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动力锂电池充放电控制策略调研报告1. 动力锂离子电池 32. 动力锂离了电池充放电策略 42.1锂电池充放电特性 42.2锂电池充电控制策略 52.2.1恒流恒压充电 52.2.2模糊控制充电 62.2.3锁相充电法 82.2.4灰度预测充电 102.2.5正弦■恒流充电 II2.2.6分阶段恒流充电 12参考文献 141. 动力锂离子电池锂离子电池(下而简称锂电池)是1990年日本索尼公司首先推向市场的新 型高能蓄电池，是H前世界上最新一代的充电电池随着成本的急剧下降和性能 的大幅度提高，锂电池的牛产和应用已得到迅速发展根据正极材料的不同，锂电池单体(cell)的标称电压从3.2V到3.7V,能 量密度从100mAh/g到140mAh/g不等严格来说，动力锂电池是指容量在3Ah 以上的锂离子电池H前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动 的锂离子电池通过对锂电池单体进行串并联，可满足各种应用场合对电压和容 量的不同的耍求相较于传统的充电电池(银氢电池、铅酸电池等)，锂电池作为动力电池具 有显著的优势：⑴高能量密度(高比能量)：锂电池的比能量已能达1500Wh/kg,是镰镉电池 的3倍，银氢电池的1.5倍。

同等容量要求下，能够减轻电池系统的重量2) 工作电压高：一个锂电池单体的工作电压可达到3.7V,是鎳镉或银氢电 池的3倍同等电压要求下，能够减少串联单体的数戸3) 循环寿命长：在正常条件下，锂电池的循环次数可超过500次，磷酸亚 铁锂电池可达到2000次⑷可快速充放电:1C充电30分钟可达到标称容量(State of Charge, SOC) 的80%以上，磷酸亚铁锂电池可以在10分钟内充电到90%SOCo这使得锂电池 电动汽车能够实现快充，更加方便5)工作温度范围宽：工作温度为-25-45°C,随着电解液和正极的改进，有希 望能扩宽到・40〜70°Co这使得锂电池系统能适应各种环境除此之外，锂电池还具有无污染、无记忆效应、自放电率低和可報性强等优 点但锂电池也存在以下缺点：(1) 成本高：主要是正极材料价格较高2) 不能耐受过充、过放，温度过高时还会有爆炸危险必须有特殊的保护 电路以防止过充尤其是多个单体串联成电池组(pack)时，由于单体的特性不 一致造成的不均衡，会导致某些单体过充而另外一些充不满，为保护电池需要加 均衡电路或在充电策略上做改进这些都增加了充电的成本2. 动力锂离子电池充放电策略2.1锂电池充放电特性锂电池对于充放电电压、电流和温度都有着较高的耍求。

1） 充放电电压锂电池对充电终止电压的精度要求很高（3.7V单体的充电终止电压为 4.2V）, 一般误差不能超过额定值的1%充电终止电压过高，会缩短锂电池的寿 命在4.2V附近时，1%的充电终止电压误差将会导致寿命变化1/3,容量变化 8%rilo过高的充电终止电压虽然可使容量增加，但对寿命的影响很大若造成 过充，还会对电池造成永久性损害充电终止电压过低，又会使电池充电不完全, 电池的可使用时间变短因此，为保护电池寿命，可以考虑提高对充电终止电压 精度的要求锂电池也存在放电终止电压（3.7V单体的放电终止电压为3V）O对于过放 的锂电池，在充电前需要进行预处理，激活电池内部被过放的单元，之后再按… 般模式充屯2） 充放电电流锂电池的充电率（充电电流）应根据电池牛•产厂商的建议选用虽然某些电池 的充电率可达2C,但常用的充电率为0.25C〜1C这是由于充电过程中，电能无 法100%转换为化学能，有一部分会转换成热能使电池温度升高大电流充电吋 产热严重，降低了充电效率，还会有爆炸的危险另外，若一直采用恒流充电， 虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电结朿控 制不当还会造成过充C与充电类似，锂电池大电流放电也会产热严重，使电池的放电容量降低。

