湯愛(ài)華,龔 鵬,姚 疆,張瑩瑩

(重慶理工大學(xué) 1.車(chē)輛工程學(xué)院;2.汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054;3.重慶市公安局 交通管理局,重慶 400054;4.招商局檢測(cè)車(chē)輛技術(shù)研究院有限公司,重慶 401329)

鋰離子動(dòng)力電池(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池)因循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量和比功率高、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)領(lǐng)域[1]。電動(dòng)汽車(chē)所面臨的“充電焦慮”和“里程焦慮”已嚴(yán)重阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[2],電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池大功率快速充電方法已成為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的痛點(diǎn)與熱點(diǎn)。不當(dāng)?shù)目焖俪潆姇?huì)造成電池陽(yáng)極表面析鋰并加速鋰電池老化,導(dǎo)致電池容量衰減和功率衰退[3]。電池析鋰后,鋰電池放電時(shí)會(huì)引起鋰電池容量迅速下降。一方面,低溫環(huán)境下的大功率快充會(huì)進(jìn)一步加劇析出的金屬鋰與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng),進(jìn)而觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э豙4,5];另一方面,析出的金屬鋰可能會(huì)以樹(shù)枝狀的鋰枝晶形式附在石墨電極表層,不斷析出的金屬鋰會(huì)促進(jìn)鋰枝晶生長(zhǎng)進(jìn)而可能刺穿隔膜,使得正負(fù)極直接相連,誘發(fā)鋰電池內(nèi)短路,進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池?zé)崾Э豙6],嚴(yán)重制約了鋰電池在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。在鋰電池充電過(guò)程中,隨著環(huán)境溫度不斷上升,電池固體電解質(zhì)界面(Solid electrolyte interphase,SEI)膜增長(zhǎng),進(jìn)而導(dǎo)致電池容量衰減[7]。溫度繼續(xù)升高還會(huì)出現(xiàn)SEI膜分解、電極與電解液反應(yīng)、隔膜融化、電解質(zhì)溶液分解等過(guò)程[8],加速電池老化和引發(fā)熱失控。因此,對(duì)高低溫下電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池大功率快充方法進(jìn)行研究意義重大。

本文從闡述鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理和溫度對(duì)電池特性的影響及相關(guān)措施出發(fā),分析了高低溫環(huán)境下鋰電池大功率快充方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,提出鋰電池在高低溫下大功率快充方法的挑戰(zhàn)與前景。

1 鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理

鋰電池在使用過(guò)程中伴隨著電池內(nèi)部復(fù)雜副反應(yīng)會(huì)生熱,導(dǎo)致電池內(nèi)部出現(xiàn)溫度分布不均勻,影響鋰電池的使用壽命、可靠性與安全性[9-14]。鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理[15]如圖1所示,電池濫用會(huì)使得鋰電池內(nèi)部熱量累積,引發(fā)電池內(nèi)部SEI膜分解、隔膜熔化、電極與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)等副反應(yīng)發(fā)生,在電池內(nèi)部形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),最終觸發(fā)熱失控[12]。

