锂电池充放电特性及模型分析

锂电池充放电特性及模型分析1.1锂电池的介绍1.1.1工作原理锂是锂电池的核心，是自然界最轻的金属，想获得高比能量的铿，需让锂电池的电极材料嵌入大量的锂。锂电池的种类虽多，工作原理却均相似。如图2-1,锂电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱离出来，经电解质溶液和隔膜，嵌入负极材料的晶格中;放电时，则是相反过程。在充放电全过程中，钾离子往返于负极材料间，称为“摇椅式电池。锂电池充放电的化学反应公式:正极反应（2-1)负极反应:（2-2)电池充电的总反应:（2-3）锂电池放电则是逆反应。图2-11.1.2结构主要由正极、负极、电解质溶液、隔膜及外壳组成，主要材料组成如下:1)正极材料:活性物质是钻酸铿、锰酸铿、磷酸铁锂、镍钻锰酸锂、镍钻酸锂等及其混合物。导电集流体厚度是0.1-0.2mm的电解铝箔;2)负极材料:活性物质由人造石墨或近似于石墨结构的碳。导电集流体厚度是0.07-0.15mm的电解铜箔;3)隔膜材料:是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或由两者组成的复合膜，通锂离子阻电子;4)电解质溶液:电解质盐和碳酸酷溶液的混合液;5)外壳:钢壳、铝壳、镀镍铁壳、铝塑膜等。1.1.3充放电特性在不同倍率的充放电条件下，锂电池的充放电特性曲线也存在差距性。图2-2为苏州星恒电源有限公司生产的XH-lOAh型铿离子电池组，在不同倍率下的充放电特性曲线图。(a)倍率不同时的充电曲线(b)倍率不同时的放电曲线(c)不同温度下的放电曲线图2-21.2充电技术1.1.1理论依据美国科学家马斯(JosephA"Mas)，在第二届国际电动车辆会议上，提出了著名的马斯三定律，为电池快速充电提供了理论依据。如图2-3，充电时，任何超过充电接受曲线的电流，不仅不能提高充电效率，反而会增加析气量和极化现象;低于充电接受曲线的电流，才是电池允许的充电电流，不会对电池造成伤害。图2-3图2-4如图2-4，电池在充电过程中，适当的对其大电流放电或停充，可加快充电速度、提高充电效率、消除极化现象等。1.马斯第一定律:电池用任何给定电流放电，充电时电流接受率。和放电容量C的平方根成反比，有:（2-4）蓄电池开始充电时，接受的电流为:（2-5）联立式(2-4)和(2-5)得:（2-6）式中:K一放电电流常数由放电电流大小决定。1.马斯第二定律:电池对任何给定的放电量C，充电时电流接受率。和放电电流Id对数成正比，有:（2-7）将式(2-5)带入式(2-7)得:（2-8）式中:k一计算常数。3.马斯第三定律:电池用不同的放电率放电，其能接受的总电流h是各个电流总和，有:（2-9）综述，电池的总电流接受率为:（2-10）式中:I1,I2,I3,I4......一各放电率允许充电电流;Ct一各放电量总和。马斯三定律说明:一个蓄电池，当充入任一容量C时，它的充电接受率越高，充电速率越快。蓄电池大电流充电时，可适当的加入反向瞬时大电流放电，消除极化，使电池的充电接受能力恢复到原来状态，减少充电时间。1.1.2充电方式动力电池是电动汽车关键性技术之一，它直接影响着电动汽车的整车性能。电池是它的核心，而充电方法则是核心中的重点，选择正确的充电方法对于电动汽车来说是非常重要。下面介绍了凡种传统充电方法波形如图2-5如下。（a）恒流充电（b）恒压充电（c）压限流充电图2-51.恒流充电如图2-5（a），充电时，电池电压不断升高，电流不断下降，为了保持电流不变，要不断升高电源电压，这对充电装置的自动调节度就高。在电池允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电速度越快。但一直大电流充电，电池内部会因温升过高，造成极板上的活性物质大量脱落和弯曲，电池容量也会急速下降，造成电池提前报废，该法使用较少。1.恒压充电如图2-5(b)，充电时，电压一直不变，充电启动电流很大，随着充电的进行，电池端电压不断升高直至充电电压值，充电电流减小约为零，该法严重影响电池使用寿命，不可取。3.恒压限流充电在充电的整个过程中，分两个阶段。如图2-5(c)，在充电的第一阶段，用恒定的电流充电;当电池的端电压达到一定的电压后，保持此电压不变，转入第二阶段的充电，当充电电流下降到一定值后，继续维持恒压充电大约一小时即可停止充电，该法节能，充电彻底，是目前常用充电法。1.1.3锂电池的充电方式锂电池是个特殊的电池，所以对其充电方式的要求很高。主要有常规和脉冲快速充电。图2-6图2-71.常规充电如图2-6，以单体锂电池为例，电池接通后，先对其恒、小电流充电，是为了检查电池好坏与否。