与 充电不同的是，锂电池对于放电的耐受比充电要强，很多锂电池是充坏的，而放 坏的则很少锂电池最大的放电率可达2C〜3C,对于电动汽车瞬时加速等应用 是非常有利的3） 充放电温度锂电池的充电温度一般被限制在0〜60°C范围内不同的温度下，锂电池的 可接受的充电电流是不同的〔叫 温度低于0度时，电池的活性较差，内阻较高， 可接受充电电流的能力弱，不适宜充电⑶；0〜10°C,应以较小的电流充电；在 10-20°C,电池的活性增强，可以以较大电流充电；20〜50°C是电池工作的较好温 度范围，因此可以以大电流充电；温度再往上升时，电池充电比较危险，并且电 池在高温的情况下容量衰减较快，所以也不适宜充屯⑷锂电池的放屯温度为-25-45°C并有望拓宽与充屯类似，温度过低或过高时 也不适宜大电流放电综上所述，锂电池的充放电存在多重限制，对充放电的控制要求很高2.2锂电池充电控制策略常见的锂电池充电方法有涓流充电(Constant Trickle Current charge),恒流充 电(Constant Current Charge, CC)和恒流恒压充电(Constant-Current and Constant-Voltage Charge, CC-CV)^l5Jo为了缩短充电吋间，减少发热和提高充电 效率，国内外学者做了诸多研究，主要是对以上常规充电方法的改进，包括模糊 控制充电法(Fuzzy・ControlIed Charge)"⑻、锁相充电法(Phase・Locked Change) 灰度预测充电法(Grey-Predicted Charge) 内阻调节充电法(Built-inResistance Compensation, BPR) [12, 18_20\ 正弦电流充电法(Sinusoidal Current Charger, Sin-CC) [2,_23\分阶段恒流充电法(Five-Step Charge)创瀚等。

下面对 这些方法进行介绍221恒流」恒压充电涓流充电的实现简单，成本低，且较安全，但充电吋间最长(长达10多个小 吋)，因此被称为隔夜充电(Over Night Charge)为了缩短充电时间，采用比涓 流充电人得多的充电屯流对电池进行充电，也即恒流充电恒流充电的缺点是须 准确地检测电池是否充满，常常会造成过冲或过放恒流恒压充电法克服了涓流 充电和恒流充电的缺点，得到了广泛应用，其充电过程如图1所示图1恒流恒压法充电过程恒流恒压充电的理论星础是锂电池充电过程中其寄牛电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)会发牛变化，考虑ESR ±的损耗过人会导致严重发热，将充电 分为三个阶段进行a) 预充电阶段充电开始之前首先要检测电池端电压匕「若小于放电截 止电压匕，表明电池被过放了，ESR很大，需要用涓流充电对其进行预充电进 行修复若电池电压大于匕，则不需要进行预充电b) 恒流充屯阶段当Vb在匕和充电终止电压叫之间吋，ESR较小，可 以恒定的较大电流对电池进行充电在此阶段中，岭⑷是不断上升的当％少达 到充电终止电压冬，恒流阶段结朿，转入恒压阶段c) 恒压充电阶段在这一阶段中，以充电截止电压对电池进行恒压充电, 电池电流是不断下降的，当充电电流小于1/40C(也有其他数值，如1/10C)时，恒 压阶段结束。