圖1 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理圖

為進(jìn)一步研究電池?zé)崾Э?Spotnitz等[13]研究了電池內(nèi)部各類(lèi)副反應(yīng)產(chǎn)熱,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了針對(duì)各種濫用行為如過(guò)充、過(guò)熱、內(nèi)短路、針刺和擠壓等的熱失控模型。清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)總結(jié)出鋰電池?zé)崾Э氐?個(gè)特征溫度:自生熱起始溫度t1、熱失控觸發(fā)溫度t2和熱失控最高溫度t3,完整地揭示了3種熱失控觸發(fā)機(jī)理。第1種是過(guò)充、快充、低溫充電等導(dǎo)致的負(fù)極析出活性鋰,第2種是撕裂、擠壓、機(jī)械變形、隔膜破裂、過(guò)充過(guò)放、過(guò)熱等導(dǎo)致的內(nèi)短路以及自引發(fā)內(nèi)短路,第3種是正極釋放活性氧。在新電池體系中,隨著隔膜和負(fù)極材料的發(fā)展,正負(fù)極氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量成為導(dǎo)致熱失控的直接原因[14]。如圖1所示,在熱失控過(guò)程中,電池負(fù)極的副反應(yīng)首先開(kāi)始進(jìn)行,包括SEI膜分解反應(yīng)(70～130 ℃)和嵌鋰石墨負(fù)極與溶劑反應(yīng)(120～200 ℃)等。鋰電池電解液中的溶質(zhì)LiPF6在高溫下也會(huì)發(fā)生分解,生成PF5等。當(dāng)溫度上升到200 ℃左右時(shí),正極材料開(kāi)始分解,同時(shí)釋放出大量氧氣。在高溫下,正極材料及其產(chǎn)生的氧氣作為強(qiáng)氧化物,會(huì)與電解液和負(fù)極材料發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng),伴隨著大量熱量釋放,引起電池劇烈升溫,并進(jìn)一步引起黏結(jié)劑反應(yīng)、電解液燃燒,導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控。圖1中t1為自產(chǎn)熱起始溫度,當(dāng)電池自產(chǎn)熱速率高于0.02 ℃/min(圖1中的a點(diǎn))時(shí),鋰電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)明顯的自產(chǎn)熱;t2為電池的熱失控觸發(fā)溫度,當(dāng)電池自產(chǎn)熱速率高于60 ℃/min(圖1中的b點(diǎn))時(shí),鋰電池內(nèi)部迅速升溫,溫升速率甚至可能高達(dá)105℃/min;t3為熱失控出現(xiàn)的最高溫度,可高達(dá)1 000 ℃[15]。

2 溫度對(duì)鋰電池特性影響及相關(guān)措施

鋰電池具有較高溫度敏感性和相對(duì)狹窄的工作溫度范圍[16-27]。在充放電過(guò)程中,鋰電池工作特性受其工作溫度影響,其安全性和可靠性要求甚至限制了鋰離子電池在大功率設(shè)備中的應(yīng)用[28,29]。因而當(dāng)鋰電池工作溫度超出適宜溫度范圍時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行熱管理。鋰電池?zé)峁芾淼暮诵氖菍?duì)傳熱效果進(jìn)行控制,其主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:一是在低溫工作環(huán)境下,需要對(duì)電池提供加熱和保溫的措施;二是在電池溫度過(guò)高時(shí),通過(guò)相應(yīng)的散熱措施給電池降溫;三是保證電池模組溫度的一致性[30-34]。

2.1 低溫加熱方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫加熱的研究主要分為2類(lèi):內(nèi)部加熱和外部加熱,如圖2所示。

圖2 低溫加熱方法分類(lèi)圖

2.1.1 外部加熱法

電池外部加熱主要包含空氣加熱、液體加熱、寬線金屬膜加熱、相變材料加熱、珀?duì)栙N效應(yīng)加熱等方法?？諝饧訜岱ㄒ钥諝庾鳛榻橘|(zhì)對(duì)鋰電池進(jìn)行加熱。通常利用強(qiáng)制空氣對(duì)流方式,采用外加風(fēng)扇把熱空氣輸入鋰電池箱體內(nèi)部,同鋰電池進(jìn)行熱交換。采用熱空氣直接對(duì)鋰電池箱進(jìn)行加熱的方式易增加空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)載,從而造成熱管理系統(tǒng)效率下降。與空氣加熱法類(lèi)似,液體加熱法利用液體導(dǎo)熱率高的特點(diǎn),直接接觸式液體熱傳導(dǎo)速率高于空氣,其加熱速率高,且能同時(shí)滿(mǎn)足加熱和冷卻的要求[35],在復(fù)雜電動(dòng)汽車(chē)工況下,液體能夠較好地滿(mǎn)足鋰電池?zé)峁芾淼男枨蟆，F(xiàn)在較為常見(jiàn)的方法是將液體與外界熱交換產(chǎn)生的熱量輸入鋰電池模組,可通過(guò)布置管路或把電池模塊沉浸在液體中的方法,但液體加熱法成本高,且存在液漏風(fēng)險(xiǎn)[17]。寬線金屬膜加熱法則以電流通過(guò)寬線金屬膜時(shí)產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱鋰電池,其加熱效率高,溫度均勻性較好[36],在方形鋰電池上更容易實(shí)現(xiàn)安裝和使用,但需要精確的溫度控制系統(tǒng),在高溫下金屬膜的存在會(huì)對(duì)鋰電池單體散熱造成影響。相變材料加熱法因相變材料(Phase change material,PCM)具有強(qiáng)大蓄熱潛能而被鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所采用,目前多集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段。在低溫環(huán)境下,PCM通過(guò)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過(guò)程中釋放存儲(chǔ)的熱量,可對(duì)鋰電池進(jìn)行加熱和保溫。但PCM的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低,需要加入高導(dǎo)熱材料如膨脹石墨、碳納米管等增加其導(dǎo)熱能力,導(dǎo)致使用成本增加[37,38]。珀?duì)栙N效應(yīng)加熱法利用電流流經(jīng)2種不同導(dǎo)體界面時(shí)對(duì)外吸熱或者放熱的原理。利用這種特性控制電流方向,便可以實(shí)現(xiàn)加熱或制冷2種功能,通過(guò)改變電流大小進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)加熱或制冷強(qiáng)度,一般應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷。利用珀?duì)栙N效應(yīng)進(jìn)行鋰電池?zé)峁芾硇氏鄬?duì)較低,且基于珀?duì)栙N效應(yīng)的熱管理系統(tǒng),其加工制造工藝較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)和使用成本較高[37,39]。不同外部加熱法優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

