張志剛，張濤，湯愛(ài)華，姚疆，蔣依汗

1. 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2. 招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 401329；3. 重慶市公安局交通管理局，重慶400054

當(dāng)今全球正面臨嚴(yán)峻的能源短缺危機(jī)，石油消耗量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，大量化石燃料的使用與濫用加劇了環(huán)境污染[1].純電動(dòng)汽車作為一種零排放、綠色低碳的交通工具發(fā)展迅猛，然而，由于續(xù)航里程和充電速度等因素導(dǎo)致的里程焦慮和充電焦慮是制約純電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣的瓶頸[2].鋰離子動(dòng)力電池(后面簡(jiǎn)稱鋰電池)由于具有比能量高、比功率大、無(wú)記憶性等良好性能，已被視為理想的新一代電動(dòng)汽車動(dòng)力源[3-4].快速充電策略是當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，通過(guò)快充策略以減少充電時(shí)間、延緩電池老化、提升充電效率[5-7].文獻(xiàn)[8]建立了鋰電池的電—熱模型，研究了鋰電池在充電過(guò)程中的極化特性，提出一種Reflex快充策略，有利減小電池極化，并且可以減少電池溫升及容量衰減.文獻(xiàn)[9]介紹了一種面向控制的電化學(xué)模型，可以用于在線觀測(cè)充電過(guò)程中陽(yáng)極上鋰的沉積，基于模型進(jìn)一步提出了一種在線無(wú)損快速充電算法，可以在保護(hù)電池的同時(shí)縮短充電時(shí)間.文獻(xiàn)[10]通過(guò)粒子群尋優(yōu)算法，以充電時(shí)間、容量及充電效率為優(yōu)化目標(biāo)，提出一種自適應(yīng)分階段恒流充電策略，相對(duì)于傳統(tǒng)的恒流恒壓(Constant Current Constant Voltage，CC-CV)充電模式，該策略充電時(shí)間短、溫升小，電池容量衰退較小.

本文從鋰電池特性和老化機(jī)理入手，將限制鋰電池快速充電能力的影響因素分類闡述，分析主流充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍.基于鋰電池電化學(xué)—熱耦合模型和電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展需求，提出了鋰電池健康狀態(tài)下快速安全充電的研究趨勢(shì).

1 鋰離子電池特性及快充影響因素

1.1 鋰離子動(dòng)力電池老化機(jī)理

鋰電池在循環(huán)充放電時(shí)，電池內(nèi)部通常會(huì)發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)具有不可逆性常造成電池電極活性物質(zhì)及可循環(huán)活性鋰離子減少，進(jìn)而造成電池容量下降和電阻上升，使得電池老化衰退[11-12].電池老化主要體現(xiàn)為阻抗增加和容量衰退，這是由電池內(nèi)部電化學(xué)性質(zhì)所決定的[13].電池老化的原因有：電極活性材料的腐蝕溶解[14-16]、結(jié)構(gòu)變化[17-19]、活性物質(zhì)顆粒破裂[20-22]等導(dǎo)致正負(fù)電極受損，固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)生長(zhǎng)增厚[23-24]、負(fù)極析鋰[25-26]等導(dǎo)致的活性鋰離子損失，這些因素將導(dǎo)致電池最大可用容量衰減，如圖1所示.鋰電池實(shí)際使用過(guò)程中的老化分為兩類：循環(huán)老化及日歷老化.循環(huán)老化即鋰電池在充放電循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的不可逆容量損失，主要影響因素有充放電電流、截止電壓、荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)、溫度、放電深度(Depth of Discharge，DOD)等[27]，為實(shí)現(xiàn)安全快速充電，研究電池老化機(jī)理具有重要意義[28].

文獻(xiàn)[29]使用單粒子模型對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的容量和電壓比對(duì)，分析出電池容量衰減有3個(gè)階段：

1) 電池容量衰減主要是由于SEI膜形成；

2) 電池老化過(guò)程中陰極材料衰退占比增大，但活性鋰離子消耗為主要原因；

3) 電池老化衰退主要原因?yàn)殛帢O材料衰退，且陽(yáng)極變化會(huì)加速電池老化.

