膜分解反應(yīng)(70～130 ℃)和嵌鋰石墨負極與溶劑反應(yīng)(120～200 ℃)等。鋰電池電解液中的溶質(zhì)LiPF6在高溫下也會發(fā)生分解,生成PF5等。當溫度上升到200 ℃左右時,正極材料開始分解,同時釋放出大量氧氣。在高溫下,正極材料及其產(chǎn)生的氧氣作為強氧化物,會與電解液和負極材料發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng),伴隨著大量熱量釋放,引起電池劇烈升溫,并進一步引起黏結(jié)劑反應(yīng)、電解液燃燒,導致電池發(fā)生熱失控。圖1中t1為自產(chǎn)熱起始溫度,當電池自產(chǎn)熱速率高于0.02 ℃/min(圖1中的a點)時,鋰電池內(nèi)部會出現(xiàn)明顯的自產(chǎn)熱;t2為電池的熱失控觸發(fā)溫度,當電池自產(chǎn)熱速率高于60 ℃/min(圖1中的b點)時,鋰電池內(nèi)部迅速升溫,溫升速率甚至可能高達105℃/min;t3為熱失控出現(xiàn)的最高溫度,可高達1 000 ℃[15]。

2 溫度對鋰電池特性影響及相關(guān)措施

鋰電池具有較高溫度敏感性和相對狹窄的工作溫度范圍[16-27]。在充放電過程中,鋰電池工作特性受其工作溫度影響,其安全性和可靠性要求甚至限制了鋰離子電池在大功率設(shè)備中的應(yīng)用[28,29]。因而當鋰電池工作溫度超出適宜溫度范圍時需要對其進行熱管理。鋰電池熱管理的核心是對傳熱效果進行控制,其主要體現(xiàn)在3個方面:一是在低溫工作環(huán)境下,需要對電池提供加熱和保溫的措施;二是在電池溫度過高時,通過相應(yīng)的散熱措施給電池降溫;三是保證電池模組溫度的一致性[30-34]。

2.1 低溫加熱方法

國內(nèi)外對低溫加熱的研究主要分為2類:內(nèi)部加熱和外部加熱,如圖2所示。

圖2 低溫加熱方法分類圖

2.1.1 外部加熱法

電池外部加熱主要包含空氣加熱、液體加熱、寬線金屬膜加熱、相變材料加熱、珀爾貼效應(yīng)加熱等方法?？諝饧訜岱ㄒ钥諝庾鳛榻橘|(zhì)對鋰電池進行加熱。通常利用強制空氣對流方式,采用外加風扇把熱空氣輸入鋰電池箱體內(nèi)部,同鋰電池進行熱交換。采用熱空氣直接對鋰電池箱進行加熱的方式易增加空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)負載,從而造成熱管理系統(tǒng)效率下降。與空氣加熱法類似,液體加熱法利用液體導熱率高的特點,直接接觸式液體熱傳導速率高于空氣,其加熱速率高,且能同時滿足加熱和冷卻的要求[35],在復雜電動汽車工況下,液體能夠較好地滿足鋰電池熱管理的需求?，F(xiàn)在較為常見的方法是將液體與外界熱交換產(chǎn)生的熱量輸入鋰電池模組,可通過布置管路或把電池模塊沉浸在液體中的方法,但液體加熱法成本高,且存在液漏風險[17]。寬線金屬膜加熱法則以電流通過寬線金屬膜時產(chǎn)生的熱量來加熱鋰電池,其加熱效率高,溫度均勻性較好[36],在方形鋰電池上更容易實現(xiàn)安裝和使用,但需要精確的溫度控制系統(tǒng),在高溫下金屬膜的存在會對鋰電池單體散熱造成影響。相變材料加熱法因相變材料(Phase change material,PCM)具有強大蓄熱潛能而被鋰電池熱管理系統(tǒng)所采用,目前多集中在實驗室研究階段。在低溫環(huán)境下,PCM通過從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程中釋放存儲的熱量,可對鋰電池進行加熱和保溫。但PCM的導熱系數(shù)普遍較低,需要加入高導熱材料如膨脹石墨、碳納米管等增加其導熱能力,導致使用成本增加[37,38]。珀爾貼效應(yīng)加熱法利用電流流經(jīng)2種不同導體界面時對外吸熱或者放熱的原理。利用這種特性控制電流方向,便可以實現(xiàn)加熱或制冷2種功能,通過改變電流大小進而精準調(diào)節(jié)加熱或制冷強度,一般應(yīng)用于半導體制冷。利用珀爾貼效應(yīng)進行鋰電池熱管理效率相對較低,且基于珀爾貼效應(yīng)的熱管理系統(tǒng),其加工制造工藝較為復雜,設(shè)計和使用成本較高[37,39]。不同外部加熱法優(yōu)缺點總結(jié)如表1所示。

