基于优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法研究

摘要

本论文在国家自然科学基金(No.51675258,51261024,51075372)、江西省科技计划项目(No.20141BBE50021)和电池制造企业（鸥瑞智诺能源科技(天津)有限公司）资助下，针对常用充电方法充电时间相对较长，充电效率和电能利用率低，以及存在的极化现象，影响充电速度和电池使用寿命等问题展开研究，课题研究主要包括以下内容：
　　1、研究了磷酸铁锂电池在充放电两种工作状态下的OCV-SOC曲线、不同倍率充放电特性、温度特性以及充放电循环寿命特性。由研究结果可知，充电与放电过程的电池开路电压存在差异，两者的OCV-SOC曲线并不是完全相同的，建模时，需要考虑两者对电池模型参数的影响；充放电初期和末期，电池开路电压变化较快，中期相对缓慢；充电倍率越大，电池端电压上升得越快，放电倍率越大，电池端电压下降得越快，同时充放电倍率越大，端电压变化率也越大，充放电过程电池充入和放出的容量越少；充电倍率越高，电池温度上升得越快，并且随着充电的进行热量呈现累积现象；磷酸铁锂电池使用寿命较长。
　　2、实验分析充放电极化电压和内阻，发现充放电过程极化电压近似相同，而欧姆内阻却相差较大，同时还是一个动态值，基于此，对传统二阶RC电池模型存在的不足进行改进，改进的模型充分考虑了充放电倍率、充放电方式、温度与SOC状态对模型的影响。由二阶RC改进模型建立起极化电压关系式，并讨论了优化极化电压的方法。同时，还研究了极化电压SOC区间特性、充放电极化电压倍率特性、极化电压时间常数、充电方式对极化电压影响特性、极化电压温度特性与极化电压容量损失特性，研究结果可知，极化电压在SOC低值端和高值端变化较大，中端变化较平衡；充放电的电流按倍数增加时，极化电压并不会随之增加相应倍数，而是增加的倍数逐渐变小；同一SOC点浓差极化电压时间常数要比电化学极化电压时间常数大得多，前者需要更长时间来消除；极化电压具有滞后性和超调效应；极化电压越大，电池温度越高；充电过程中，容量损失随着极化电压的增大而增大。
　　3、研究了停歇优化极化电压的SOC区间特性和倍率特性，通过实验分析发现，当停歇时间在某个值内时，停歇得到的极化降电压与SOC区间无关；停歇时间在某个范围值内，停歇得到的极化降电压与充电电流近似线性关系，基于此，建立起停歇时间、充电电流和极化降电压三者的关系。此外，由研究结果可知，停歇时间要选择合适，要既不影响充电的时间效率，又能够很好的降低极化电压。
　　4、研究了放电脉冲优化极化电压的SOC区间特性和倍率特性，通过实验分析发现，当放电脉宽小于某个值时，放电脉冲得到的极化降电压与SOC区间无关；放电脉宽在某个范围值内，放电得到的极化降电压与充电电流并不呈现线性关系，而是出现不规律的现象，基于此，建立起放电脉冲幅值、脉宽和极化降电压三者的关系。此外，由研究结果可知，放电脉冲的幅值和脉宽要选择合适，既不影响充电的时间效率，又能够很好的降低极化电压。
　　5、提出了基于优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法的充电模式，即阶段升电流充电、优化极化电压大电流充电和新型阶段降电流充电三阶段充电模式。实验结果表明，阶段升电流充电可以很好的优化极化电压，比0.5C标准充电充入更多的容量，同时，让电池提前进入可以接受大电流充电阶段；优化极化电压大电流充电阶段，通过优化极化电压能效地减小极化电压，从而减小电池温升和电能损耗，同时充入更多容量；新型阶段降电流充电，优化极化电压的效果明显要比常规阶段降电流充电要好，同时减小充电对电池的损害，延长电池使用寿命。
　　最后，将优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法与标准充电、变电流间歇充电方法进行实验对比。实验对比表明，提出的充电方法明显优于标准充电、变电流间歇充电方法，提高了充电效率和电能利用率，充电时间大幅度减少，甚至高出几倍的效率，同时减少了充电对电池的损害。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景和研究意义

1.2蓄电池快速充电国内外研究状况

1.3 磷酸铁锂电池

1.4 论文主要研究内容和创新点

第2章 磷酸铁锂电池充放电特性研究

2.1 实验对象

2.2 实验测试平台介绍

2.3 磷酸铁锂电池OCV-SOC曲线特性

2.4 磷酸铁锂电池不同倍率充放电特性

2.5 磷酸铁锂电池温度特性

2.7磷酸铁锂电池充放电循环寿命特性

2.8本章小结

第3章 磷酸铁锂电池极化电压特性分析

3.1 极化电压的产生机理

3.2极化电压的测试方法

3.3磷酸铁锂电池充放电极化电压和内阻分析

3.4 磷酸铁锂电池二阶RC改进等效模型

3.5 极化电压特性实验分析

3.6 本章小结

第4章 磷酸铁锂电池优化极化电压的方法研究

4.1阶段降流优化极化电压实验分析

4.2 停歇优化极化电压实验分析

4.3放电脉冲优化极化电压实验分析

4.4降流、停歇和放电脉冲结合优化极化电压

4.5本章小结

第5章 基于优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法

5.1常用充电方法介绍

5.2优化极化电压快速充电方法的充电模式

5.3阶段升电流

5.3优化极化电压大电流充电

5.4新型阶段降电流

5.5基于优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法

5.6本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢

声明