文獻(xiàn)[30]通過(guò)研究充電電流倍率、溫度及DOD對(duì)磷酸鐵鋰電池老化的影響，表明溫度對(duì)鋰電池老化影響較大，DOD影響較小.此外，在大倍率電流充電過(guò)程中，電流倍率對(duì)鋰電池容量衰減有顯著影響.文獻(xiàn)[31]研究發(fā)現(xiàn)溫度上升使得SEI增長(zhǎng)速率增大，鋰電池循環(huán)后期，陽(yáng)極動(dòng)力學(xué)特性受到SEI膜限制，導(dǎo)致陽(yáng)極析鋰.文獻(xiàn)[32]通過(guò)研究不同SOC窗口和充電電流倍率下鋰電池容量衰減特性，發(fā)現(xiàn)鋰電池在循環(huán)過(guò)程中，在高SOC和大倍率電流條件下陽(yáng)極石墨層機(jī)械形變發(fā)生率增大，進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池容量衰減.文獻(xiàn)[33]研究表明，在低溫和大倍率充電工況下陽(yáng)極析鋰發(fā)生率增大，使鋰電池容量衰退加劇.

1.2 鋰電池健康狀態(tài)定義

電池健康狀態(tài)(State of Health，SOH)表征鋰電池當(dāng)前狀態(tài)下相較出廠時(shí)的儲(chǔ)電能力，用來(lái)定量描述電池老化的進(jìn)程，用百分?jǐn)?shù)表示.由于電池的容量、內(nèi)阻及剩余可充電次數(shù)等特征參數(shù)都會(huì)隨著電池老化而發(fā)生變化，故SOH可用不同的特征參數(shù)來(lái)表示，其定義如下：容量定義SOH[34]、內(nèi)阻定義SOH[35]和剩余可充電次數(shù)定義SOH[36].文獻(xiàn)[37]研究了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)鋰離子運(yùn)動(dòng)和消耗過(guò)程，并結(jié)合電池容量衰退過(guò)程，提出了容量損失、濃度變化等共計(jì)5個(gè)方程，可計(jì)算出容量損失，還可模擬不同的充電截止電壓和放電深度對(duì)電池老化進(jìn)程的影響，預(yù)測(cè)精度也很高.文獻(xiàn)[38]將Thevenin等效電路模型中的歐姆內(nèi)阻作為電池SOH的衡量指標(biāo)，運(yùn)用雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，結(jié)合電池老化的研究，對(duì)SOH進(jìn)行估計(jì).文獻(xiàn)[39]選取電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中電池管理系統(tǒng)監(jiān)控的歷史數(shù)據(jù)(電流、電壓、溫度)來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤SOH，在對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理后訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用電動(dòng)汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，平均誤差小于2.18%.綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，由于影響電池老化進(jìn)程的影響因素較多，電化學(xué)模型難以對(duì)鋰電池內(nèi)部復(fù)雜的狀態(tài)變化逐個(gè)描述，而等效電路模型將電池內(nèi)部簡(jiǎn)化處理可能導(dǎo)致模型誤差較大[40]，因此利用電池歷史運(yùn)行可監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)SOH進(jìn)行估計(jì)已經(jīng)成為主流研究方向.

圖2 鋰離子動(dòng)力電池快充影響因素

1.3 影響鋰離子動(dòng)力電池快速充電因素

鋰電池在其充電過(guò)程中受電池當(dāng)前SOC和SOH狀態(tài)及溫度、充電電流等因素影響較大，且這些因素之間互相聯(lián)系、互為影響，具有強(qiáng)耦合性[41]，其關(guān)系如圖2所示.

1.3.1 SEI膜生長(zhǎng)

鋰電池第一次充放電時(shí)，陽(yáng)極與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在陽(yáng)極界面會(huì)形成一層SEI膜.SEI膜的形成對(duì)鋰電池有兩個(gè)方面的影響[42].其一，SEI膜在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)消耗掉一定量可移動(dòng)鋰離子，從而造成鋰電池部分容量的不可逆損失；另一方面，SEI膜允許鋰離子通過(guò)，但可以隔絕電子和電解液的通過(guò)，從而防止了負(fù)極中的鋰離子和電解液的進(jìn)一步反應(yīng)，保證鋰電池能夠在限定的電壓區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作[43].但隨著電池循環(huán)使用次數(shù)的增加，SEI膜持續(xù)生長(zhǎng)，阻礙了部分鋰離子在電解液中的運(yùn)動(dòng)，使得電阻增大.

