一种适用于低温环境的锂离子动力电池充电方法＊

梅尊禹 吴晓刚 胡宸

（哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）

1 前言

电动汽车由于其清洁无污染、能量效率高以及能量源多元化等优点，已经成为汽车行业的一个新发展热点[1]。而锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、安全性高等特点而被广泛用于电动汽车[2]。但目前电动汽车续驶里程短的问题仍难以很好地解决，且在较低温条件下，锂离子电池又面临容量下降和充电困难等问题[3]。低温条件下电池内阻增加，电池内部化学活性降低，使得容量和输出能量降低[4]。相比于放电过程，低温条件下电池充电更加困难[5]，文献[6]对低温条件下锂离子电池的充电过程进行了分析，指出由于扩散作用产生极化内阻并构成内阻的主要部分，导致充电时迅速达到上限截止电压使充电过程停止，可充入电量大幅下降。

对于用于电动汽车的锂离子电池，传统的恒流-恒压充电法已经难以满足能量的快速补给需求。文献[7]中对锂离子电池充电过程中的温升和极化电压进行分析，分别得出了由温升和极化电压作为限制条件的电池充电电流边界曲线，并给出最适合的充电电流，缩短充电时间的同时增加了充入电量。文献[8]提出了一种可变周期电压脉冲充电策略，可以检测并动态跟踪适合的脉冲周期。与传统的恒流-恒压方法和传统定周期电压脉冲充电相比，充电速度和充电效率均提高。文献[9]建立了一种电池SOC估计模型，根据SOC对电池的充电过程进行控制，保证了电池充满且不发生过充现象。文献[10]将蚁群算法应用到充电策略中，给出了变电流充电过程中的最优电流选择路径，改善了电池的充电效果。文献[11]提出了一种两阶段恒流-恒压充电方法，恒流第一阶段采用最大充电倍率充电至充电截止电压，第二阶段降低一半的充电倍率再次充电至充电截止电压后，进行恒压充电完成整个充电过程。文献[12]、文献[13]研究发现，电池在放电过程中的温升较充电过程大，将脉冲充、放电过程加入到低温充电前，预热电池后对电池进行常规充电，提高了电池低温充入电量。

文献[7]～文献[11]所提到的充电方法没有涉及低温条件下的电池充电；文献[12]、文献[13]虽然通过预热电池提高了充入电量，但耗时较长，且不适用于SOC较低的情况。本文采用一阶RC等效电路模型对某三元聚合物材料锂离子电池和磷酸铁锂电池的充电过程进行分析，提出了一种多阶段恒流充电方式。在0℃和-10℃条件下对其充电效果进行了分析，并与常规恒流-恒压充电方法进行对比，进而验证本文所提出方法的有效性。

2 锂电池充电特性分析

2.1 电池和试验设备

试验中所使用的18 650圆柱形三元聚合物锂电池，标称容量2.6 A·h（实际容量2.7 A·h），最大放电倍率3 C，最大充电倍率1 C，循环次数可达1 000次。所用18650圆柱形磷酸铁锂电池标称容量为1.35 A·h（实际容量为1.37 A·h），最大放电倍率为1 C，循环次数可达1 000次。电池测试设备为8通道可编程电池测试仪，最大测试电压5 V、电流20 A，测试精度0.1%。恒温箱为高低温交变试验箱，温度范围为-40～150℃，温度精度0.01℃。试验设备如图1所示。

图1 试验设备

2.2 不同温度下的恒流-恒压充电试验

在25℃、0℃和-10℃条件下，采用恒流-恒压充电方式对三元聚合物锂电池和磷酸铁锂电池分别进行了充电试验，充电相关参数如表1所示。

表1 充电试验参数

充电电压结果如图2所示，25℃、0℃和-10℃充入电量分别为2.494 A·h、1.979 A·h和1.705 A·h。充电电压结果如图3所示，25℃、0℃和-10℃充入电量分别为1.309 A·h、1.196 A·h和0.664 A·h。可以看出，随着温度的降低，可充入电量有了明显的下降，在-10℃时可充入的电量仅为电池容量的约一半。由图2和图3对比可以看出，25℃时，充电电压曲线上升较缓慢，在充电SOC达到90%后，电压迅速增大至充电截止电压。在0℃和-10℃时，充电电压随温度降低更快达到充电截止电压，电池无法充满电。

