间歇-正负脉冲蓄电池快速充电方法的研究*

吴铁洲,白 婷,胡丽平,李子龙

(湖北工业大学电气与电子工程学院,武汉 430068)



间歇-正负脉冲蓄电池快速充电方法的研究*

吴铁洲1*,白 婷2,胡丽平3,李子龙4

(湖北工业大学电气与电子工程学院,武汉 430068)

目前影响锂离子电池充电速度的关键问题之一是如何消除或减小充电过程中的极化现象。传统的快速充电法中使用比较广泛的是多阶恒流脉冲充电法,主要采用正脉冲、停充等方式来减小或消除极化效应,在一定程度上提高了充电速度,但效果不够理想。提出的间歇-正负脉冲充电法,首先依据析气点电压和极化电压监测蓄电池极化状况,然后采用两种模糊控制器,分别确定间歇-正负脉冲充电法中的正负脉冲宽度,采用交替充电和放电减少或消除充电过程中的极化现象。实验证明,间歇-正负脉冲充电方法比传统的采用停充方式的多阶恒流脉冲充电法充电速度提高了33.3%,充电效率提高了5.1%,温升降低了57%。

锂离子电池;快速充电;去极化;间歇-正负脉冲;模糊控制

电动汽车是未来汽车工业发展的趋势[1]。

蓄电池作为电动汽车的储能元件,受到广泛应用。锂离子动力电池与传统的铅酸和镉镍等电池相比,具有比能量高、使用寿命长、污染小和工作电压高等特点[2-3],得到了广泛应用。由于电动车自身的行驶特点,要求充电装置能够对蓄电池进行快速、高效、无损的充电[4]。锂离子电池的性能和使用寿命与充电方法的选择有密切的关系,选择一种高效的充电方法对蓄电池非常重要[5-6]。传统的快速充电方法有很多,多级恒流脉冲充电法是常用的一种,其采用多阶段恒流及脉冲结合的充电的方式,在一定程度上提高了充电速度[7]。然而在脉冲阶段,采用的是恒定的脉冲值对电池进行脉冲充电,且没有放电脉冲,只依靠停充来恢复极化效应。针对去极化问题,本文提出了间歇—正负脉冲充电方法快速充电方法,并将此方法与传统的多阶恒流脉冲充电方法进行对比。

1 间歇-正负脉冲充电法的基本原理

锂离子电池主要由两个电极、电解质、多孔隔板组成。正极主要采用含锂的化合物,负极多采用碳素材料[8]。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。锂离子充放电过程中存在欧姆极化、浓差极化和电化学极化等。极化现象的存在使得蓄电池的充电过程无法完全吻合马斯提出的蓄电池固有的可接受充电电流的特性曲线,导致锂离子电池充电速度变慢[9]。

传统的多级恒流脉冲充电方法采用的是大电流恒流脉冲充电,电池端电压随充放电电流变化曲线如图1所示。从图1中可知大电流充电固然可以加快充电速度,但能量损失也大,故充电后期应减小充电电流。大电流放电时,电压下降明显,斜率很大,其放电时间缩短,同时终止电压变低,故放电电流不宜过小。

图1 电压与充放电电流的关系

图2 间歇-正负脉冲充电方法示意图

通过以上分析研究,本文对传统的多级恒流脉冲充电法的恒流脉冲进行了改进,如图2所示。第1阶段,蓄电池初期的电荷容量较低,极化现象不明显,此时蓄电池的充电接受电流能力是最强的,因此采用大电流恒流充电,使蓄电池在较短时间内获得尽可能多的电量。第2阶段,由于蓄电池充电接受能力有限,充电电流值应随充电过程逐渐降低。又由马斯三定律可知,停充和放电脉冲能有效的去除极化作用[10],于是将第2个阶段分成3个等级,每级充电电流脉冲周期恒定,脉冲幅度逐级递减,每个等级之间加负脉冲,负脉冲前后加间歇。第3阶段,采用恒压补足充电。该阶段采用恒压充电使充电电流自动减小至某一阈值时,停止充电。

新型的充电方法不采用阶段恒流充电,而是采用电流逐渐减小并加入负脉冲的方式。充电过程中随着电解液浓度升高,端电压也不断升高,极化分布情况也不断变化。欧姆压降主要与充电电流有关且成正比,而快速充电必须加大充电电流,因此针对欧姆电阻一定的蓄电池,在快速充电过程中无法降低欧姆压降。如果能降低电化学极化电压和浓差极化电压,即在蓄电池电动势一定的情况下,使析气点的电压尽可能低,则蓄电池的极化将不严重,蓄电池只产生微量析气或不产生析气,因而可实现对蓄电池进行高效、无损、快速地充电[11-13]。因此,在蓄电池充电过程中选择一个合适的析气点电压Uq,既保证一定的充电电流,又使得析气不严重,这个合适的析气点电压称之为析气点阈值电压Uqth。浓差极化在接近析气电压阈值Uqth时明显增大,必须及时消除才可继续快速充电。因此,可以在蓄电池充电过程中获取析气点电压Uq和极化电压Uj,根据其大小来决定去极化脉冲给定时间、去极化脉冲宽度幅值。