在SEI膜的形成過(guò)程中，會(huì)對(duì)電池的循環(huán)特性、倍率特性及溫度特性等產(chǎn)生影響[44].文獻(xiàn)[45-46]通過(guò)試驗(yàn)研究陽(yáng)極材料在不同工況下的變化狀況，表明陽(yáng)極界面SEI膜形成導(dǎo)致鋰離子動(dòng)力特性受到阻礙，使得電池極化和電阻增大，并且電流倍率和循環(huán)次數(shù)增大也會(huì)使電阻增大.文獻(xiàn)[47]通過(guò)事后拆解的方法分析了充電電流倍率對(duì)三元鋰電池老化的影響，研究發(fā)現(xiàn)高充電電流倍率使得SEI膜生長(zhǎng)速率增大，進(jìn)一步導(dǎo)致電池阻抗增加和加劇容量衰減.文獻(xiàn)[25，48-49]研究發(fā)現(xiàn)電池循環(huán)過(guò)程中，石墨表面SEI膜的增長(zhǎng)，使得電極孔隙率降低，阻礙了鋰離子動(dòng)力學(xué)特性，增大電池極化，進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池在適宜工況下發(fā)生陽(yáng)極析鋰.

1.3.2 負(fù)極析鋰副反應(yīng)

相比于SEI膜生長(zhǎng)的副反應(yīng)而言，鋰電池在循環(huán)使用過(guò)程中負(fù)極析鋰的可能性較低[50]，但在特殊工況下，如大倍率電流充電、過(guò)充及低溫，也可能發(fā)生陽(yáng)極析鋰，如表1所示.

表1 不同工作條件下的負(fù)極析鋰誘因

陽(yáng)極析鋰后，由于析出的部分鋰金屬在放電時(shí)無(wú)法被氧化為鋰離子，導(dǎo)致這部分的鋰離子無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮化學(xué)能和電能之間轉(zhuǎn)化的作用，從而造成電池容量的衰減.另一方面，析出的鋰金屬通常以鋰枝晶的形式附著在負(fù)極顆粒表面，鋰枝晶生長(zhǎng)到一定程度時(shí)能刺破隔膜，造成正負(fù)電極發(fā)生短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控[51].

目前學(xué)者對(duì)鋰電池析鋰原因開(kāi)展的研究，可以分為“濃度說(shuō)”[52]和“電位說(shuō)”[53].“濃度說(shuō)”認(rèn)為電池負(fù)極表面鋰離子濃度達(dá)到飽和而無(wú)法繼續(xù)嵌入負(fù)極，“電位說(shuō)”認(rèn)為是電池負(fù)極表面電位低于Li/Li+平衡電位而導(dǎo)致的.文獻(xiàn)[54]通過(guò)將局部擠壓的隔膜組裝成扣式半電池，因?yàn)榫植块]合隔膜的周圍鋰離子濃度較高，使得該位置過(guò)電位較大，導(dǎo)致陽(yáng)極析鋰.文獻(xiàn)[3]采用析鋰電勢(shì)作為判定，對(duì)鋰電池析鋰電流邊界進(jìn)行標(biāo)定，也就是依據(jù)負(fù)極電位閾值，將鋰電池在快速充電過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)極析鋰副反應(yīng)邊界電流作為整個(gè)電池充電范圍內(nèi)的最大充電電流.文獻(xiàn)[55]通過(guò)移位電壓判斷陽(yáng)極析鋰的時(shí)間點(diǎn)，在電池循環(huán)中移位電壓急劇增大時(shí)，會(huì)發(fā)生陽(yáng)極析鋰，并證實(shí)充放電電壓受到電池內(nèi)阻和鋰儲(chǔ)量的影響.

1.3.3 充電極化現(xiàn)象

鋰電池在充放電狀態(tài)下出現(xiàn)內(nèi)部鋰離子濃度短時(shí)間內(nèi)的分布不均現(xiàn)象，即為鋰電池的極化.鋰電池的極化受充放電電流大小、環(huán)境溫度、內(nèi)部活性物質(zhì)濃度等因素影響[56]，極化現(xiàn)象阻礙鋰離子動(dòng)力特性，導(dǎo)致溫升高、陽(yáng)極析鋰等，進(jìn)而使得充電電流曲線不能達(dá)到最大充電電流曲線，極化嚴(yán)重時(shí)，可能使得電池電壓陡升，損壞電池[57].

