锂离子电池脉冲充电策略研究及表征分析
作者：互联网
研究背景
近年来，在国家政策的推动下，新能源汽车产 业发展迅猛，2019 年我国电动汽车销量达到全球 的 50% 以上。锂离子动力电池凭借工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效 应等优点，在新能源汽车上得到了广泛的应用。电动汽车在大规模普及的同时，充电慢、充电难等一直是消费者在购买电动汽车时普遍担忧的关键 问题。为了解决这一问题，除要继续完善充电基础 设施建设，增加充电桩数量外，还需要制定更为安 全、高效的整车充电策略，这对于延长电池寿命、 提高电动汽车使用安全性至关重要。
创新点及解决的问题
本文针对一种三元材料体系的 18650 圆柱形 电池进行脉冲充电策略研究，将其与标准恒流恒压 充电策略进行综合比对，全面客观地分析脉冲充电 策略的关键参数对动力电池电性能的影响，并系统 地比较和评估了脉冲充电策略对电池寿命以及电 池结构的影响。
重点内容导读
1.1 脉冲充电对电池充放电性能的影响
1.1.1 正脉冲对电池充放电性能的影响
通过改变正脉冲幅值、脉冲时间及静置时间， 系统地分析了各关键参数对电池充放电性能的影 响。通过实验，得到不同正脉冲充电策略对电池性 能的影响，见表 2。
从表中第 1、2、3 组数据可以看出，正脉冲时 间对可充入容量和最高温度几乎无影响，而充电时间随正脉冲时间的增加而小幅缩短；比较第2、4、5、 6 组实验发现，脉冲静置时间对可充入容量和最高 温度几乎无影响，而充电时间随静置时间的增加线 性增长，当静置时间从 0.5 s 提高到 1.0 s，充电时 间增长 1.4 倍；从 6、7、8 组数据能明显看出，提 高脉冲倍率，充电容量衰减的同时可大幅缩短充电 时间，2 C 脉冲倍率充电容量是 1 C 的 75%，充电 时间却仅为 1 C 的 30%，当然提高脉冲倍率存在最高温度较高的问题。
1.1.2 带负脉冲充电对电池充放电性能的影响
实验采用 1 C 正脉冲充电倍率，不同负脉冲实验条件下的结 果如表 3 所示。
由表可见，第 1、2、3 组实验，增加负脉冲时 间能够微弱地增加充电容量，但较大程度延长了充 电时间，当负脉冲时间从 0.2 s 增加到 0.5 s 时，充电时间增长了 1.6 倍；比较第 1、6、7 组实验，当 增大负脉冲倍率时，充电容量微弱增加，充电时间 随之小幅延长，同时，增加负脉冲倍率会使电池在 充电过程中温升加大，2 C 负脉冲倍率时，最高温 度达到 37.8 ℃。
1.2 带负脉冲充电策略的循环性能
根据正脉冲充电和负脉冲充电对电池充放电性能的影响，在带负脉冲充电策略中，正脉冲时间 4.3 s、负脉冲时间 0.4 s、1 C 负脉冲倍率这一优选 充电策略，在保持较高放电容量的前提下，其充电 时间较短。因此，选取该种充电策略进行 500 圈充 放电循环，同时选取截止电流分别为 I1/10 和 I1/20 的标准恒流恒压（CCCV）充电策略作为比照，对比此种带负脉冲策略在实际开展循环寿命实验时 的表现。循环寿命放电机制均采用 1 C 倍率，放电 到截止电压 2.5 V。图 1 为两类充电策略可充入容 量与循环次数的关系。
如图 1 所示，截止电流为 I1//10（0.28 A）的恒流恒压（CCCV）充电策略可充入容量由 2.79 A∙h 降至 500 圈后的 2.31 A∙h，保持率为 82.8%；截止 电流为 I1/20 的恒流恒压的充电策略与 I1/10 截止电 流的充电策略可充入容量衰减趋势保持一致；带 负脉冲策略经过 500 次充放电循环后，可充入容 量由 2.13 A∙h 降至 1.88 A∙h，可充入容量保持率为 88.3%，其衰减趋势相比之下较为缓慢。在循环实验中，每循环 100 周，对上述两类 充电策略进行 1C-1C 标准放电容量标定，观察带 负脉冲策略对锂电池标准容量衰减的影响，如图 2 所示。
从图中可看出，采用两种不同截止电流的 CCCV 充电循环 500 圈后，电池的标准容量分别由 2.85 A∙h 和 2.84 A∙h 衰减至 2.53 A∙h 和 2.49 A∙h。而采用此种带负脉冲策略循环之后，标准容量由 2.86 A∙h 仅衰减到 2.68 A∙h，相比之下明显地减缓 了电池的容量衰减。
为了便于分析不同周次的标准容量衰减程度，表 4 汇总了带负脉冲充电策略与 CCCV 充电策略不同循环周次的 SOH 状态。从表 4 可以看出，采用带负脉冲充电策略 500 次循环后，电池 SOH 能够达到 93.4%，而不同截 止电流的 CCCV 充电策略 SOH 已经降至 88%。因此，采用此种带负脉冲充电策略可以减小对电池的损耗。
1.3 电池交流阻抗性能