表1 不同外部加熱法優(yōu)缺點比較表

2.1.2 內(nèi)部加熱法

鋰電池內(nèi)部加熱基于電流流經(jīng)具有電阻特性的導體生熱的原理來完成對鋰電池加熱。內(nèi)部加熱法根據(jù)電流不同流向劃分為充電加熱法、放電加熱法和交流激勵加熱法。Wang等[40]提出了一種鋰電池自發(fā)熱方案,將鎳箔加熱片嵌入單體鋰電池內(nèi)部,通過鋰電池放電過程生熱和內(nèi)部鎳箔加熱片復合升溫實現(xiàn)低溫環(huán)境下對鋰電池快速加熱。陳澤宇等[41]提出一種基于短時大電流自放電的電觸發(fā)極速自加熱方法,以18 650類鋰電池為研究對象,分析加熱過程中的電池產(chǎn)熱及溫升特性,進而設(shè)計出基于鋰電池溫度預(yù)測的極速加熱控制策略。該控制策略采用的模型僅考慮了加熱時間,沒有考慮加熱電流,也沒有考慮加熱過程中可能引發(fā)的電池老化及損傷問題。熊瑞等[42]提出了一種鋰電池直流和交流疊加激勵加熱方法。該方法在確保電池健康狀態(tài)的前提下,自動調(diào)節(jié)交流激勵電壓、電流幅值和頻率,使鋰電池始終處于峰值安全電流/電壓范圍之內(nèi),以確保電池安全與合理溫升速率,解決了低溫環(huán)境下鋰電池在高荷電狀態(tài)(State of charge,SOC)段施加交流電時易超壓且加熱速率慢等問題。

2.2 高溫散熱方法

高溫散熱一般采用空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻、復合材料冷卻等方法?？諝饫鋮s即利用空氣作為冷卻介質(zhì)對電池模組進行降溫,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、重量輕等優(yōu)點[43-47],在熱管理系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。電動汽車工作在復雜工況下,空冷系統(tǒng)已無法滿足電池冷卻需要[48],可采用導熱率更高的液體冷卻。以冷卻液是否與電池直接接觸作為評判標準,將其分為直接接觸和間接接觸2種方案[49]。間接接觸與直接接觸式液體冷卻相比,冷卻效果要差一些,但是對冷卻介質(zhì)的要求相對較低。由于存在液漏風險,液體冷卻對冷卻介質(zhì)的選擇以及密封性要求較高。Deng等[50]研究了冷卻通道數(shù)量、冷卻通道布置以及蛇形流道冷卻液入口溫度與熱管理系統(tǒng)冷卻性能的關(guān)系,其結(jié)果表明,在長度流動方向上5個通道的布局方式冷卻性能更佳。熱管冷卻具有導熱率高、熱流方向可逆、等溫性高等優(yōu)點[51],其冷卻原理為利用冷卻介質(zhì)在電池表面發(fā)熱端吸收熱量,冷卻液吸熱氣化到達冷端,再通過多孔材料將冷凝后的液化氣體輸送至毛細管,再吸收到熱端,以此重復循環(huán),實現(xiàn)冷熱控制。相變材料冷卻根據(jù)低溫環(huán)境下PCM通過相變釋放存儲的熱量,可對鋰電池進行加熱和保溫。Kizilel等[52,53]采用高脈沖功率對鋰電池放電,將相變材料應(yīng)用在被動式熱管理系統(tǒng)時,發(fā)現(xiàn)散熱速率要比主動散熱快,并能保持鋰電池內(nèi)部溫度分布較為均勻。復合冷卻是將2種冷卻系統(tǒng)混合,較為常見的混合冷卻方式有風冷與相變材料耦合、液冷與相變材料耦合、風冷與液冷耦合、液冷與熱管耦合等,常用于電池模組。不同冷卻方法優(yōu)缺點總結(jié)如表2所示[54-56]。