文獻(xiàn)[58-59]建立鋰電池的等效電路模型，研究了電池極化電壓與端電壓之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[60]通過(guò)分析鋰電池極化電壓，建立了反映電池內(nèi)部復(fù)雜離子運(yùn)動(dòng)的方程，通過(guò)計(jì)算鋰電池充放電時(shí)鋰離子流值來(lái)獲得極化電壓變化規(guī)律.文獻(xiàn)[61]將鋰離子電池的充放電策略作為控制目標(biāo)，研究了電池SOC、充放電形式、充放電倍率大小和工作溫度等方面與電池極化電壓之間的相互聯(lián)系.文獻(xiàn)[62]等采用極化電壓時(shí)間常數(shù)進(jìn)行快充優(yōu)化策略設(shè)計(jì)依據(jù)，能夠較好地平衡充電過(guò)程中快充速率、極化電壓和溫升速度.

1.3.4 溫度對(duì)充電影響

電池的溫度對(duì)內(nèi)部活化酶的活性有較大影響，進(jìn)而影響電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)速度，同時(shí)影響電池內(nèi)鋰離子脫嵌速率和擴(kuò)散遷移速率[63].電池溫度在充電中后期不斷累積，電池溫度過(guò)高部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量消耗，導(dǎo)致實(shí)際充電容量不足，并且嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍⑷紵痊F(xiàn)象.溫度過(guò)低，鋰離子電池反應(yīng)緩慢，充電速率降低，充電時(shí)間延長(zhǎng)[64].根據(jù)電池溫度—可接受充電電流曲線，表明在25℃下充電效果最佳，電池性能較好[65-66].

文獻(xiàn)[67]研究表明，環(huán)境溫度影響電池的電解液濃度和活性，當(dāng)溫度越高電解液活性和濃度越高，鋰離子擴(kuò)散和遷移速率增加.文獻(xiàn)[68]研究了溫度變化在循環(huán)充放電過(guò)程中對(duì)鋰電池的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度影響循環(huán)充放電過(guò)程中陰極SEI膜的增長(zhǎng)速率.高溫不僅會(huì)阻礙電池壽命，還會(huì)增加發(fā)生災(zāi)難性故障的危險(xiǎn)，相反，低溫也會(huì)限制電池壽命，因?yàn)殡姵貎?nèi)部電阻增加.文獻(xiàn)[69]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同環(huán)境溫度下電池內(nèi)阻狀況，在環(huán)境溫度為25℃下磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻是環(huán)境溫度為60℃狀況下的5倍.

1.3.5 充電電流倍率對(duì)電池性能影響

不同充電電流倍率下的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池充電時(shí)間特性分別如圖3所示.總體上，提高充電電流倍率可以縮短充電時(shí)間，然后電流倍率上升到一定值后，充電時(shí)間縮減的程度開(kāi)始減小，最終趨于平緩[70].鋰電池循環(huán)壽命受到充電電流倍率顯著影響，不同充電電流倍率下電池容量曲線表現(xiàn)為先下降后上升，當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)超過(guò)300次之后，在高倍率電流充電條件下，電池最大可用容量急劇衰減[71].提高充電上限電壓，有利于抑制電池容量衰減，其原因?yàn)樘岣叱潆娚舷揠妷海沟谜?fù)極電勢(shì)差增加，嵌入至負(fù)極的鋰離子數(shù)量增加.然而當(dāng)充電電壓過(guò)高，負(fù)極電勢(shì)降至0V以下時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致負(fù)極析鋰，從而導(dǎo)致電池容量急劇衰減[72].在快充條件下，應(yīng)當(dāng)監(jiān)測(cè)負(fù)極電位和電流密度，避免負(fù)極析鋰，降低充電安全風(fēng)險(xiǎn).