图2 不同温度下三元聚合物锂离子电池充电电压

图3 不同温度下磷酸铁锂电池充电电压

3 一阶RC电池等效模型

电池的充电过程如图4所示，采用电池常用等效模型中的一阶RC模型进行分析[14-15]。其中，极化内阻Rp和极化电容Cp并联代表电池的极化过程，Rr为电池的欧姆内阻，Uocv为电池的开路电压，Up和Ur分别为电池的极化压降和直流欧姆压降，I为充电电流，箭头方向为充电电流方向，Uo为充电电压。

图4 电池模型

可以得到电池模型的电路关系为：

设电流恒定为i(0)=I，极化压降up(0)=0则解微分方程可得：

式中，τ=RpCp。

由式（3）和式（4）可以看出，电池在充电过程中，Uo主要由Rp、Rr和I决定。在常温条件下充电时，由于电池的Rp和Rr都比较小且上升较慢，Uo可以保持缓慢的增长[16]。而在低温条件下电池的Rp增大，充电过程中极化现象加重，Rr的上升加快，导致Uo在SOC未实现100%时达到充电截止电压。Rp和Rr由设计参数和工作条件决定，而I则可根据充电需求改变。在文献[11]中所提到的将恒流分为两阶段进行充电的策略中，在第1阶段Uo达到充电截止电压后，通过降低I减小Rp和Rr引起的压降，使得Uo有所下降，第2阶段的恒流充电在第1阶段的充电基础上，增加充入电量。

4 多阶段恒流充电方法

针对上述分析，本文提出一种多阶段恒流充电方式，即在开始充电时采用最大充电倍率对电池进行充电，在达到充电截止电压后，将充电倍率降低0.1 C继续充电，再次达到充电截止电压时，继续下降0.1 C充电倍率，如此循环，直至电池的充电倍率下降至0.1 C达到充电截止电压后，进行恒压充电，最终结束整个充电过程。

为了测试多阶段恒流充电方法的充电效果，首先以环境为25℃作为试验条件，进行该方法的验证。针对三元聚合物锂离子电池，充电初始倍率为1 C，充电截止电压为4.2 V，进行多阶段恒流充电；针对同一三元聚合物电池，按照其电池手册进行充电倍率为0.5 C的恒流-恒压充电。多阶段恒流充电过程中的充电电流、电压随SOC变化情况如图5所示。

图5 25℃三元聚合物锂离子电池多阶段恒流充电电流、电压

充电结果显示，25℃时，多阶段恒流充电方法可充入2.648 A·h电量，充电SOC达到98.07%。从图5所示的充电曲线可以看出，第1阶段1 C充电充入了80%的电量，之后各阶段由于电流的下降，使得Uo下降，充入了剩余部分的电量。将25℃下的恒流-恒压充电的结果与多阶段恒流充电结果进行了对比，如图6所示。

图6 25℃三元聚合物锂离子电池不同充电方法充入电量-时间关系

针对磷酸铁锂电池，充电初始倍率为1 C，充电截止电压为3.6 V；针对同一磷酸铁锂电池，按照其电池手册恒流-恒压充电标准，恒流阶段充电倍率为0.5 C。多阶段恒流充电过程中的充电电流、电压随SOC变化情况如图7所示。

图7 25℃磷酸铁锂电池多阶段恒流充电电流、电压

充电结果显示，25℃时，多阶段恒流充电方法电池储存电能容量达到了1.368 A·h。从图7所示的充电曲线可以看出，第1阶段1 C充电充入了近85%的电量，之后各阶段由于电流的下降，使得Uo下降，充入了剩余部分的电量。将25℃下的恒流-恒压充电与多阶段恒流充电结果进行对比，如图8所示。

根据对比结果可以看出，两种材料电池采用多阶段恒流充电方法时，充入电池电量均高于恒流-恒压的充电方法。以三元聚合物锂离子电池为例，与常规恒流-恒压方法相比，在对电池充入相同电量92.37%时，多阶段恒流充电的充电时间为63 min，缩短了45.2%。因此，在充入同样的电量时，多阶段恒流充电方法的充电时间也是最短的。

5 低温条件下多阶段恒流充电分析

由上述分析可知，低温条件下的电池内阻增大，电池在进行恒流充电时较快达到充电截止电压而无法充满电池。多阶段恒流充电在充电至充电截止电压时降低充电电流，因此可以适应内阻较大情况下的充电。

