基于電池剩余電量估計的快速充電策略

王 源， 程方曉， 王 旭

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

基于電池剩余電量估計的快速充電策略

王 源， 程方曉*， 王 旭

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

通過磷酸鐵鋰電池的開路電壓計算一個荷電狀態(SOC)，隨后以SOC為依據來調整充電狀態。與其他充電方法相比，本方法在充電時間和充電效率方面均有較大的提高。

充電策略; 磷酸鐵鋰電池; 荷電狀態(SOC)

0 引 言

便攜式電子裝置的使用越來越廣泛。用于電子裝置的充電電池一般是鋰電池、鎳氫電池和鎳鉻電池。近幾年，電子產品中鋰電池的需求量大大增加。鋰電池同樣可以滿足電動汽車的需求，鋰電池在未來電池領域舉足輕重。

鋰電池過充是鋰電池的充電電量大于電池的額定容量。當電池經常發生過充現象時，電池將會損壞。恒流-恒壓法(CC-CV)是一種易于實現的充電策略，被廣泛應用于解決電池的過充問題。雖然恒流-恒壓法可以有效地防止電池過充，且充電電量近乎達到電池的額定容量，但是這個充電策略的充電時間相對較長，因為使用這個策略時，電池在一定時間內會以恒定電壓充電，這樣會延長充電時間[1]。

為了加快充電過程并保證電池達到額定容量，近年來大量研究人員對這一方面進行了研究，提出了大量可行理論。一種蟻群算法被應用在確定五段式充電的最優充電電流上面，使充電電流逼近最佳充電電流，這樣就減少了充電時間，增加了電池充放電循環次數。脈沖充電策略是利用鎖相式電池充電，這種方法易于控制，便于操作[2]。這些充電策略都是可行的，但是，這些方法有一定局限性，從而阻止了它們進一步的應用。為了加快電池充電速度，需要使用一個接近最大充電電流的大電流對電池進行充電。然而，因為鋰電池深度放電后產生很大的阻抗，過大的充電電流會導致電池溫度升高。

基于以上原因，提出了一種快速充電策略，該策略以電池開路電壓和SOC來確定大電流充電的合適時機，用以縮短充電時間。測試結果表明，該充電策略優于其他充電策略。

1 磷酸鐵鋰電池的剩余電量計算

SOC是一種對電池的剩余電量進行量化的常用指標，它可以代表剩余電量占電池標準容量的比例。SOC可以用公式表示為:

(1)

式中:SOC0----電池的初始SOC;

AHC----電池的標準容量；

i----放電(i為正)或充電(i為負)電流[3]。

為了表示OCV和SOC之間的關系，提出一種裁剪相關向量機(TRVR)的方法，這種方法可以減少模型中的噪音干擾。把這個方法應用于電池模型，得到:

(2)

式中:SOCi、OCVi----剩余電量與電源開路電壓值，每一個SOC值都對應一個OCV(開路電壓)值;

εi----采集噪聲，符合高斯分布;

y(SOCi,ω)----非線性函數;

ω----可調權值，ω=[ω0,ω1,…,ωn]。

(3)

式中:K(SOC,SOCi)----核心函數。

權值可通過式(2)和式(3)迭代得出[4]。充電方法流程如圖1所示。

圖1 充電方法流程

步驟1：初始化參數和數據集合，確定初始權值ω。然后，把SOC與ω的值代入式(3)來計算y=[y1，y2,…,yn]。接下來，計算誤差的平方r2=(OCVi-y)2，然后把r2升序排列，并依據r2的順序排列(SOCi，OCVi)，把(SOC，OCV)集合的前一半作為T0。

步驟2：利用新的T0集合來更新ω。同時，通過新的ω來更新y和r2。利用r2來判斷噪聲的大小，設定一個閾值，當r2小于該閾值時，保留對應的(SOCi，OCVi)，以此來更新T0。

