梁梓鵬，胡斯登，郭清，何湘寧

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

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鋰電池復(fù)合型正弦-脈沖充電方法

梁梓鵬，胡斯登，郭清，何湘寧

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

為了提升儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，提出了一種應(yīng)用于鋰離子電池的復(fù)合型正弦-脈沖電流(hybridsinusoidal-pulsecurrent，HSPC)充電方法。首先基于鋰離子電池的交流阻抗頻譜特性，闡述了利用寬頻段電流提升鋰離子電池能量轉(zhuǎn)化效率的原理。然后，采用并聯(lián)型Boost電力電子變換器與移相技術(shù)生成正弦-脈沖復(fù)合型充電電流的方法，并與恒流、脈沖等充電方法進(jìn)行了比較，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該充電方法的有效性。

鋰離子電池；交流阻抗；儲(chǔ)能；充電方法

0 引 言

鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。其中充電方法是實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，與儲(chǔ)能系統(tǒng)中充電速度、循環(huán)使用壽命、系統(tǒng)效率等主要性能密切相關(guān)[1-2]。

現(xiàn)有的主要充電方法包括恒流恒壓(constantcurrentandconstantvoltage，CCCV)[3]充電和脈沖(pulsecurrent，PC)充電方法等。恒流恒壓法是目前廣泛采用的方法，但是由于受到電池離子擴(kuò)散速率與極化效應(yīng)等問(wèn)題的限制，難以同時(shí)滿足高倍率充電與電池性能提升等要求[4-5]。脈沖充電法通過(guò)在恒流充電中插入短時(shí)間間歇，為電池中的離子提供擴(kuò)散所需的時(shí)間，有助于電解液中的離子均勻分布。該方法提供了改進(jìn)充電性能的理論途徑，但現(xiàn)有文獻(xiàn)中尚無(wú)周期性脈沖電流對(duì)鋰離子電池實(shí)際工作性能綜合影響的明確結(jié)論[6-7]。此外，有文獻(xiàn)結(jié)合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和灰色預(yù)測(cè)等技術(shù)研究提高充電性能的方法[8-10]，但電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜?？傮w而言，以充電過(guò)程中電化學(xué)特性為依據(jù)，結(jié)合電池性能的外在表征進(jìn)行充電方法的研究是提升儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的重要方面。

近年出現(xiàn)的正弦紋波電流(sinusoidalripplecurrent，SRC)充電方法，通過(guò)在恒流充電中疊加高頻正弦電流對(duì)電池充電，該方法特色之一是以電池交流阻抗為參考優(yōu)化充電頻率，為改善充電性能提供了新的突破口[11-12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的恒流充電方法相比，這種考慮了電池能量轉(zhuǎn)化特性的SRC充電方法，在充電時(shí)間、能量轉(zhuǎn)化效率和電池使用壽命方面分別改善了17%、1.9%和16.1%。

盡管SRC的原理與驗(yàn)證已有相關(guān)報(bào)道，但在實(shí)際應(yīng)用中，例如電動(dòng)汽車(chē)及儲(chǔ)能電站等需要高倍率充電場(chǎng)合，仍面臨挑戰(zhàn)。首先已有的正弦電流充電器難以兼顧大功率與高頻化兩方面的要求。文獻(xiàn)[13]提出了一種采用雙有源橋拓?fù)湟暂敵稣页潆婋娏?，但其充電頻率固定為線電壓頻率的2倍，難以滿足實(shí)現(xiàn)電池交流阻抗最小化的頻率要求。文獻(xiàn)[11]利用模擬電路產(chǎn)生了頻率1kHz、平均電流1.5A的正弦充電電流，但對(duì)應(yīng)的充電器硬件效率不明。其次，基于阻抗特性的充電性能優(yōu)化研究尚處于起步階段，內(nèi)在機(jī)理仍不清晰。

基于以上對(duì)正弦紋波電流充電方法的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)的分析，本文利用脈沖電流移相技術(shù)提出一種復(fù)合型正弦-脈沖(hybridsinusoidal-pulsecurrent，HSPC)充電方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 鋰離子電池的交流阻抗特性和能量轉(zhuǎn)化效率

鋰離子電池交流阻抗模型如圖1所示。

圖1 鋰離子電池交流阻抗模型

假設(shè)充電頻率為fs，將電池的交流阻抗Zbattery表示為

(1)