表2 不同冷卻方法比較表

3 高低溫下鋰電池大功率快充方法

傳統(tǒng)的電池充電方法來源于國際公認的經(jīng)驗法,分別是恒流充電法、恒壓充電法、恒流恒壓(Constant current constant voltage,CCCV)充電法[57]。恒壓、恒流充電法即在充電過程中保持充電電壓、電流不變。而CCCV[58]充電法是將電池充電過程分為2個階段,即恒流和恒壓階段。充電時,電池先以設(shè)定的電流進行充電,直到電池電壓達到預(yù)設(shè)值時,轉(zhuǎn)為恒壓充電,持續(xù)充電至充電電流低至預(yù)設(shè)值時充電結(jié)束。電池整體充電時間的長短主要取決于CC階段的充電速率。但因充電時間長、充電效率低等原因,傳統(tǒng)電池充電方法已經(jīng)無法滿足當前電動汽車使用需求。Li等[59]通過建立鋰電池的電-熱-老化耦合模型,提出了一種基于粒子群優(yōu)化算法的充電電流自適應(yīng)控制策略,減少了充電時間和電池老化。Liu等[60]在建立電-熱-老化耦合模型的基礎(chǔ)上,通過電流、電壓、荷電狀態(tài)和溫度的約束,制訂電池老化、充電速率和能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化目標。優(yōu)化后的CCCV策略能夠?qū)崿F(xiàn)可行的健康感知充電,并在充電速率和能量轉(zhuǎn)換效率之間取得理想平衡。Liu等[61]提出了一種基于連續(xù)正交陣列(Continuous orthogonal array,COA)的五步充電模式搜索方法。該充電模式能夠在130.7 min內(nèi)將鋰離子電池充電到95%的容量。與傳統(tǒng)的循環(huán)電容充電法相比,該充電模式可提升57%的循環(huán)次數(shù)和1.02%的充電效率,并減少11.2%的充電時間。但以上改進都只適用于常溫充電,當鋰電池處于低溫或者高溫時并不適用。Yang等[62]提出了一種非對稱溫度調(diào)制的極速充電方法,在60 ℃的高溫下為電池充電10 min,然后在較低溫度下放電。短時間暴露在60 ℃高溫下,可有效消除析鋰現(xiàn)象,且陽極采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面積低的石墨材料以抑制SEI膜增長,最終可達到充電10 min增加約321 km的里程且增加使用壽命。該方法因充電溫度高,鋰電池相對發(fā)熱速率較小,在60 ℃溫度下充電可將電池冷卻需求降低。打破了高溫下鋰電池需要散熱降溫的傳統(tǒng)思維,但當電池溫度低時,需耗費一定時間將鋰電池加熱至高溫。王泰華等[63]對鋰離子電池低溫充電實驗進行數(shù)據(jù)分析與建模,再用遺傳算法對CC段充電電流曲線進行優(yōu)化,得到了低溫充電的優(yōu)化策略,有效減少低溫容量衰減和充電時間。低溫下如果不對鋰電池進行預(yù)熱,始終無法真正解決電池容量衰減現(xiàn)象,且溫度越低,容量衰減越明顯。

3.1 馬斯三定律

20世紀60年代,馬斯(Mas)通過對電池進行大量充電和放電實驗,得到了電池可接受充電電流曲線,如圖3所示,并提出了著名的馬斯三定律。

圖3 電池可接受充電電流曲線圖

第一定律對于任何給定的放電電流,電池充電時的電流接受比與電池放出容量的平方根成反比

(1)

由于電池的接受電流I0=αC,所以有

(2)

第二定律對于任何給定的放電量K,電池充電電流接受比α與放電電流Id的對數(shù)成正比,即

α=K2lg(kId)

(3)

第三定律電池在以不同的放電率放電后,其最終的允許充電電流Ic是各個放電率下允許充電電流的總和

Ic=I1+I2+I3…

(4)

從而推出電池總電流接受比

α=It/Ct

(5)

式中:K1為放電電流常數(shù);K2為放電量常數(shù);k為計算常數(shù);It為放電電流總和;C為電池放電的容量;Ct為電池放出的全部電量。

以上3個基本定律構(gòu)成了鋰電池快充理論基礎(chǔ),揭示了鋰電池可接受充電電流與放電量之間的內(nèi)在聯(lián)系,指出了提高電池充電電流接受比和加快電池充電進程的有效途徑是在充電過程中對電池進行適度放電[64]。