表1 不同外部加熱法優(yōu)缺點(diǎn)比較表

2.1.2 內(nèi)部加熱法

鋰電池內(nèi)部加熱基于電流流經(jīng)具有電阻特性的導(dǎo)體生熱的原理來(lái)完成對(duì)鋰電池加熱。內(nèi)部加熱法根據(jù)電流不同流向劃分為充電加熱法、放電加熱法和交流激勵(lì)加熱法。Wang等[40]提出了一種鋰電池自發(fā)熱方案,將鎳箔加熱片嵌入單體鋰電池內(nèi)部,通過(guò)鋰電池放電過(guò)程生熱和內(nèi)部鎳箔加熱片復(fù)合升溫實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下對(duì)鋰電池快速加熱。陳澤宇等[41]提出一種基于短時(shí)大電流自放電的電觸發(fā)極速自加熱方法,以18 650類(lèi)鋰電池為研究對(duì)象,分析加熱過(guò)程中的電池產(chǎn)熱及溫升特性,進(jìn)而設(shè)計(jì)出基于鋰電池溫度預(yù)測(cè)的極速加熱控制策略。該控制策略采用的模型僅考慮了加熱時(shí)間,沒(méi)有考慮加熱電流,也沒(méi)有考慮加熱過(guò)程中可能引發(fā)的電池老化及損傷問(wèn)題。熊瑞等[42]提出了一種鋰電池直流和交流疊加激勵(lì)加熱方法。該方法在確保電池健康狀態(tài)的前提下,自動(dòng)調(diào)節(jié)交流激勵(lì)電壓、電流幅值和頻率,使鋰電池始終處于峰值安全電流/電壓范圍之內(nèi),以確保電池安全與合理溫升速率,解決了低溫環(huán)境下鋰電池在高荷電狀態(tài)(State of charge,SOC)段施加交流電時(shí)易超壓且加熱速率慢等問(wèn)題。