恒流恒压充电的优点是能够在相对短的吋问将电池充到比较高的SOC,比 较安全缺点是耍求充电装置能够在恒压和恒流两种模式下切换，且耍能够精准 地控制充电截止电压恒流恒压充电中，恒流充电阶段占据了整个充电时间的 25〜40%,充进了 75〜80%的容量，剩余的大量时间都是恒压充电阶段，只充进了 20〜25%的容量〔勿，因此在要求快速充电的应用场合，常常省掉恒压阶段，只进 行恒流充电2.2.2模糊控制充电文献⑹在锂电池充电中采用了模糊控制的思想，提出了所谓模糊控制的主动 荷电状态控制器(Fuzzy・Controlled Active State-of-Charge Controller, FC・ASCC)图2和图3分别为模糊控制充电策略系统框图和充电时序图FC-ASCC图2模糊控制充电策略系统框图图3模糊控制充电时序在CC阶段结束后，充电开始遵循图3所示的时序电池将脱离充电控制一 小段时间入，分别在人•］时段内进行开路电压检#J（Open Circuit Voltage Detection, OVD）,在：时段内进彳亍充电电流检测（Charging Current Detection, CCD）,检测 得到开路电压匕和充电电流A，将其作为模糊控制器的输入，输出则是下一阶段 的充电电流Ts （检测和控制时间）+乙（充电时间），取决于控制器的速度和电 池的充电安全区域（电池的电压和电流范围）。

图4模糊控制充电的效果模糊控制充电的优点是充电吋间短，根据⑺中的实验结果，在使充电处于安 全区域(Safe Area),即不过充的前提下，FC-ASCC充电法比CC-CV的充电速 度提升了 23%c 2.2.3锁相充电法锁相充电法的实现主要是基于自动跟踪和锁札I锁相环的基本原理如错误!未找到引用源图5锁相环基木原理Xi、Xo、Xe、Vp分别代表输入相/频、输出相/频、札1/频误差和泵升电压Xi和Xo通过札1/频比较器(Phase/Frequency Comparator)比较作差得到Xe后输 入低通滤波器，低通滤波器在这里作为压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator , VCO)的相/频駆动整个系统就像是一个锁相环，使VCO的输出Xo接近输入 Xi,直到完全和等后锁相才不起作用图6为锁相电池充电系统框图，它由相位比较器，低通滤波器(由Current Pump、锂电池和差分放大器构成)和压控振荡器组成厂图6锁相电池充电系统框图首先，锂电池电池电压被检测后送到差分放人器差分放人器放大电池电压 以适应压控振荡器所能接受的电压范围，然后将其转换成频率后做反馈，与输入 频率比较后得到相位误差peo最后，代输入到Current Pump产牛适当的电流给 锂电池充电。

由于其本身的特点，锁相充屯实际上有三个阶段，大电流充电阶段、变电流 充屯阶段和浮充阶段在频率跟踪阶段，LPF输出最大限幅值给VCO以减小频 率误差，使Current Pump输岀大电流给电池充电；在相位跟踪阶段，LPF的输 出逐渐减小，使Current Pump输出逐渐减小的充电电流，也即变电流充电阶段; 最后PLBCS完成了锁相，输入完全等于输出，仇为零，充电完成锁相充电的电流曲线如图7所示图7锁相充电电流曲线从锁相充电电流曲线上可以看出，它与恒流恒压充电很类似2.2.4灰度预测充电锂电池的充电电压曲线受很多因素影响，包括其实容量，充电率，放电率, 温度，放电深度，循环次数，充电剖面，过冲，过放等等〔加9］有些影响因素能 够被测量和建模，有些只能很粗略的描述这种由 世确定因素和不确定因素控 制的系统，是典型的灰色系统文献［①中提出了将灰度预测理论应用于锂电池 充电的灰度预测充电控制方法灰度预测的数学模型为：d'nx, dm~lx, dx, j , ,,苕 + e + % 击+4佔=勺+ 0兀2 +……+仇£其川，X］为输出变量，X"兀3, ，£是输入变量，4，⑦, ，和〃I，b“……，乞是待定系数。

GM(1,1)是最简单也最常用的模型，但是只能处理非负 序列输入模型的锂电池电压都是正值，因此可以采用GM(1,1)模型为确定锂电池GM(1,1)模型的。