3.2 多階恒流充電法

多階恒流充電(Multistage constant current charging,MSCC)法是針對CCCV充電過程中CC段充電時間過長而提出的解決措施,按充電電流遞減的趨勢將整個充電過程分為若干段,對每段充電過程的電流給出預(yù)設(shè)邊界。通過設(shè)定優(yōu)化目標和選取優(yōu)化方法確定每段充電電流的取值。若要將鋰電池充滿,則需要降低最后一階段的充電電流,但會增加充電時間,因此該方法適用于非充滿場合,一般SOC低于80%為宜。如果MSCC電動汽車搭配脈沖間隙,可明顯消除電池極化現(xiàn)象。Gaglani等[65]提出了采用田口法優(yōu)化充電電流的鋰電池多級恒流快速充電方案。與傳統(tǒng)充電方案相比,該方法的充電時間減少了34.21%,但沒有考慮充電溫升對電池帶來的影響。周翠翠[66]設(shè)計了一種基于溫升模型應(yīng)用權(quán)重系數(shù)均衡充電溫升及充電時間的多段恒流快充優(yōu)化方法,在確?？斐涞那疤嵯?控制電池溫度在給定范圍內(nèi),但沒有考慮對充電過程的負極析鋰進行控制。Alhaider等[67]基于MSCC電動汽車法提出了溫度補償(Temperature compensation,TC)多階恒流充電(TC-MSCC)方法。它通過使用電池溫度的反饋來控制每個充電電流步驟的持續(xù)時間和啟動時間,從而提高了電池的工作壽命。與傳統(tǒng)的MSCC方法相比,TC-MSCC方法能夠延長鋰電池工作壽命和降低熱應(yīng)力。孫維毅[68]提出了基于粒子群優(yōu)化算法的多階恒流快充策略,以充電時間、充電容量和能量效率為優(yōu)化目標,相比傳統(tǒng)的CCCV充電,該方法在充電時間和溫升上均有所改善,實現(xiàn)了對不同充電需求的動態(tài)適應(yīng)。Xu等[69]基于電化學-熱-老化耦合模型提出采用動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法搜索次優(yōu)充電電流曲線,通過抑制SEI增長而抑制容量衰減,增大SEI電勢,以減少析鋰,降低溫升從而避免熱失控。優(yōu)化后的充電電流曲線隨循環(huán)次數(shù)和充電狀態(tài)而改變,與恒流充電相比,優(yōu)化后的充電策略在3 300次以上的充放電循環(huán)中,容量衰減率可降低4.6%,SEI電位可提高57%,溫升可降低16.3%。當鋰電池處于低溫或高溫環(huán)境中時,除了多階段恒流充電策略對溫度實現(xiàn)控制外,還應(yīng)該結(jié)合熱管理系統(tǒng)對處于極端溫度環(huán)境下的鋰電池進行熱管理。

3.3 脈沖充電

脈沖充電過程中存在短暫的間隙過程或放電過程。該方法旨在減少極化電壓,使電池內(nèi)部離子濃度趨于均勻,進而減小阻抗和產(chǎn)熱、提高充電效率、縮短充電時間和延長使用壽命,因而該方法目前被廣泛采用[70,71]。Chen[72]提出一種以最佳充電頻率對鋰電池進行脈沖充電的變頻調(diào)速系統(tǒng),以改善鋰電池的充電響應(yīng),實現(xiàn)理論預(yù)測的快速充電過程。與標準的恒流充電系統(tǒng)相比,所提出的變頻充電系統(tǒng)的充電時間縮短約24%,但沒有對充電過程中的溫度進行監(jiān)控和控制。楊璐[73]設(shè)計了雙向脈沖充電策略,對鋰電池進行快速充電,對比了傳統(tǒng)的恒流充電,討論了在低溫條件下對鋰電池快速充電的影響。通過對-10 ℃的三元鋰電池運用不同脈沖電流參數(shù)進行低溫充電性能實驗,分別從鋰電池充電容量損失、電池內(nèi)部狀態(tài)等方面進行了綜合評價,總結(jié)了脈沖充電電流參數(shù)與鋰電池低溫特性的直接關(guān)聯(lián)。Du等[74]提出一種基于充電時間、充電容量、充電過程中溫度變化和循環(huán)充電過程中電池壽命下降的評價體系,通過建立溫升估算模型,估算了充電過程中的產(chǎn)熱和溫升。結(jié)果表明脈沖大功率充電模式在快速充電和電池容量衰減方面達到了較好平衡。Yin等[75]基于脈沖充電法,設(shè)計了一種最優(yōu)頻率和負載控制的動態(tài)算法以保護電池不受過電壓和過熱的影響,從而使得電池容量和使用壽命不衰減。該算法減小了內(nèi)阻生熱,提高了充電效率,使?jié)獠顦O化保持在較低水平,可在20 min內(nèi)完成最大容量80%的充電,且不會損壞電池特性。葉曉劍等[76]提出分段恒流結(jié)合脈沖方法,經(jīng)實驗證明該方法能極大削減電池極化現(xiàn)象,在不損傷電池的前提下縮短充電時間,提高充電效率。當鋰電池處于低溫或高溫時,除了脈沖充電策略本身對溫度進行控制外,還應(yīng)該結(jié)合熱管理系統(tǒng)對處于極端溫度下的鋰電池進行低溫預(yù)熱或高溫冷卻。