2.2 高溫散熱方法

高溫散熱一般采用空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻、復(fù)合材料冷卻等方法?？諝饫鋮s即利用空氣作為冷卻介質(zhì)對(duì)電池模組進(jìn)行降溫,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[43-47],在熱管理系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)工作在復(fù)雜工況下,空冷系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足電池冷卻需要[48],可采用導(dǎo)熱率更高的液體冷卻。以冷卻液是否與電池直接接觸作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),將其分為直接接觸和間接接觸2種方案[49]。間接接觸與直接接觸式液體冷卻相比,冷卻效果要差一些,但是對(duì)冷卻介質(zhì)的要求相對(duì)較低。由于存在液漏風(fēng)險(xiǎn),液體冷卻對(duì)冷卻介質(zhì)的選擇以及密封性要求較高。Deng等[50]研究了冷卻通道數(shù)量、冷卻通道布置以及蛇形流道冷卻液入口溫度與熱管理系統(tǒng)冷卻性能的關(guān)系,其結(jié)果表明,在長(zhǎng)度流動(dòng)方向上5個(gè)通道的布局方式冷卻性能更佳。熱管冷卻具有導(dǎo)熱率高、熱流方向可逆、等溫性高等優(yōu)點(diǎn)[51],其冷卻原理為利用冷卻介質(zhì)在電池表面發(fā)熱端吸收熱量,冷卻液吸熱氣化到達(dá)冷端,再通過(guò)多孔材料將冷凝后的液化氣體輸送至毛細(xì)管,再吸收到熱端,以此重復(fù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)冷熱控制。相變材料冷卻根據(jù)低溫環(huán)境下PCM通過(guò)相變釋放存儲(chǔ)的熱量,可對(duì)鋰電池進(jìn)行加熱和保溫。Kizilel等[52,53]采用高脈沖功率對(duì)鋰電池放電,將相變材料應(yīng)用在被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)時(shí),發(fā)現(xiàn)散熱速率要比主動(dòng)散熱快,并能保持鋰電池內(nèi)部溫度分布較為均勻。復(fù)合冷卻是將2種冷卻系統(tǒng)混合,較為常見(jiàn)的混合冷卻方式有風(fēng)冷與相變材料耦合、液冷與相變材料耦合、風(fēng)冷與液冷耦合、液冷與熱管耦合等,常用于電池模組。不同冷卻方法優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表2所示[54-56]。

表2 不同冷卻方法比較表

3 高低溫下鋰電池大功率快充方法

傳統(tǒng)的電池充電方法來(lái)源于國(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法,分別是恒流充電法、恒壓充電法、恒流恒壓(Constant current constant voltage,CCCV)充電法[57]。恒壓、恒流充電法即在充電過(guò)程中保持充電電壓、電流不變。而CCCV[58]充電法是將電池充電過(guò)程分為2個(gè)階段,即恒流和恒壓階段。充電時(shí),電池先以設(shè)定的電流進(jìn)行充電,直到電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),轉(zhuǎn)為恒壓充電,持續(xù)充電至充電電流低至預(yù)設(shè)值時(shí)充電結(jié)束。電池整體充電時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于CC階段的充電速率。但因充電時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低等原因,傳統(tǒng)電池充電方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)使用需求。Li等[59]通過(guò)建立鋰電池的電-熱-老化耦合模型,提出了一種基于粒子群優(yōu)化算法的充電電流自適應(yīng)控制策略,減少了充電時(shí)間和電池老化。Liu等[60]在建立電-熱-老化耦合模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)電流、電壓、荷電狀態(tài)和溫度的約束,制訂電池老化、充電速率和能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后的CCCV策略能夠?qū)崿F(xiàn)可行的健康感知充電,并在充電速率和能量轉(zhuǎn)換效率之間取得理想平衡。Liu等[61]提出了一種基于連續(xù)正交陣列(Continuous orthogonal array,COA)的五步充電模式搜索方法。該充電模式能夠在130.7 min內(nèi)將鋰離子電池充電到95%的容量。與傳統(tǒng)的循環(huán)電容充電法相比,該充電模式可提升57%的循環(huán)次數(shù)和1.02%的充電效率,并減少11.2%的充電時(shí)間。但以上改進(jìn)都只適用于常溫充電,當(dāng)鋰電池處于低溫或者高溫時(shí)并不適用。Yang等[62]提出了一種非對(duì)稱(chēng)溫度調(diào)制的極速充電方法,在60 ℃的高溫下為電池充電10 min,然后在較低溫度下放電。短時(shí)間暴露在60 ℃高溫下,可有效消除析鋰現(xiàn)象,且陽(yáng)極采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面積低的石墨材料以抑制SEI膜增長(zhǎng),最終可達(dá)到充電10 min增加約321 km的里程且增加使用壽命。該方法因充電溫度高,鋰電池相對(duì)發(fā)熱速率較小,在60 ℃溫度下充電可將電池冷卻需求降低。打破了高溫下鋰電池需要散熱降溫的傳統(tǒng)思維,但當(dāng)電池溫度低時(shí),需耗費(fèi)一定時(shí)間將鋰電池加熱至高溫。王泰華等[63]對(duì)鋰離子電池低溫充電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模,再用遺傳算法對(duì)CC段充電電流曲線進(jìn)行優(yōu)化,得到了低溫充電的優(yōu)化策略,有效減少低溫容量衰減和充電時(shí)間。低溫下如果不對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)熱,始終無(wú)法真正解決電池容量衰減現(xiàn)象,且溫度越低,容量衰減越明顯。