先用C/15速率对电池涓充，观察其电压是否上升到规定门限电压1.5V;若达不到说明电池报废(这个时间有点长);若能达到，直接用较大的恒流速率(1C)快速充电，直到电压达到恒压门限电压4.2V，此时，电池容量约为50%-80%，在充电全过程中，该阶段充电速度最快，大概半小时;然后恒压充电，随着电压不断升高，充电电流不断减小，当电流达到C/10或C/15速率，便可停充。该法不能消除电池极化，充电效果不理想。1.脉冲快速充电如图2-7，该充电法的前两区和常规充电法一样，此时，充电电流达到了最大接受电流，不能再持续大电流充电，否则电池会因温升过高和析气增多而损坏电池甚至导致爆炸。所以电压达到4.2V，改为脉冲充电，充电时间越来越短，停充时间越来越长，即脉冲周期越来越长，占空比越来越长。当占空比低于5%至10%时，终止充电。该充电方式是集常规充电和脉冲充电优点于一身，可消减极化和析气现象，提高充电速度，延长电池周期，使用更安全、更贴切用户使用标准。1.1.4极化现象电池在充电过程中，伴随着极化现象，极化会阻碍电池充电、析气率和温度升高。电池的极化可分为欧姆极化、电化学极化、浓差极化三种，各个极化响应速度不同。如图11，在充放电初期，主要是以电化学极化为主，其它两种为辅;中期三者公共参与;末期则主要是浓差极化。整个过程，欧姆极化变化最小，浓差极化变化最快，电化学极化介于两者间。图2-81.欧姆极化在电池充电过程中，其内部的正负离子分别向正负极板移动，同时受到了极板和电解质溶液电阻的妨碍，导致电池端电压和温度升高。充电电流越大，温升越高，析气越多，严重影响着电池的容量和使用寿命。1.电化学极化在电池充电过程中，电池的正负极的活性物质与电解质溶液间发生化学反应。电化学反应速度远不及电子运动速度，造成正负极板上积聚的电荷量差距越来越大，电化学极化也逐渐明显，阻碍电池充电。3.浓差极化在电池充电过程中，因电化学反应速度远快于离子运动速度，使得电池极板上离子浓差明显，造成了电解质溶液的极化现象。充电电流越高，电化学反应越激烈，浓差极化就越明显，妨碍电池充电。1.3电池模型全球对于电动汽车动力电池的研发、使用及管理都做了很多研究和工作，电池模型主要有电化学模型、热模型、藕合模型和电池等效模型四种类型，电池等效模型描述的是电池在工况下的外特性，是电动汽车整车仿真的重要部分。在充电时，电池其实是充电器上的一个负载，但它既不是阻性负载，也不是感性或容性负载，而是个时变、动态负载，充放电特性复杂，建立准确的电池等效模型成为整车仿真的主要难点之一。等效电池模型相较于其他模型，它具有简单、直观、便于建模等特点，在电动汽车整车仿真中，得到了广泛应用。下面介绍了几款电池等效模型如下所示。1.3.1内阻模型如图2-9为电池开路电压;电池极化和欧姆内阻等效成内阻R，直接通过充电时，端电压和电流比值获得，该模型既未考虑R其实是随着电池SOC、电流和温度等因素而变，也未涉及电池内部动态特性，即该模型只适用仿真电路，不适合电动汽车。图2-9内阻模型图2-10Thevenin模型1.3.2Thevenin模型如图2-10，是在内阻模型的基础上，把电池内阻分开分析。R1欧姆内阻;R2极化内阻;C极化电容，与R2组成回路，用以描述电池特性。该模型完全考虑到电池内部因素变化，结构简单，但只描述电池暂态特性，不能预测电池工作状态，对运行中电动汽车来不适用。1.3.3四阶模型如图2-11，由两个部分组成:一由R3(电解质溶液反应的内阻)、R2(欧姆内阻)和与之并联的C2电容、Rl(能量损失的电阻)和与之并联的Cl电容组成;二由充放电特性的RS和ES组成。该模型虽能很好的展示电池动静态特性，却为一阶系统，而电池是个复杂系统，所以要提高系统的阶数，得到更准确的电池特性，随之而来的便是设计的难度变大。首先阶数高了，后期计算较繁琐耗时;其次电池参数难确定，直接影响模型建立，为此，本模型实际应用较少。图2-11四阶动态模型图2-12PNGV模型1.3.4PNGV模型如图2-12，R1欧姆电阻;R2极化电阻;C2极化电容;C1为负载电流的时间积分变化关系。电池充放电时，电流随着时间增长，促使SOC变化，导致Cl上电压发生变化，Cl容量既代表电池容量，也代表直流响应，填补了Thevenin模型不足，为以后电动汽车仿真模型的研究提供了依据。1.3.5GNL模型如图2-13，R0欧姆电阻;C0储能电容;R1,C1分别为电化学极化电阻和电容;R2,C2分别为浓差极化电阻和电容;RS自放电/过充电电阻。该模型对电池的三种电阻分开来建模，并把电池的过放电/过充电的影响也考虑进去，物理意义更明确，更好的反映了电池电压的变化过程，提