3.4 智能充電

智能充電方法基于鋰電池快充理論采用智能控制來調(diào)節(jié)充電過程,能夠依據(jù)鋰電池充電進程中的參數(shù)和狀態(tài)改變情況來精準調(diào)節(jié)快速充電參數(shù),從而使得鋰電池時刻處于最佳充電狀態(tài)。較為常見的智能充電算法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法、遺傳算法等。以此為依據(jù)的智能充電器能夠針對每一種電池的特性給出不同的充電模式(控流、控壓、控溫、控時)并采用相應(yīng)的算法進行充電,以達到良好的充電效果,但因目標相互競爭,無法實現(xiàn)全部優(yōu)化。一般模糊控制的電池充電系統(tǒng)用于推斷出適當?shù)某潆婋娏饕蕴岣叱潆娦阅?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等被用于微調(diào)和優(yōu)化模糊控制的電池充電系統(tǒng)的變量,從而獲得適當?shù)某潆婋娏饕蕴岣叱潆娝俣萚72]。王泰華等[63,66]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和粒子群算法對傳統(tǒng)CCCV充電策略進行優(yōu)化,有效減小了低溫環(huán)境下的充電老化速率及充電時間,但沒有采用熱管理系統(tǒng),始終不能克服低溫充電時電池負極析鋰現(xiàn)象以及電池容量衰減問題。Ullah等[77]基于NeuFuz神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了1款超高速電池充電器,可以持續(xù)監(jiān)測鋰電池狀態(tài),并相應(yīng)地修改充電電流,可達到20～30 min的超快充電,并延長電池壽命。Yin等[78]通過結(jié)合恒流充電和脈沖放電電流來抑制電池老化,采用非線性模型預(yù)測控制方法,確定了不同電池SOC下的最佳充電電流,并根據(jù)開發(fā)的降階電化學壽命模型確定最佳充電溫度,降低了副反應(yīng)速率和析鋰率。麻友良等[79]采用遺傳算法來控制多段恒流充電,通過鋰電池充電進程中電阻值大小來動態(tài)控制充電電流,提高電池充電速率和充電效率,該策略應(yīng)用在鋰電池充電過程中可有效降低電極析鋰現(xiàn)象。吳鐵洲等[80]利用模糊控制來確定鋰電池充電過程中電極極化情況,通過優(yōu)化方法實現(xiàn)鋰電池SOC區(qū)域內(nèi)快充電流的控制,該方法縮短約20%的充電時間,且溫升不明顯。袁臣虎等[81]提出一種鋰電池四階段智能充電方法,在不同的充電階段采取相應(yīng)的充電方法,根據(jù)電池特性實時調(diào)整實際電流,減少電池極化電壓,提升了鋰電池的充電速率,有效控制電池的溫升量。吳鐵洲等[82]采用Taguchi充電法對五階恒流充電法進行了改進,通過正交表設(shè)計實驗來確定五階恒流充電的電流優(yōu)化值,監(jiān)測鋰電池SOC、溫度、析氣點電壓、極化電壓等狀態(tài)值,運用模糊控制器來控制快充電流,以消除充電進程中的電極極化現(xiàn)象。經(jīng)實驗驗證,該方法相比傳統(tǒng)五階段恒流充電策略,充電速率提升27.4%,降低最大溫升10.5%,充電效率提高0.5%。上述智能快充的目的是控制最優(yōu)電流,防止負極析鋰,或控制電壓防止過充,然后平衡壽命和充電時間等競爭目標,但若電池工作在高溫或低溫環(huán)境下,也必須要搭配鋰電池熱管理系統(tǒng)對電池進行低溫預(yù)熱和高溫散熱,使電池溫度處于25～40 ℃,防止低溫容量損失造成充電速度慢或充電析鋰的產(chǎn)生以及高溫散熱不均引發(fā)熱失控。當前幾種主流大功率快速充電方法優(yōu)缺點歸納與總結(jié)如表3所示。