3.1 馬斯三定律

20世紀(jì)60年代,馬斯(Mas)通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行大量充電和放電實(shí)驗(yàn),得到了電池可接受充電電流曲線,如圖3所示,并提出了著名的馬斯三定律。

圖3 電池可接受充電電流曲線圖

第一定律對(duì)于任何給定的放電電流,電池充電時(shí)的電流接受比與電池放出容量的平方根成反比

(1)

由于電池的接受電流I0=αC,所以有

(2)

第二定律對(duì)于任何給定的放電量K,電池充電電流接受比α與放電電流Id的對(duì)數(shù)成正比,即

α=K2lg(kId)

(3)

第三定律電池在以不同的放電率放電后,其最終的允許充電電流Ic是各個(gè)放電率下允許充電電流的總和

Ic=I1+I2+I3…

(4)

從而推出電池總電流接受比

α=It/Ct

(5)

式中:K1為放電電流常數(shù);K2為放電量常數(shù);k為計(jì)算常數(shù);It為放電電流總和;C為電池放電的容量;Ct為電池放出的全部電量。

以上3個(gè)基本定律構(gòu)成了鋰電池快充理論基礎(chǔ),揭示了鋰電池可接受充電電流與放電量之間的內(nèi)在聯(lián)系,指出了提高電池充電電流接受比和加快電池充電進(jìn)程的有效途徑是在充電過(guò)程中對(duì)電池進(jìn)行適度放電[64]。

3.2 多階恒流充電法

多階恒流充電(Multistage constant current charging,MSCC)法是針對(duì)CCCV充電過(guò)程中CC段充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而提出的解決措施,按充電電流遞減的趨勢(shì)將整個(gè)充電過(guò)程分為若干段,對(duì)每段充電過(guò)程的電流給出預(yù)設(shè)邊界。通過(guò)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和選取優(yōu)化方法確定每段充電電流的取值。若要將鋰電池充滿(mǎn),則需要降低最后一階段的充電電流,但會(huì)增加充電時(shí)間,因此該方法適用于非充滿(mǎn)場(chǎng)合,一般SOC低于80%為宜。如果MSCC電動(dòng)汽車(chē)搭配脈沖間隙,可明顯消除電池極化現(xiàn)象。Gaglani等[65]提出了采用田口法優(yōu)化充電電流的鋰電池多級(jí)恒流快速充電方案。與傳統(tǒng)充電方案相比,該方法的充電時(shí)間減少了34.21%,但沒(méi)有考慮充電溫升對(duì)電池帶來(lái)的影響。周翠翠[66]設(shè)計(jì)了一種基于溫升模型應(yīng)用權(quán)重系數(shù)均衡充電溫升及充電時(shí)間的多段恒流快充優(yōu)化方法,在確?？斐涞那疤嵯?控制電池溫度在給定范圍內(nèi),但沒(méi)有考慮對(duì)充電過(guò)程的負(fù)極析鋰進(jìn)行控制。Alhaider等[67]基于MSCC電動(dòng)汽車(chē)法提出了溫度補(bǔ)償(Temperature compensation,TC)多階恒流充電(TC-MSCC)方法。它通過(guò)使用電池溫度的反饋來(lái)控制每個(gè)充電電流步驟的持續(xù)時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間,從而提高了電池的工作壽命。與傳統(tǒng)的MSCC方法相比,TC-MSCC方法能夠延長(zhǎng)鋰電池工作壽命和降低熱應(yīng)力。孫維毅[68]提出了基于粒子群優(yōu)化算法的多階恒流快充策略,以充電時(shí)間、充電容量和能量效率為優(yōu)化目標(biāo),相比傳統(tǒng)的CCCV充電,該方法在充電時(shí)間和溫升上均有所改善,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同充電需求的動(dòng)態(tài)適應(yīng)。Xu等[69]基于電化學(xué)-熱-老化耦合模型提出采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法搜索次優(yōu)充電電流曲線,通過(guò)抑制SEI增長(zhǎng)而抑制容量衰減,增大SEI電勢(shì),以減少析鋰,降低溫升從而避免熱失控。優(yōu)化后的充電電流曲線隨循環(huán)次數(shù)和充電狀態(tài)而改變,與恒流充電相比,優(yōu)化后的充電策略在3 300次以上的充放電循環(huán)中,容量衰減率可降低4.6%,SEI電位可提高57%,溫升可降低16.3%。當(dāng)鋰電池處于低溫或高溫環(huán)境中時(shí),除了多階段恒流充電策略對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)控制外,還應(yīng)該結(jié)合熱管理系統(tǒng)對(duì)處于極端溫度環(huán)境下的鋰電池進(jìn)行熱管理。