在0℃和-10℃条件下对三元聚合物锂离子电池进行了多阶段充电，得到充电过程中充电电流、电压随SOC变化情况如图9和图10所示。

图9 0℃三元聚合物锂离子电池多阶段恒流充电电流、电压

图10 -10℃三元聚合物锂离子电池多阶段恒流充电电流、电压

图9中开始阶段的1 C倍率充电很快达到充电截止电压，0.8～0.3 C倍率恒流充入了接近80%的电量，其中0.8 C倍率恒流充入电量最大。温度降低到-10℃时，图10中1～0.8 C倍率充电很快达到截止电压，0.7～0.3 C倍率恒流充入了接近额定容量70%的电量，其中0.7 C倍率恒流充入的电量最大。由图9和图10可以看出，多阶段恒流充电方法可以在不同的温度下，根据截止电压的限制，调整充电电流倍率，下降到某几段较适宜的充电电流倍率进行充电，缩短了充电时间，并保证在-10℃时仍能充入90%左右的电量。随着温度的降低，电池内阻的增加，多阶段恒流充电中大倍率充电阶段的比例下降，充电时间增加，但仍可以保持较高的充入电量。

将0℃和-10℃温度条件下，针对三元聚合物锂离子电池恒流恒压充电和多阶段恒流充电方法的充电结果进行对比，如图11和图12所示。

图11 0℃三元聚合物锂离子电池不同充电方法充入电量-时间关系

图12 -10℃三元聚合物锂离子电池不同充电方法充入电量-时间关系

从图11中可以看出，0℃时，与常规恒流恒压方法相比，多阶段恒流方法的充入电量增加了17%。充入相同电量（73.3%）时，多阶段恒流方法的充电时间为55 min，缩短了40%。由图12可以看出，-10℃时，与常规恒流恒压方法相比，多阶段恒流方法的充入电量增加了24.48%。充入相同电量（63.15%）时，多阶段方法的充电时间为66 min，缩短了10%。

在0℃和-10℃条件下，选取18650磷酸铁锂电池作为试验对象进行充电对比试验。图13和图14分别为不同温度下的多阶段恒流充电电流-电压随SOC变化情况。

图13 0℃磷酸铁锂电池多阶段恒流充电电流、电压

图14 -10℃磷酸铁锂电池多阶段恒流充电电流、电压

由图13和图14可以看出，磷酸铁锂电池在0℃时采用多阶段恒流充电方法，充电倍率在0.7～0.3 C时可充入电量接近80%。在-10℃时采用多阶段恒流充电方法，充电倍率在1～0.6 C时可充入电量在10%以下，充电倍率在0.5～0.1 C时可充入接近75%的电量。

将0℃和-10℃温度条件下，针对磷酸铁锂电池恒流恒压充电和多阶段恒流充电方法的充电结果进行对比，如图15和图16所示。

图15 0℃磷酸铁锂电池不同充电方法充入电量-时间关系

图16 -10℃磷酸铁锂电池不同充电方法充入电量-时间关系

由图15和图16可以看出：0℃时，与常规恒流恒压方法相比，多阶段恒流方法的充入电量增加了3.6%，充入相同电量（87.29%）时，多阶段恒流方法的充电时间为124 min，缩短了32%；-10℃时，与常规恒流恒压方法相比，多阶段恒流方法的充入电量增加了36.86%，充入相同电量（48.46%）时，多阶段方法的充电时间为65.8 min，缩短了35%。

通过0℃和-10℃下不同电池材料的多阶段恒流充电结果可以看出，多阶段恒流充电方法适用于不同材料的电池，并且充电效果的改善程度根据电池材料的不同而有所区别。

6 结束语

本文对三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池在不同温度条件下的充电过程进行了分析，结果显示，传统的恒流-恒压充电方法的可充入电量随着温度的下降而下降。由此从1阶RC电池等效模型出发，依据充电截止电压对充电过程的影响，提出了一种多阶段恒流充电方法。在0℃和-10℃条件下针对三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池分别进行了该充电方法的试验测试。结果表明：在0℃条件下，三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池的充电时间分别缩短了40%和32%，充入电池电量分别提高了17%和3.6%；-10℃条件下，三元聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池的充电时间分别缩短了10%和35%，充入电池电量分别提高了24.48%和36.86%。多阶段恒流充电方法在低温条件下提高了电池的充入电量，缩短了充电时间，并且适用于本文所提的两种不同材料的电池。

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