因此,间歇—正负脉冲的关键是根据蓄电池温度的变化TA、蓄电池容量C和蓄电池析气点电压Uq决定上一阶段充电结束,间歇适当时间,由蓄电池的极化电压Uj和蓄电池荷电状态SC以及蓄电池上升的温度TC决定放电脉冲的宽度W。本文将通过模糊控制器[14],确定以上参数。

2 模糊控制器

2.1 模糊控制器的组成

模糊控制器的基本组成如图3所示,主要有3个功能模块。

图3 模糊控制器的组成

(1)模糊化

模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。

(2)模糊推理

模糊推理是模糊控制器的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则进行的。

(3)清晰化

清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量。

2.2 模糊控制器的设计

锂离子电池快速充电系统的控制部分由两个模糊控制器构成,两个控制器都采用多输入单输出的形式,控制结构如图4所示。图中,模糊控制器1用于控制充电正脉冲宽度,模糊控制器2用于控制去极化放电脉冲宽度。

充电正脉冲的宽度通过模糊控制器1来实现。对锂离子电池使用正脉冲充电。

图4 系统控制结构图

当析气点电压Uq大于析气点阈值电压Uqth,则转入去极化。由模糊集合论可知,可以用状态变量来描述一个确定的系统,一个状态变量可以表示为一个模糊集合,记为

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

(1)

式中A(u)、B(u)表示在论域M上的相关模糊子集。模糊控制的目标就是要找到一个控制函数μ(u),使隶属度μA(u)和μB(u)为最大值,从而使式(1)最大限度地接近控制指标。

图5 模糊控制器1的结构

如图5所示。模糊控制器1中,μ(u)来自知识库,知识库存有充电领域专家的经验和知识,以及各种模糊推理规则,通过一组输入变量Ii(i=1,2,…,n),经过模糊推理,输出一组变量Qj(j=1,2,…,m)。

本系统用IFC1·C2·…·CnTHEND的形式来表示知识与规则。式中C1,C2,…,Cn表示发生的事件,即可以是输入变量,也可以是标准常数;符号“·”代表逻辑关系算子,它既可以表示关系运算“>”、“<”、“=”等的单项或组合,也可以表示逻辑运算“NOT”、“AND”、“OR”的单项组合。

根据系统的输入变量TA(电池表面温度)、Uq(析气点电压)和C(电池容量),以及常数Ts(25 ℃时的温度),可以写出如下一组推理规则:

(1)IFTA/Ts≥μT(u)THENS1

(2)IFC≥μC(u)THENS2

(3)IFUq≥UqthTHENS3

上述规则的含义和作用是:

(1)如果电池温度超过某一阈值μT(u),系统就会产生过热信号S1,并及时减小电流值。

(2)如果充电容量到达某一最低限值μC(u),就产生容量到达信号S2,并提醒操作员注意。

(3)如果充电过程中,析气点电压Uq大于析气点阈值电压Uqth时,就产生信号S3,即开始去极化措施。

去极化反向放电脉冲的宽度由模糊控制器2实现。在第1阶段正脉冲充电结束后静止一段时间,在静止期间检测蓄电池的极化电压Uj。模糊控制器把蓄电池的极化电压Uj和蓄电池的荷电状态SC作为模糊控制器的两个输入变量,去极化脉冲宽度W′作为输出。又因为不适当的充电结果会导致电池温度过渡升高,影响有效的充电电阻,因此,W′需经过温度TC的修正得到真正的去极化脉冲宽度W。如图6所示,其中输入:

Uj=U-E

(2)

式中U为蓄电池的端电压,E为对应于当时电池内部电解液浓度的平衡电势。

图6 模糊控制器2的结构

(3)

式中,C0为初始电量,Cε为电池充放电量,Cm为电池额定容量:

C0=Cm-Cdisch

(4)

充电时充入的电量取值为:

(5)

式中,k是充电系数,其为蓄电池实际接收的充电电流与充电装置输出的充电电流之比;ich是充电电流值;t是充电时间;放电时放出的电量取值为:

(6)

式中,idisch为放电电流值;t为放电时间。

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

(7)