式中：Rct，Cd，Ro，Ld分別表示電化學(xué)反應(yīng)阻抗、雙電層電容、歐姆電阻以及陽(yáng)極電感[14-16]。式(1)表明了電池阻抗與充電電流頻率的關(guān)系，當(dāng)輸入頻率為fZmin時(shí)，如式(2)，電池阻抗達(dá)到最小值Zmin。

(2)

式中

(3)

文獻(xiàn)[18-19]指出能量轉(zhuǎn)化效率與充電過(guò)程中鋰離子電池交流阻抗相關(guān)，較小的電化學(xué)反應(yīng)電阻代表更充分的電化學(xué)反應(yīng)。式(1)中的充電頻率對(duì)應(yīng)不同的電池交流阻抗，同時(shí)可以提高充電能量轉(zhuǎn)化效率(即更充分的電化學(xué)反應(yīng))。能量轉(zhuǎn)化效率定義為充放電電量比值[11-12,17]，即

(4)

式中：Qdischarge、Qcharge分別是放電量、充電量；Idischarge、Icharge分別表示放電電流、充電電流；Tdischarge、Tcharge分別為放電與充電時(shí)間。

2 基于交流阻抗特性的復(fù)合型正弦-脈沖充電方法

采用交流阻抗分析儀CHI650E，對(duì)鋰離子電池的交流阻抗進(jìn)行測(cè)試與分析,如圖2所示。為了減小鋰離子電池的初期活化效應(yīng)造成的容量誤差，測(cè)試對(duì)象選為已多次循環(huán)使用的電池。圖3為交流阻抗頻譜測(cè)試結(jié)果，其中典型值在表1中列出。其中，最小交流阻抗Zmin及對(duì)應(yīng)的頻率fZmin分別為0.316Ω與2.3kHz。

圖2 交流阻抗分析儀

圖3 鋰離子電池交流阻抗頻譜

圖3中|Zmin|所處的頻域段對(duì)應(yīng)較平緩的阻抗曲線。同時(shí)，表1中可以看到：以|Zmin|為基值，相對(duì)偏差小于1.5%的阻抗值對(duì)應(yīng)的頻率范圍可對(duì)應(yīng)為(1/4～4)fZmin。因此，單一頻率的正弦電流并不是實(shí)現(xiàn)阻抗最小化的必要條件。fZmin鄰近頻率段的充電電流同樣可以實(shí)現(xiàn)降低阻抗以提升能量轉(zhuǎn)化效率的功能。

3 SRC與HSPC充電方法比較

本節(jié)利用Ltspice仿真軟件比較無(wú)散熱器冷卻的條件下，SRC對(duì)應(yīng)的充電器損耗。圖4中給出了采用Ltspice搭建的SRC充電器的主電路以及控制電路[11]。充電電流如圖5(a)所示，頻率為2.3kHz，峰峰值為4.4A，平均電流為2.2A。

圖4 SRC充電電路圖

圖5 SRC和HSPC充電電流仿真波形

為了與本文的實(shí)驗(yàn)部分以及文獻(xiàn)[11]保持一致，仿真中選擇Mosfet(IRF840)。器件的Spice模型來(lái)自器件廠商。輸出電流與損耗的關(guān)系如圖6所示。圖中輸出電流上升時(shí)，器件的損耗曲線隨之上升，可以得到充電器效率

圖6 不同充電電流對(duì)應(yīng)的Mosfet損耗以及電壓Uds

(5)

式中：Pbattery表示電池吸收功率；PR1表示采樣電阻R1功耗；PMOS表示Mosfet的導(dǎo)通損耗；而Uds表示Mosfet的漏極與源極之間的電壓差，Ubattery表示電池的端電壓。式(5)表明，充電效率與Uds及Ubattery的比值有關(guān)。充電過(guò)程中，電池端電壓Ubattery隨著充電電流的變化較小，而Uds易受充電電流變化的影響。當(dāng)充電正弦電流幅值的提高時(shí)，為了維持器件處于在放大區(qū)，Mosfet漏源電壓Uds的幅值被快速增大[20]。因此，充電電流的增加會(huì)導(dǎo)致Mosfet的損耗快速增加。圖6中，當(dāng)充電電流從0.5C增加到1C后，損耗增加20W，充電器效率從30%降到17%。