3.3 脈沖充電

脈沖充電過(guò)程中存在短暫的間隙過(guò)程或放電過(guò)程。該方法旨在減少極化電壓,使電池內(nèi)部離子濃度趨于均勻,進(jìn)而減小阻抗和產(chǎn)熱、提高充電效率、縮短充電時(shí)間和延長(zhǎng)使用壽命,因而該方法目前被廣泛采用[70,71]。Chen[72]提出一種以最佳充電頻率對(duì)鋰電池進(jìn)行脈沖充電的變頻調(diào)速系統(tǒng),以改善鋰電池的充電響應(yīng),實(shí)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)的快速充電過(guò)程。與標(biāo)準(zhǔn)的恒流充電系統(tǒng)相比,所提出的變頻充電系統(tǒng)的充電時(shí)間縮短約24%,但沒(méi)有對(duì)充電過(guò)程中的溫度進(jìn)行監(jiān)控和控制。楊璐[73]設(shè)計(jì)了雙向脈沖充電策略,對(duì)鋰電池進(jìn)行快速充電,對(duì)比了傳統(tǒng)的恒流充電,討論了在低溫條件下對(duì)鋰電池快速充電的影響。通過(guò)對(duì)-10 ℃的三元鋰電池運(yùn)用不同脈沖電流參數(shù)進(jìn)行低溫充電性能實(shí)驗(yàn),分別從鋰電池充電容量損失、電池內(nèi)部狀態(tài)等方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),總結(jié)了脈沖充電電流參數(shù)與鋰電池低溫特性的直接關(guān)聯(lián)。Du等[74]提出一種基于充電時(shí)間、充電容量、充電過(guò)程中溫度變化和循環(huán)充電過(guò)程中電池壽命下降的評(píng)價(jià)體系,通過(guò)建立溫升估算模型,估算了充電過(guò)程中的產(chǎn)熱和溫升。結(jié)果表明脈沖大功率充電模式在快速充電和電池容量衰減方面達(dá)到了較好平衡。Yin等[75]基于脈沖充電法,設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)頻率和負(fù)載控制的動(dòng)態(tài)算法以保護(hù)電池不受過(guò)電壓和過(guò)熱的影響,從而使得電池容量和使用壽命不衰減。該算法減小了內(nèi)阻生熱,提高了充電效率,使?jié)獠顦O化保持在較低水平,可在20 min內(nèi)完成最大容量80%的充電,且不會(huì)損壞電池特性。葉曉劍等[76]提出分段恒流結(jié)合脈沖方法,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該方法能極大削減電池極化現(xiàn)象,在不損傷電池的前提下縮短充電時(shí)間,提高充電效率。當(dāng)鋰電池處于低溫或高溫時(shí),除了脈沖充電策略本身對(duì)溫度進(jìn)行控制外,還應(yīng)該結(jié)合熱管理系統(tǒng)對(duì)處于極端溫度下的鋰電池進(jìn)行低溫預(yù)熱或高溫冷卻。