式中,TA是蓄电池表面温度,TB是外界周围温度。

Uj、SC和W′的模糊集取为{ZEPSPMPBPV}。分别代表小、中小、中、中大、大、负大、负小、零、正小、正中、正大、正很大。

Uj和SC的论域取为{0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},

W′的论域取为{0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8,+9}

图7 Uj、SC和W′的隶属函数曲线

Uj、SC和W′的隶属函数均取三角形。Uj的隶属函数如图7(a)所示,由于蓄电池各阶段的荷电状态对去极化电压的灵敏度不同,一般在荷电状态较低时,对去极化电压影响不敏感,因此SC的隶属函数取为不对称型,如图7(b)所示,W′的隶属函数如图7(c)所示。

根据实验和经验得Uj、SC和W′模糊控制规则如表1所示。本文采用的去模糊的方法是常用的重心法,从而得到Uj、SC和W′的模糊控制查询表,如表2所示。重心法公式如下:

(8)

式中Wi是规则中推理的结果,Bi是模糊输出量的中心元素位置,n是输出模糊量的个数,y是输出。

表1 Uj和SC的模糊控制规则表

表2 Uj、SC和W′的模糊控制查询表

3 实验结果及分析

正脉冲参数确定。实验中使用3.6V/1500mAh的锂离子电池,第1阶段采用1C大电流充电,当检测端电压为4.2V时,停止第1阶段充电。同时在前文已说明整个充电过程应根据指数最佳充电曲线,电流值逐级递减。本文将递减规律定为1/2,即在第1阶段充电电流采用1C的基础上,第2阶段第1级采用1/2C、第2级采用1/4C、第3级采用1/8C。又通过模糊控制器1,得出每阶段正脉冲宽度为900ms。

负脉冲参数确定。如果负脉冲的幅值太小,去极化的效果不会很明显,如果负脉冲的幅值太大,蓄电池将被损坏[15]。用不同的放电电流,分别测量温度的上升值,曲线如图8所示。从图8中可以看出,电池在0.5C电流放电时,温度持续下降。在1C电流时,温度保持。当用一个大电流5C放电时,温度在10min之内快速上升了6 ℃。数据显示,大电流放电引起温度持续上升,这是由于大的放电电流在电池内阻上产生的热量比化学反应吸收的热量更多,如果用一个持续时间太长或者幅值太大的负脉冲对蓄电池放电,它将会产生很多热量,损害电池寿命。因此,本文选择不会引起明显温度变化的1C作为负脉冲的幅值。又通过模糊控制器2可得,负脉冲的脉冲宽度为30ms。

图8 不同放电电流下电池温度变化曲线

实验分别选择间歇-正负脉冲充电方法和传统阶段脉冲充电法对电池充电,实验结果如图9所示,传统的阶段脉冲充电方法的充电时间为4500 s,间歇-正负脉冲充电方法的充电时间为3000 s。在充电时间上,间歇-正负脉冲充电方法明显优于传统的阶段脉冲充电方法,加快了充电时间。在表3中,充电效率定义为放电容量除以充电容量,可以看出,在温升和充电效率上,间歇-正负脉冲充电方法明显优于传统的阶段脉冲充电方法。

图9 两种充电方法充电过程中电压变化曲线

表3间歇-正负脉冲充电法与传统的阶段脉冲充电法对比结果

充电方法充电时间/s充电效率/%温升/℃传统的阶段脉冲充电方法450093．487间歇-正负脉冲充电法300098．573

4 结论

本文针对传统的多级恒流脉冲充电法无法很好的去除充电过程中的极化问题,提出了间歇-正负脉冲充电法。采用了以蓄电池析气点电压Uq、极化电压Uj和荷电状态SC为模糊控制器输入变量,以正脉冲及去极化脉冲的宽度作为模糊控制器输出,并根据电池上升的温度TC进行修正的实时去极化策略,得出充电过程中的正负脉冲参数。本文对间歇-正负脉冲充电方法进行了实验,将实验结果与传统的多阶恒流脉冲充电法进行对比,结果表明,间歇-正负脉冲充电方法比传统的多阶恒流脉冲充电法充电速度提高了33.3%,充电效率提高了5.1%,温升降低了57%,真正实现了高效、快速、无损的充电思想。

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吴铁洲(1966-),男,汉族,湖北天门人,博士,2010年毕业于华中科技大学控制科学与工程系系统所,现任湖北工业大学教授,研究方向为蓄电池充放电技术,wtz315@163.com;

白婷(1989-),女,汉族,湖北武汉人,湖北工业大学在读硕士,研究方向为蓄电池充放电技术,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

项目来源:国家自然科学基金项目(51247004);湖北省科技厅项目(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