表3 不同充電方法比較表

4 挑戰(zhàn)與前景

隨著“雙碳”國家戰(zhàn)略目標的提出,推動交通電氣化是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵戰(zhàn)略之一。減少電動汽車“里程焦慮”和滿足客戶期望需求,促使新能源汽車制造商將鋰電池大功率快速充電能力作為電動汽車電池組的關(guān)鍵設(shè)計功能是主要研究方向。盡管近年來研究人員在快速充電方面進行了大量研究,但仍存在諸多挑戰(zhàn)。

(1)現(xiàn)有的建模方法存在較大局限性。

為了節(jié)省計算資源和時間,大多研究者將等效電路模型作為基礎(chǔ)模型開展相關(guān)研究。等效電路模型具有結(jié)構(gòu)簡單、計算量小等優(yōu)點,但無法獲取有關(guān)鋰電池的內(nèi)部狀態(tài)信息,并且僅在有限條件范圍內(nèi)可靠,這些條件通常不能擴展到濫用條件。此外,全階電化學模型雖能較好地表征電池內(nèi)部特性且具有物理含義,但由于其自身復雜性使其不易實現(xiàn)實時運算。因而,需要能夠準確反映電池內(nèi)部狀態(tài)的全階電化學模型的降階模型,這些模型能夠在未來電動汽車用鋰電池快速充電的電池管理系統(tǒng)中實現(xiàn)。

(2)多場耦合下鋰電池的多維動態(tài)特性及其行為表征機制的研究不夠深入。

鋰電池老化衰減特性表征從最初基于電池健康狀態(tài)單一表征量到現(xiàn)在多參數(shù)表征,大多是從容量、阻抗等一維角度進行分析,可以增加新的評價指標如電池電極電位,構(gòu)成多維評價機制。目前尚未弄清電池內(nèi)部的電場、溫度場等多場分布規(guī)律和變化機制,還缺乏多應(yīng)力作用下的電-熱-老化機理模型來描述鋰電池多維動態(tài)老化衰退與熱失控機理特性,對鋰電池老化衰退過程中微觀參數(shù)與宏觀狀態(tài)表征量之間的映射關(guān)系尚未全面掌握。

(3)對高低溫下的鋰電池安全快充缺乏深入研究。

當前,還沒有可靠的車載方法來檢測關(guān)鍵衰退現(xiàn)象的發(fā)生,如電池負極析鋰或活性材料的機械裂紋。針對低溫環(huán)境下的大功率快速策略,相關(guān)研究大多只介紹了低溫下的加熱技術(shù)或者直接研究低溫下的鋰電池快充優(yōu)化,還缺乏綜合考慮低溫下鋰電池老化評價及邊界條件下的電動汽車用鋰電池大功率快速充電有效方法的研究。基于電池特征電壓平臺的析鋰層檢測技術(shù)具有良好的在線應(yīng)用前景,但能夠區(qū)分活性鋰剝離和其他平臺誘導現(xiàn)象的完全可靠的方法,或用于檢測未觀察到的電池電壓平臺的析鋰層的相關(guān)工作很少。針對高溫環(huán)境下的快充則主要關(guān)注高溫下的散熱技術(shù),或者開展高溫下的鋰電池快充優(yōu)化,鮮有研究完整地將鋰電池的熱管理與大功率快充結(jié)合起來進行討論。因而,針對高溫適應(yīng)環(huán)境可以結(jié)合現(xiàn)有的鋰電池快充技術(shù)和熱管理系統(tǒng),建立1套完整互補的熱管理快充體系,確保熱管理貫穿汽車的整個運行過程。

5 結(jié)束語

綜上所述,本文簡述了鋰電池熱失控機理和電化學-熱耦合模型,總結(jié)了鋰電池的熱管理方法和快充方法,并對比了各種熱管理方法的優(yōu)缺點和快充方法的優(yōu)缺點,最后對電化學-熱耦合模型和熱管理系統(tǒng)在低溫及高溫下的鋰電池大功率快充方法研究進行了展望。