圖3 不同充電電流倍率下的充電時(shí)間特性

1.4 熱特性

鋰電池在快速充電進(jìn)行中會(huì)生熱，主要表現(xiàn)為化學(xué)熱、極化熱、歐姆熱和副反應(yīng)熱[73].由于某一類型鋰電池使用過(guò)程中容量變化不大，因而電池化學(xué)熱變化不大，而極化熱、歐姆熱及副反應(yīng)熱都和電池采用的充電策略有關(guān).電池的極化程度越高、副反應(yīng)越劇烈，生熱更多，這樣使得電池溫升速率加快[74-75].在充放電過(guò)程中鋰電池會(huì)產(chǎn)生各種熱，其中所產(chǎn)生的焦耳熱與電流平方成正比，在大電流快充條件下電池生熱量較大、溫升快[76].在快速充電條件下，電池?zé)峁芾硪彩钱?dāng)前研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[77]基于鋰電池電—熱模型，分析對(duì)比了電池常規(guī)充電和過(guò)充電條件下的電、熱特性，表明常規(guī)充電條件下，電池溫升是由于充電產(chǎn)生的不可逆熱，然而在過(guò)充電條件下，電池?zé)岬漠a(chǎn)生主要是因?yàn)槌潆姵跗阡嚦练e導(dǎo)致的.文獻(xiàn)[78]基于電池充電電壓隨SOC變化的規(guī)律，建立了電池生熱量隨SOC變化的熱源方程式，并耦合了正負(fù)極耳的生熱，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方式建立了過(guò)充電—熱耦合模型.研究表明，電池過(guò)充電過(guò)程中，最高溫度出現(xiàn)在正極附近，最低溫度出現(xiàn)在負(fù)極一側(cè)的底角處，隨著過(guò)充電流的增大，電池內(nèi)外部和區(qū)域溫差增大，電池的熱均勻性變差，電池極耳的位置對(duì)電池的溫度場(chǎng)分布有很大影響.文獻(xiàn)[79]通過(guò)建立18650鋰電池的電—熱模型，對(duì)比分析LiNi1/3Mn1/3O2，LiNi0.8CoAl0.05O2，LiFePO4，LiMn2O4，LiCoO25種陰極材料的熱特性，研究表明，同一種材料充電電流倍率每增加2C，溫升增加大約5℃.

2 主流充電法及安全快充策略

鋰電池充電時(shí)，內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，且涉及的參數(shù)具有強(qiáng)耦合、不可測(cè)等特性，但所涉及的參數(shù)對(duì)電池性能、循環(huán)壽命有較大影響，通常受到溫度、充電電流倍率及SOC影響[80，81].針對(duì)電動(dòng)汽車鋰電池的充電，發(fā)展了多種充電方式，每種充電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)[82]，下面是目前使用的一些主流充電方法：

2.1 恒流恒壓充電(Constant-Current Constant-Voltage Charging)

恒流恒壓充電綜合了恒流CC和恒壓CV充電兩個(gè)過(guò)程，首先，電池被恒定電流充電至預(yù)先設(shè)定的截止電壓，隨后，充電切換至恒壓充電模式，即電池的端電壓保持不變，充電過(guò)程一直持續(xù)到電流下降到規(guī)定的截止電流或充電時(shí)間到達(dá)設(shè)定的截止時(shí)間[83].恒流充電過(guò)程可有效地減少充電時(shí)長(zhǎng)，在恒壓充電過(guò)程中將電池充滿.然而恒壓階段充電電流下降緩慢，使得充電時(shí)間較長(zhǎng)，且此過(guò)程中電池?zé)崃坷鄯e、極化增大，充電效率低[84]，而采用恒定大倍率電流充電則會(huì)導(dǎo)致后期出現(xiàn)較大溫升，進(jìn)而損壞電池.