3.4 智能充電

智能充電方法基于鋰電池快充理論采用智能控制來(lái)調(diào)節(jié)充電過(guò)程,能夠依據(jù)鋰電池充電進(jìn)程中的參數(shù)和狀態(tài)改變情況來(lái)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)快速充電參數(shù),從而使得鋰電池時(shí)刻處于最佳充電狀態(tài)。較為常見(jiàn)的智能充電算法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法、遺傳算法等。以此為依據(jù)的智能充電器能夠針對(duì)每一種電池的特性給出不同的充電模式(控流、控壓、控溫、控時(shí))并采用相應(yīng)的算法進(jìn)行充電,以達(dá)到良好的充電效果,但因目標(biāo)相互競(jìng)爭(zhēng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部?jī)?yōu)化。一般模糊控制的電池充電系統(tǒng)用于推斷出適當(dāng)?shù)某潆婋娏饕蕴岣叱潆娦阅?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等被用于微調(diào)和優(yōu)化模糊控制的電池充電系統(tǒng)的變量,從而獲得適當(dāng)?shù)某潆婋娏饕蕴岣叱潆娝俣萚72]。王泰華等[63,66]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和粒子群算法對(duì)傳統(tǒng)CCCV充電策略進(jìn)行優(yōu)化,有效減小了低溫環(huán)境下的充電老化速率及充電時(shí)間,但沒(méi)有采用熱管理系統(tǒng),始終不能克服低溫充電時(shí)電池負(fù)極析鋰現(xiàn)象以及電池容量衰減問(wèn)題。Ullah等[77]基于NeuFuz神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了1款超高速電池充電器,可以持續(xù)監(jiān)測(cè)鋰電池狀態(tài),并相應(yīng)地修改充電電流,可達(dá)到20～30 min的超快充電,并延長(zhǎng)電池壽命。Yin等[78]通過(guò)結(jié)合恒流充電和脈沖放電電流來(lái)抑制電池老化,采用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法,確定了不同電池SOC下的最佳充電電流,并根據(jù)開(kāi)發(fā)的降階電化學(xué)壽命模型確定最佳充電溫度,降低了副反應(yīng)速率和析鋰率。麻友良等[79]采用遺傳算法來(lái)控制多段恒流充電,通過(guò)鋰電池充電進(jìn)程中電阻值大小來(lái)動(dòng)態(tài)控制充電電流,提高電池充電速率和充電效率,該策略應(yīng)用在鋰電池充電過(guò)程中可有效降低電極析鋰現(xiàn)象。吳鐵洲等[80]利用模糊控制來(lái)確定鋰電池充電過(guò)程中電極極化情況,通過(guò)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)鋰電池SOC區(qū)域內(nèi)快充電流的控制,該方法縮短約20%的充電時(shí)間,且溫升不明顯。袁臣虎等[81]提出一種鋰電池四階段智能充電方法,在不同的充電階段采取相應(yīng)的充電方法,根據(jù)電池特性實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)際電流,減少電池極化電壓,提升了鋰電池的充電速率,有效控制電池的溫升量。吳鐵洲等[82]采用Taguchi充電法對(duì)五階恒流充電法進(jìn)行了改進(jìn),通過(guò)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定五階恒流充電的電流優(yōu)化值,監(jiān)測(cè)鋰電池SOC、溫度、析氣點(diǎn)電壓、極化電壓等狀態(tài)值,運(yùn)用模糊控制器來(lái)控制快充電流,以消除充電進(jìn)程中的電極極化現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法相比傳統(tǒng)五階段恒流充電策略,充電速率提升27.4%,降低最大溫升10.5%,充電效率提高0.5%。上述智能快充的目的是控制最優(yōu)電流,防止負(fù)極析鋰,或控制電壓防止過(guò)充,然后平衡壽命和充電時(shí)間等競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo),但若電池工作在高溫或低溫環(huán)境下,也必須要搭配鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行低溫預(yù)熱和高溫散熱,使電池溫度處于25～40 ℃,防止低溫容量損失造成充電速度慢或充電析鋰的產(chǎn)生以及高溫散熱不均引發(fā)熱失控。當(dāng)前幾種主流大功率快速充電方法優(yōu)缺點(diǎn)歸納與總結(jié)如表3所示。