步驟3：根據新集合來更新權值，并通過新權值對參數進行重新計算。

步驟4：重復步驟2和步驟3，直到得到穩定的權值。隨后代入SOC和與之對應的穩定的權值到式(3)，計算出OCV的值，這樣就實現了OCV和SOC之間的對應，完成計算。

2 快速充電策略

圖1流程中包括低充電速率(LRC)過程和高充電速率(HRC)過程。

在充電開始階段，進行測量磷酸鐵鋰電池的初始電壓并與閾值電壓Vth比較,如果電池電壓低于閾值電壓，低充電速率的過程會用小電流對電池進行充電直到SOC與SOCLRC相等。用0.5C小電流進行充電是為了防止溫度過高損壞電池。通過小電流充電，滯后性的影響會被消除[5]。

接下來，再次測量電池電壓。利用式(3)和測量的電壓來計算SOC，從而可以得到電池剩余電量。ED是電池額定容量和SOC之差。接下來進行大電流充電，直到SOC和電池額定容量之差與ED相等，從而結束充電。

3 結果測試和分析

需要做一些實驗來驗證充電策略的效率。測試電池的基本參數見表1。

表1 磷酸鐵鋰電池電氣特性

參照圖1的流程，第一步是確定閾值電壓Vth。注意不同電池將會有不同閾值電壓。測量閾值電壓的方法是通過實驗確定[6],四塊電池的開路電壓特性曲線如圖2所示。

圖中,No.1和No.2是新電池，No.3和No.4是舊電池。可以看出，由于電池內阻的原因，開路電壓曲線存在微小差異，當開路電壓大于3.2V時，四組電池開路電壓沒有太大差異，故Vth設定為3.2V。此時，為保證電池開路電壓高于Vth，SOCLRC設置為25%,LRC和HRC分別設為0.5C和4C。這些參數見表2。

圖2 四塊電池的開路電壓特性曲線

參數數值OCVth/V3．2SOCLRC/%25LRC充電電流0．5CHRC充電電流4C

實驗1：估計電池剩余電量實驗。

實驗將要對兩種電池阻抗模型進行比較，兩種模型分別是純電阻模型和RC網絡模型[7]。放電過程采用一個恒定的電流放電，持續600s。放電過程的仿真和實驗如圖3所示。

(a) 純阻抗模型

(b) RC網絡模型

從圖中可以看出，這兩種模型的結果相差不大，出于系統復雜性考慮，在以后的實驗中選擇純阻抗模型。用上述方法來計算SOC。

電池SOC估計和實測結果見表3。

由表3可以看出，該方法估算SOC時誤差較小，估計效果較好。

實驗2：電池充電實驗。

在本實驗中，使用基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計的快速充電策略進行充電，初始電壓分別為2.8V和3.24V。2.8V的初始電壓低于閾值電壓，3.24V電壓高于閾值電壓。實驗結果分別如圖4和圖5所示。

表3 電池SOC估計和實測結果

圖4 電池初始電壓為2.8 V時的充電曲線

圖5 電池初始電壓為3.34 V時的充電曲線

在圖4中，由于初始電壓低于閾值電壓3.2 V，所以充電過程從小電流充電開始，然后進行一次負脈沖充電，后停充一小段時間，消除滯后性影響[8]。當滯后性影響減小以后，進行電壓的測量，從而確定SOC值。圖5中表示了當初始電壓超過3.2 V的閾值電壓時，開始進行一次負脈沖充電，后停充一小段時間，然后執行大電流充電操作。從圖4和圖5可以看出，電池的最終電壓Vend不會超過充電電壓3.65 V。充電過程中沒有發生過充現象。在試驗中，測得室溫為32.2 ℃，在小電流充電時，電池溫度接近室溫，當進行大電流充電時，電池溫度升高到37 ℃。溫度曲線如圖4中虛線所示。相對電池參數上面的最大工作溫度為45 ℃，充電過程中的溫度上升是可以接受的。為了進一步確認該充電策略同樣適用于大容量電池，同樣對5 A·h的磷酸鐵鋰電池進行實驗。在試驗中，初始電壓為2.70 V，小電流充電時電流為2.5 A，最大充電電流達到10 A。