基于以上分析，器件工作在放大區(qū)引起的損耗是造成充電器效率偏低的主要原因，也是提升充電器充電倍率的關(guān)鍵。本文采用電力電子變換技術(shù)，利用并聯(lián)型Boost電力電子變換器與移相技術(shù)生成正弦-脈沖復(fù)合型充電電流[21]，其電路拓?fù)渑c控制方式如圖7、8所示。

采用同樣的方法分析HSPC電路的損耗，結(jié)果如圖9所示，方點(diǎn)曲線表示單個(gè)Mosfet的功率損耗，圓點(diǎn)曲線表示包括3個(gè)Mosfet的總體效率。充電電流從0.5C增加到1C后，效率從79%升高到90%。圖9中主要考慮了Mosfet的功率損耗，并未計(jì)及電感及二極管等其他損耗。

圖7 本文采用的電池充電電路

圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電流波形

圖9 不同充電電流下的開(kāi)關(guān)器件損耗

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與比較

本節(jié)對(duì)HSPC、PC、SRC和CC這4種方法對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與比較。圖10所示為電池充電能量轉(zhuǎn)化測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由電池測(cè)試設(shè)備、SRC、HSPC與PC充電器組成。電池測(cè)試設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CCCV充電方法，同時(shí)記錄溫升。4種測(cè)試對(duì)象相同，且充電頻率為2.3kHz，平均電流為2.2A。圖11所示為SRC、HSPC與PC的充電電流波形。

圖10 電池測(cè)試平臺(tái)圖

圖11 SRC、HSPC與PC 這3種充電方式下的充電電流波形

溫升和能量轉(zhuǎn)化效率如圖12、13所示。圖12表明CCCV對(duì)應(yīng)的充電溫升最小。而在低SOC區(qū)間，HSPC的溫升與CCCV的溫升接近，整體區(qū)間內(nèi)低于SRC的溫升，而PC方法對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的溫升最大。

圖13對(duì)4種充電方法的能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行了歸一化比較。效率測(cè)試結(jié)果為相對(duì)于CCCV下測(cè)試值的歸一值，從結(jié)果中可以看出，本文提出的HSPC與SRC具有最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)化效率，PC的能量轉(zhuǎn)化效率最低。

圖12 PC、SRC、HSPC、CC這4種充電方法下的溫升比較

圖13 能量轉(zhuǎn)化效率比較

5 結(jié) 論

為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池的能量轉(zhuǎn)化效率，結(jié)合電池交流阻抗頻譜特性，本文提出了一種復(fù)合型正弦-脈沖電流充電方法(HSPC)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將該充電方法與SRC、PC和CC方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。結(jié)果表明，相比于SRC方法的充電器，HSPC方法的充電器硬件效率顯著提高，而電池能量轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于PC充電方法。該研究可以形成一種新型的低成本大功率高效率充電方式，并將充電對(duì)象擴(kuò)展到其他類(lèi)型儲(chǔ)能電池，如鉛酸電池等。

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何湘寧(1961)，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，包括大功率變換器與智能控制系統(tǒng)，特種電源及其網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，電力電子的計(jì)算機(jī)模型和仿真等。

(編輯：蔣毅恒)

Hybrid Sinusoidal-Pulse Charging Method for Li-ion Battery

LIANGZipeng,HUSideng,GUOQing,HEXiangning

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Toenhancetheenergyconversionefficiencyofenergystoragesystem,ahybridsinusoidal-pulsecurrent(HSPC)chargingstrategybasedonLi-ionbatterywasproposed.Firstly,thispaperdiscussedtheprincipleofusingwidefrequencybandcurrenttoenhancetheenergyconversionefficiencyofLi-ionbattery,basedontheACimpedancespectrumcharacteristicsofLi-ionbattery.Then,themethodthatparalleledboostconverterandphaseshiftingtechnologywereappliedtogeneratehybridsinusoidal-pulsechargingcurrentwascomparedwithconstantcurrentchargingmethodandpulsecurrentchargingmethod.Finally,thesimulationandexperimentalresultsshowtheeffectivenessoftheproposedmethod.

Li-ionbattery;ACimpedance;energystorage;chargingmethod

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2014QNA4012；2015FZA4015)。

TM

A

1000-7229(2015)07-0175-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.025

2015-04-30

2015-06-08

梁梓鵬(1992)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)；

胡斯登(1984)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸電氣化；

郭清(1979)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體物理、新型電力電子器件、功率模塊封裝和可靠性研發(fā)；

ProjectSupportedbytheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(2014QNA4012，2015FZA4015).