基于標(biāo)準(zhǔn)CC-CV充電策略，許多研究學(xué)者提出了多種改進(jìn)快充方法.文獻(xiàn)[85]提出了Boost充電策略，該策略采用CC-CV-CC-CV和CV-CC-CV充電，在充電初期使用大倍率電流的CC-CV或CV充電，之后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)CC-CV將電池充滿；Boost充電在充電速度上相較于傳統(tǒng)CC-CV得到提升，然而充電初期使用大電流CV充電不利于電池性能.文獻(xiàn)[86]在充分考慮恒流階段和恒壓階段電池充電的特點(diǎn)后，提出一種變電流間歇充電方法：由于在開(kāi)始階段電池的充電可接受能力較大，因此采用大電流對(duì)電池進(jìn)行充電，考慮到電池的極化效應(yīng)，當(dāng)恒流充電至電池截止電壓后，暫停充電，此時(shí)電池電壓將有所下降，隨后減小恒流充電的電流值，重復(fù)上述過(guò)程，直至電流減小到預(yù)定值后，采用恒壓充電完成最后階段的充電過(guò)程，做到了對(duì)電池的保護(hù).文獻(xiàn)[87]提出了一種優(yōu)化CC-CV充電電流曲線的三重優(yōu)化目標(biāo)充電策略，使用優(yōu)化算法將充電溫升、時(shí)間及能量損耗作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比各種優(yōu)化算法及不同權(quán)重因子對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響，研究表明，對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的子函數(shù)項(xiàng)的權(quán)重進(jìn)行合理設(shè)置，從而可以獲取不同優(yōu)先等級(jí)的充電電流曲線.

2.2 脈沖充電法(Pulse Charging)

作為恒流恒壓充電方法的代替方案，脈沖充電被認(rèn)為是一種能夠減少充電時(shí)間和提高電池充電及能量效率的有效方法[88]，該充電過(guò)程以預(yù)設(shè)的電流充電一段時(shí)間，之后伴隨短暫的中斷時(shí)間或以負(fù)脈沖放電，如此循環(huán)往復(fù)直到電池充滿量，在兩個(gè)連續(xù)脈沖之間增加停充期或者負(fù)脈沖，可以在下個(gè)正脈沖到來(lái)時(shí)使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到均衡.相比傳統(tǒng)的恒流充電，增加短暫的停歇或放電的脈沖充電會(huì)使鋰電池有更強(qiáng)充電接受能力，比如會(huì)消除極化電壓、抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)以及減緩電池的老化和加快充電速度等[89].

文獻(xiàn)[90]提出了一種恒流脈沖間歇充電策略，該策略在充電時(shí)將脈沖電流占空比和幅值設(shè)為定值，縮減了充電時(shí)間和降低電池極化.但為了進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，則需要延長(zhǎng)靜置時(shí)間消除電池極化，如此將與設(shè)定目標(biāo)沖突.文獻(xiàn)[91]通過(guò)控制頻率以實(shí)現(xiàn)最小化的電池阻抗，同時(shí)通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)減小極化，可以在不損壞電池特性的情況下，不到20 min可充電到最大容量，相比傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方法充電速度提高了兩倍，比恒流充電方法效率提高超過(guò)50%.文獻(xiàn)[92]將鋰離子的擴(kuò)散進(jìn)行理想化建模，從而分析得到常規(guī)恒流充電下約1 h后鋰離子濃度在石墨/電解質(zhì)界面處達(dá)到飽和，故采用約75%的占空比的脈沖充電可平衡充電時(shí)間和鋰離子濃度飽和之間的矛盾.

2.3 多段恒流充電法(Multistage Constant Current Charging)

恒流恒壓充電法中，如果從CC階段到CV階段轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)早，會(huì)增加CV階段的充電時(shí)間，如果轉(zhuǎn)換時(shí)間太晚，電池會(huì)發(fā)生過(guò)度充電，可能會(huì)永久損壞電池[93].由于CC-CV充電法可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)充和較長(zhǎng)的充電時(shí)間，為避免這些問(wèn)題，提出了多段恒流充電法.多段恒流充電指按一定規(guī)則將充電電流劃分為多段，每段電流都是固定常數(shù)，先以某一恒定電流充電到設(shè)定閥值后，繼續(xù)以另一恒定電流充電，直到電池容量達(dá)到設(shè)定值.在多段恒流充電過(guò)程中，將恒流恒壓充電過(guò)程中的恒壓階段用一組逐漸減小的電流替代[94].