表3 不同充電方法比較表

4 挑戰(zhàn)與前景

隨著“雙碳”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,推動(dòng)交通電氣化是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵戰(zhàn)略之一。減少電動(dòng)汽車(chē)“里程焦慮”和滿(mǎn)足客戶(hù)期望需求,促使新能源汽車(chē)制造商將鋰電池大功率快速充電能力作為電動(dòng)汽車(chē)電池組的關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能是主要研究方向。盡管近年來(lái)研究人員在快速充電方面進(jìn)行了大量研究,但仍存在諸多挑戰(zhàn)。

(1)現(xiàn)有的建模方法存在較大局限性。

為了節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間,大多研究者將等效電路模型作為基礎(chǔ)模型開(kāi)展相關(guān)研究。等效電路模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn),但無(wú)法獲取有關(guān)鋰電池的內(nèi)部狀態(tài)信息,并且僅在有限條件范圍內(nèi)可靠,這些條件通常不能擴(kuò)展到濫用條件。此外,全階電化學(xué)模型雖能較好地表征電池內(nèi)部特性且具有物理含義,但由于其自身復(fù)雜性使其不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算。因而,需要能夠準(zhǔn)確反映電池內(nèi)部狀態(tài)的全階電化學(xué)模型的降階模型,這些模型能夠在未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池快速充電的電池管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

(2)多場(chǎng)耦合下鋰電池的多維動(dòng)態(tài)特性及其行為表征機(jī)制的研究不夠深入。

鋰電池老化衰減特性表征從最初基于電池健康狀態(tài)單一表征量到現(xiàn)在多參數(shù)表征,大多是從容量、阻抗等一維角度進(jìn)行分析,可以增加新的評(píng)價(jià)指標(biāo)如電池電極電位,構(gòu)成多維評(píng)價(jià)機(jī)制。目前尚未弄清電池內(nèi)部的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)分布規(guī)律和變化機(jī)制,還缺乏多應(yīng)力作用下的電-熱-老化機(jī)理模型來(lái)描述鋰電池多維動(dòng)態(tài)老化衰退與熱失控機(jī)理特性,對(duì)鋰電池老化衰退過(guò)程中微觀參數(shù)與宏觀狀態(tài)表征量之間的映射關(guān)系尚未全面掌握。

(3)對(duì)高低溫下的鋰電池安全快充缺乏深入研究。

當(dāng)前,還沒(méi)有可靠的車(chē)載方法來(lái)檢測(cè)關(guān)鍵衰退現(xiàn)象的發(fā)生,如電池負(fù)極析鋰或活性材料的機(jī)械裂紋。針對(duì)低溫環(huán)境下的大功率快速策略,相關(guān)研究大多只介紹了低溫下的加熱技術(shù)或者直接研究低溫下的鋰電池快充優(yōu)化,還缺乏綜合考慮低溫下鋰電池老化評(píng)價(jià)及邊界條件下的電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池大功率快速充電有效方法的研究?；陔姵靥卣麟妷浩脚_(tái)的析鋰層檢測(cè)技術(shù)具有良好的在線應(yīng)用前景,但能夠區(qū)分活性鋰剝離和其他平臺(tái)誘導(dǎo)現(xiàn)象的完全可靠的方法,或用于檢測(cè)未觀察到的電池電壓平臺(tái)的析鋰層的相關(guān)工作很少。針對(duì)高溫環(huán)境下的快充則主要關(guān)注高溫下的散熱技術(shù),或者開(kāi)展高溫下的鋰電池快充優(yōu)化,鮮有研究完整地將鋰電池的熱管理與大功率快充結(jié)合起來(lái)進(jìn)行討論。因而,針對(duì)高溫適應(yīng)環(huán)境可以結(jié)合現(xiàn)有的鋰電池快充技術(shù)和熱管理系統(tǒng),建立1套完整互補(bǔ)的熱管理快充體系,確保熱管理貫穿汽車(chē)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,本文簡(jiǎn)述了鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理和電化學(xué)-熱耦合模型,總結(jié)了鋰電池的熱管理方法和快充方法,并對(duì)比了各種熱管理方法的優(yōu)缺點(diǎn)和快充方法的優(yōu)缺點(diǎn),最后對(duì)電化學(xué)-熱耦合模型和熱管理系統(tǒng)在低溫及高溫下的鋰電池大功率快充方法研究進(jìn)行了展望。