电化学阻抗谱（EIS）法是以小振幅的正弦波 电流电位或电流为扰动信号来测量体系内各部分 阻抗的变化 。动力电池测得的交流阻抗 Nyquist 图，一般由三个部分组成，依次为高频区、中频区和低频区的阻抗。高中频区的连接点，是欧姆阻抗，反映的是电 解液、隔膜、极耳等阻抗的总和 。中频区的圆 弧部分为电荷传递阻抗引起的。而低频区则为 Li+ 在电极活性材料中的固态扩散阻抗 。
如图 3 为 动力电池的等效电路图，L1 为动力电池感抗，R1 为欧姆阻抗，R2 是电荷传递阻抗，W1 是 Li+ 扩散 阻抗。
1.3.1 带负脉冲同循环周数不同 SOC 状态下 EIS 阻抗变化
实验中测试带负脉冲充电策略第 1、100、 200、300、400、500 周循环下的 20%、50% 以及 80% SOC 的交流阻抗变化，如图 4 所示。
在同一循环周次不同 SOC 状态下，高频区的 直线在 300 周之前较为分散，300 周以后，不同SOC 状态下的高频区直线逐渐重合。而不同 SOC 状态下的中频区的圆弧曲率半径基本相同，随着周 次变大有下降的趋势。不同 SOC 状态下低频区的 斜线基本平行，斜率为 1，反映出电极中总离子的 扩散行为不受 SOC 的影响。只有高中频区的交点 会随 SOC 的变化而有细微变化，说明电池的欧姆 阻抗会受到电池 SOC 的影响。对不同 SOC 状态下的阻抗谱数据进行等效电 路拟合，可得到不同循环圈数下不同 SOC 状态电 池的欧姆阻抗 R1、电荷传递阻抗 R2 以及扩散阻抗 W1，如图 5 所示。
其中，图 5(a) 是电池欧姆阻抗 随 SOC 变化图，在 1 ～ 500 周循环下，不同 SOC 状态下的欧姆阻抗集中在 0.06 ～ 0.07 Ω，电池的 欧姆阻抗几乎不随SOC和循环周次的变化而变化。从图 5(b) 中可以看出，随着循环周次的增加，电 荷传递阻抗 R2 随 SOC 状态呈现先减小后变大的趋 势，这是由于在 20% SOC 以下和 80% SOC 以上时，电池接近全充和全放的状态，不易发生电极反应， 所以电荷传递阻抗更大。且 300 圈负脉冲循环以后， 电荷传递阻抗明显增大，反映出该带负脉冲策略在 300圈循环后电极的性能才开始衰退，引起R2增大。从图 5(c) 中可看出，Li+ 在活性材料的扩散阻抗与 电荷传递阻抗有着类似的变化趋势，这是因为电池 在全充和全放状态下，Li+ 在活性材料内嵌入和脱 出都比 50% SOC 状态困难，从而引起扩散阻抗增 加。
1.3.2 SOC 状态不同循环周次电池 EIS 阻抗变化
为了在电池的相同 SOC 状态下，观察经过不 同的带负脉冲充电循环以及 CCCV-0.14 A 的标准 充电循环后的交流阻抗变化趋势，把同一 SOC 状 态下的各部分阻抗汇总，如图 6 为不同带负脉冲 和 CCCV-0.14 A 循环周次下的交流阻抗的趋势变 化图。
图 6(a) 反映了不同循环周次的电池欧姆阻抗
1.4 带负脉冲策略对电池结构的影响
结论
研究了脉冲充电策略对18650锂离子动力电池充放电容量、充电时间、充电升温等关键指标的影响，将其与标准恒流恒压充电策略进行综合比对，全面客观地分析脉冲充电策略的关键参数对电池电性能的影响，并系统地比较和评估了脉冲充电策略对电池寿命的影响。通过分析实验结果得出以下结论。
（1）对于正脉冲充电，正脉冲时间对可冲入容量和最高温度几乎无影响，而充电时间随正脉冲时间的增加而小幅度缩短，脉冲静置时间对可冲入容量和最高温度几乎无影响，而充电时间随静置时间的增加，线性增加，当静置时间从0.5S提高到1.0S，充电时间增长1.4倍，提高脉冲倍率，充电容量衰减的同时可大幅缩短充电时间，2 C 脉冲倍率充电 容量是 1 C 的 75%，充电时间却仅为 1 C 的 30%。
（2）对于带负脉冲充电，增加负脉冲时间能 够微弱地增加充电容量，但较大程度延长了充电时 间，当负脉冲时间从 0.2 s 增加到 0.5 s 时，充电时 间增长了 1.6 倍；当增大负脉冲倍率时，充电容量 微弱增加，充电时间随之小幅延长，同时，增加负 脉冲倍率会使电池在充电过程中温升加大，2 C 负 脉冲倍率时，最高温度达到 37.8℃。
（3）本文优选带负脉冲策略与常规 CCCV 充 电策略相比，经过相同 500 周循环，带负脉冲策 略可充入容量保持率高于 CCCV 充电策略，且标 准容量衰减也更加缓慢。该策略电池在循环过程 中，欧姆阻抗几乎不随 SOC 状态变化，集中在 0.06 ～ 0.07 Ω 之间；电荷传递阻抗以及扩散阻抗 随 SOC 的增大先减小后增大，且随循环周数的增 加，这种趋势愈加明显。通过 CT 断层扫描分析， 该策略的横纵截面形变也显得更加均匀，在根本上 为高循环容量保持率提供了电极结构保障。
标签：SOC,阻抗,策略,脉冲,充电,锂离子,表征,电池 来源： https://blog.51cto.com/u_15127589/2735457