多階段恒流充電最早由Qian等[95]提出.文獻(xiàn)[96]中采用優(yōu)化多段恒流充電中的電流序列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所獲得的快速充電模式能夠在40 min內(nèi)將鋰電池充電至75%容量，并且運(yùn)用該充電模式，鋰電池充放電循環(huán)壽命要比采用傳統(tǒng)的CC-CV充電模式延長(zhǎng)60%.文獻(xiàn)[97]運(yùn)用連續(xù)正交陣列技術(shù)確定五步恒流充電方法的最佳充電模式，該方法用于尋找最優(yōu)參數(shù)設(shè)置并簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所獲得的充電模式能夠使鋰電池充電至95%的容量，并且與傳統(tǒng)的恒定電流—恒定電壓充電方法相比，該方法可以使充電過(guò)程更快且更安全并使電池具有更長(zhǎng)循環(huán)壽命.文獻(xiàn)[98]采用遺傳算法以電池充電時(shí)間和溫升為優(yōu)化目標(biāo)，采用了一種基于多階段恒流充電策略，該策略通過(guò)改變權(quán)重因子，以平衡充電時(shí)間和溫升之間關(guān)系，從而確定一組充電電流序列，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該策略優(yōu)化效果好，在充電過(guò)程中溫升較低，總充電時(shí)間較短.

2.4 安全快充策略

鋰電池充電策略主要研究目標(biāo)包括4個(gè)方面：充電時(shí)間最小化、效率最高化、容量最大化及循環(huán)壽命最長(zhǎng)化，然而不同目標(biāo)之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，縮短充電時(shí)間則需要提升電流倍率，而大倍率電流亦會(huì)使得極化電壓增加，進(jìn)而降低了充電效率.因此，基于電池特性如何權(quán)衡不同目標(biāo)之間的關(guān)系，成為當(dāng)前快速充電技術(shù)的研究重點(diǎn)[99-100]，對(duì)此，研究人員基于電池充電特性提出了健康狀態(tài)下安全快速充電策略.

文獻(xiàn)[101]提出一種基于SOC和SOH估計(jì)的安全充電策略，該策略采取對(duì)電池電壓和電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以對(duì)電池SOC和SOH進(jìn)行估計(jì)，從而根據(jù)電池的狀態(tài)情況調(diào)整電流倍率和充電上限電壓，該策略在提高了充電速度和安全性的同時(shí)，容易控制和易于實(shí)現(xiàn).

文獻(xiàn)[102]在均衡考慮鋰電池老化損耗和充電時(shí)間的前提下，基于電—熱—老化多參數(shù)耦合模型提出了一種能夠準(zhǔn)確表征電池自身物理及化學(xué)反應(yīng)特性的多級(jí)恒流充電策略.該充電策略通過(guò)粒子群優(yōu)化算法將復(fù)雜充電過(guò)程轉(zhuǎn)化為一個(gè)高度非線性的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題予以求解，從而得到一組最佳充電電流序列，文中所提出的優(yōu)化充電策略準(zhǔn)確地表征了鋰電池的實(shí)際工況特性，可抑制溫度升高且能夠延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命.

文獻(xiàn)[103]采用了一種計(jì)及電池遲滯效應(yīng)的快速充電方法.該方法的主要思路是建立電池開(kāi)路電壓OCV與電荷狀態(tài)SOC的函數(shù)關(guān)系，以便于評(píng)估充電時(shí)所需的能量.同時(shí)，根據(jù)此函數(shù)關(guān)系所得的充電能量估計(jì)值，確定快充充電電流.此外，通過(guò)限制電壓遲滯效應(yīng)，能夠獲取高精度的OCV，進(jìn)而提高充電能量估計(jì)值的準(zhǔn)確性，縮短充電時(shí)間、提升電池壽命.

文獻(xiàn)[104]研究了一種基于保持極化電壓恒定的交替快速充電技術(shù)，定量分析了電流、荷電狀態(tài)SOC、電池老化等因素對(duì)極化電壓的影響.通過(guò)在SOC域?qū)O化特性的分析，研究得出在包含SOC的極化電壓變化率中存在一個(gè)與電流、初始SOC、初始極化狀態(tài)和老化程度無(wú)關(guān)的拐點(diǎn)，極化電壓變化率趨于穩(wěn)定且在該拐點(diǎn)后保持一個(gè)較小值，進(jìn)而提出了一種以極化電壓為控制目標(biāo)的基于恒極化充電的模糊控制充電算法，與傳統(tǒng)CC-CV充電法相比，該充電控制算法顯著縮短充電時(shí)間，且沒(méi)有明顯的壽命損失.