充電過程如圖6所示。

圖6中顯示，當充電電流達到0時,電池最終電壓Vend沒有超過充電電壓3.65 V。這個結果證實了該充電策略同樣適用于大容量電池。

隨后，使用其他兩種策略進行充電，分別是CC-CV方法(策略1)和提前預測法(策略2)，用來和基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計的快速充電策略的對比[9]。

前兩種充電策略的結果分別如圖7和圖8所示。

圖6 大容量磷酸鐵鋰電池充電曲線

圖7 策略1充電曲線

圖8 策略2充電曲線

在同樣的初始電壓條件下，以上兩種充電策略分別需要67 min和38 min。經過比較圖5、圖7和圖8，在0.5 A·h的電池容量下，3種充電策略中，文中提出的充電策略的充電時間是最短的。同時，在提前預測法中產生了較大的充電電流，可能會降低電池容量。

為了進一步驗證文中提出的充電策略的優點，3種充電策略在對完全放電的電池充電時的充電效率見表4。

表4 3種充電方法充電效率

在試驗中，所有的電池初始電壓被控制在2.8 V。η用來顯示充放電的效率。為了保證測試的一致性，所有充電策略的最大充電電流為2C。在同樣的實驗條件下，3種策略的充入電量分別是1.07、1.06、1.01 A·h。策略3為磷酸鐵鋰電池剩余電量估計的快速充電策略，這表明該策略具有充電時間少、效率高等優點。

4 結 語

通過對鋰電池充電策略進行大量研究，提出了基于磷酸鐵鋰電池剩余電量估計的快速充電策略。通過研究開路電壓和SOC之間的關系，準確估計出電池的剩余電量,并據此執行快速充電策略來減少充電時間。實驗結果在上述兩個實驗中得到驗證，與同類充電策略相比，本充電策略充電效果突出，是進行快速充電的新選擇。

[1] 麻友良,羅明勝,陳全世.電動汽車用電池智能化快速充電研究[J].武漢科技大學學報,2010(2):218-221.

[2] 李國曉.電動汽車電池組快速充電研究[J].甘肅聯合大學學報:自然科學版,2011(1):62-65，103.

[3] 柏林.電動汽車動力電池的電氣特性分析及模型研究[D].重慶:重慶大學,2013.

[4] 余熠.基于SOC估計算法的電動汽車充電器設計[D].合肥:安徽工程大學,2010.

[5] 范良松.鉛酸蓄電池快速充電系統的研究[D].長春:長春工業大學材料科學與工程學院,2013.

[6] 王源.電動汽車用動力鉛酸電池快速充電技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[7] 馬燕.磷酸鐵鋰電池模型參數與SOC聯合估算研究[D].武漢:武漢理工大學,2014.

[8] 王堅,秦大為,季寶華,等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業,2002(z1):160-164.

[9] 徐磊.動力鋰電池充電技術研究[D].太原:太原科技大學,2014.

Fast charge strategy based on the residual energy evaluation

WANG Yuan, CHENG Fangxiao*, WANG Xu

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The State of Charge (SOC) is determined based on the open-circuit voltage of LiFePO4batteries. Then the charge state is adjusted according SOC value. Both charge time and charge efficiency are improved.

charge strategy; LiFePO4; State of Charge (SOC).

2016-03-22

吉林省科技發展計劃項目(20120362)

王 源(1992-)，男，漢族，山東菏澤人，長春工業大學碩士研究生，主要從事測控技術與智能系統方向研究,E-mail:644638099@qq.com. *通訊作者：程方曉(1969-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業大學教授，博士，主要從事測控技術與智能系統方向研究,E-mail:chengfangxiao@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.08

TM 910.06

A

1674-1374(2016)06-0555-06