锂离子电池多种充电工况的对比评估研究

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锂离子电池由于综合性能优越而成为各大车企的首选动力源,广泛应用于电动汽车领域。如何有效管控电池,尤其是合理地选择充电方法对于满足用户需求、提高充电效率、延缓电池衰退至关重要。但是,目前对电池充电工况的研究很多而对各种典型方法的系统化对比评估处于缺失状态。考虑到不同工况的衰退特性存在差异,容量表征参数的重要性排序和容量估计方法的适用性也鲜有报道;而且,主流BMS嵌入的工况单一,针对不同用户实际需求并未进行充电工况的优化选择。因此,本文对5种实用充电工况开展了相关研究,具体内容如下。首先,针对不同充电工况的衰退特性存在差异的问题,在多种实用充电工况中选取1#恒流工况、2#恒功率工况、3#五阶段恒流充电工况、4#变电流间歇充电工况、恒流充电和恒d Q/d V充电相结合的5#复合充电工况5种充电策略进行45℃下加速老化循环实验,并在25℃下开展性能实验,性能实验包括容量测试、内阻测试和小倍率充放电测试。不同充电工况循环实验的充电目标为30分钟充满电池额定容量的80%,并制定实验规程。其次,针对目前对多种充电工况的系统化对比评估处于缺失状态的问题,进行不同工况下多个指标对比。对比指标包括容量、能量、内阻、开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)、能耗和充电能量效率,并从衰退机理角度分析磷酸铁锂电池不同充电工况所导致的性能衰退,发现1000个老化循环后,容量衰退速率最慢的是5#复合充电工况,能耗最高的是4#变电流间歇充电工况;基于容量增量曲线进行电池的内部衰退机理分析,发现导致电池容量衰退的主要原因为正负极活性材料的减少和活性锂离子的减少。最后,针对当前并未基于用户需求进行充电工况优化选择的问题,考虑不同的充电时间和荷电状态(SOC)区间进行充电工况的选择及对不同充电工况下容量估计方法的适用性进行评估。以起始充电SOC=20%,充电时间为10分钟为例,研究发现充电能量最大的工况为4#变电流间歇充电;提取不同充电工况下容量增量曲线的12个特征参数进行相关性分析,筛选与容量相关性强的参数,根据典型相关性分析原理对不同工况下电池的容量进行估计,所提出的模型估计误差基本控制在±2%以内,模型精度高。
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