文獻(xiàn)[105]提出了一種安全無(wú)損快速充電策略.基于降維負(fù)極電位估計(jì)模型，開(kāi)發(fā)了負(fù)極電位閉環(huán)觀測(cè)器，基于負(fù)極電位觀測(cè)值開(kāi)發(fā)了電流在線優(yōu)化控制器及耦合控制策略，該策略根據(jù)輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)修正內(nèi)部狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電位實(shí)時(shí)精確觀測(cè)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整充電電流，使觀測(cè)到的陽(yáng)極電位始終保持在目標(biāo)值附近，既減少了充電時(shí)間，也保證了電池運(yùn)行在安全充電區(qū)間內(nèi).

3 挑戰(zhàn)與趨勢(shì)

為了減少用戶的里程焦慮和滿足客戶充電期望這一需求，促使許多汽車制造商將快速充電能力作為電動(dòng)汽車電池組的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù).近年來(lái)，大量的研究投入到了快速充電策略的各個(gè)方面，但仍存在許多知識(shí)欠缺[106].

3.1 當(dāng)前充電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

至今，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種充電方法，以滿足電動(dòng)汽車快充所需，但每種充電方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，各種充電方法的不足之處如表2所示.

表2 不同充電方法的缺點(diǎn)

目前使用的快速充電策略面臨的主要挑戰(zhàn)之一是充電電流的選擇.快充條件下的充電電流倍率應(yīng)該使充電速度和電池壽命達(dá)成一種平衡，為了縮短充電時(shí)間周期，目前的方法采用高倍率電流，這使得鋰離子以更快的速度脫嵌、轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮減，而且可能會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀蟊堵食潆娺€會(huì)產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，影響鋰電池的快速充電能力.

現(xiàn)有的建模方法有明顯的局限性.基于等效電路的模型，除了一些物理參數(shù)外，不能獲取關(guān)于電池內(nèi)部狀態(tài)信息，其次，獲取的信息只在限制的條件下具有可靠性.而另一方面，全階電化學(xué)模型的高精確度使其在實(shí)時(shí)性方面不易實(shí)現(xiàn)，而在快速充電條件下，電池參數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)是至關(guān)重要的.表征電池特性的關(guān)鍵參數(shù)有電壓、電流、SOC及開(kāi)路電壓，這些參數(shù)對(duì)充電電流的選擇和內(nèi)部溫度的控制具有重要意義.

圖4 最優(yōu)快速充電策略實(shí)現(xiàn)路徑

3.2 最優(yōu)快速充電策略的實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，充電電流倍率、析鋰副反應(yīng)、熱穩(wěn)定性等鋰電池特性相互關(guān)聯(lián)，各參數(shù)間具有強(qiáng)耦合性.為了提高充電速度及確保安全性，應(yīng)當(dāng)精確辨識(shí)控制這些關(guān)鍵參數(shù).許多學(xué)者提出了耦合電池模型，包括電—熱模型、電—熱—老化模型等，以獲取多目標(biāo)和最佳的充電策略.建立準(zhǔn)確的電池模型后，制定充電時(shí)間、充電過(guò)程溫升、能力損失最小化及容量和循環(huán)壽命最大化等目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，利用多種智能優(yōu)化算法，推導(dǎo)出用于控制充電策略和電池溫度約束的最優(yōu)充電電流倍率.

針對(duì)鋰電池安全快速充電問(wèn)題，存在的主要挑戰(zhàn)在于：一是電池自身能夠承受較大充電電流，這對(duì)電池極化電阻提出了更高的要求；二是電池在承受大倍率電流充電后，仍能維持良好的工作性能、循環(huán)壽命和熱安全性，這就要求電池活性材料穩(wěn)定性方面足夠可靠.

4 結(jié) 論

綜上所述，本文總結(jié)了鋰電池的充電特性，系統(tǒng)地回顧和比較了目前鋰電池的主流充電方法以及部分優(yōu)化充電策略，這些優(yōu)化充電策略在縮減充電時(shí)間、提高充電效率和延長(zhǎng)電池使用壽命方面均有卓越的表現(xiàn)，探討了目前鋰電池快充策略的研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)，對(duì)于今后實(shí)現(xiàn)鋰電池快充的關(guān)鍵技術(shù)、策略進(jìn)行了展望.