中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電動(dòng)汽車的普及是鋰離子電池的主要需求來源之一。而電動(dòng)汽車的充電性能是影響普及進(jìn)程的一個(gè)重要的考量參數(shù)。在材料體系不變的情況下，取代傳統(tǒng)恒流恒壓充電策略的新型充電策略近10年內(nèi)也吸引了很多研究者的關(guān)注。另外，新一代電池管理系統(tǒng)也對(duì)充電策略提出了更高的要求。本文闡述了各種優(yōu)化的充電方法及其特點(diǎn)和應(yīng)用。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的恒流恒壓充電策略相比，優(yōu)化的充電方法可以減少充電時(shí)間，改善充電性能并有效延長電池壽命。最后，本文還提出了對(duì)未來優(yōu)化充電策略的展望，希望未來在線辨識(shí)和實(shí)時(shí)更新的模型參數(shù)的方法或者通過在線的方法辨識(shí)特征信號(hào)帶來更加強(qiáng)大的充電策略。
關(guān)鍵詞 快充；充電策略；電池管理系統(tǒng)；鋰離子電池；電動(dòng)汽車
以汽油和柴油為燃料的汽車會(huì)產(chǎn)生大量的碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物以及硫氧化合物排放，這將導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題和氣候問題。為避免上述問題惡化，最近，挪威、荷蘭、印度、以色列等國家政府已宣布停止生產(chǎn)汽油車的時(shí)間表，基本在2025年—2050年。在未來的10年內(nèi)，電動(dòng)汽車將逐步取代汽油車?？沙潆婋姵刈鳛殡妱?dòng)汽車的核心部件，需要具備高能量和功率密度、長循環(huán)壽命、環(huán)境友好以及較低的自放電等特征。與其他常用的可充電電池相比，如鎳鎘、鎳氫和鉛酸電池，鋰離子電池以其優(yōu)勢已經(jīng)成為電動(dòng)汽車最受歡迎的選擇。盡管鋰離子電池作為二次電池來說已經(jīng)非常優(yōu)秀，但是人們對(duì)電動(dòng)汽車的鋰離子電池的充電時(shí)間和能量密度兩方面提出了更高的要求(充得快，跑得遠(yuǎn))。電池在這兩方面的性能可以直接影響消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的認(rèn)可和接受程度，優(yōu)化充電策略對(duì)于具有智能電池管理系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的未來發(fā)展至關(guān)重要。
從縮短充電時(shí)間的需求來說，加速充電過程所需的大電流會(huì)帶來一系列的問題，例如電池溫度升高引起副反應(yīng)加劇，負(fù)極嵌鋰速度跟不上導(dǎo)致表面析鋰，快速嵌鋰導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化等，這些問題都會(huì)加速電池容量衰減。如果從上述的邏輯簡單分析，充電時(shí)間的縮短勢必會(huì)帶來電池壽命的衰減。但是事實(shí)上，精心設(shè)計(jì)的快速充電策略并不一定會(huì)帶來電池壽命的衰減，相反可以增加電池的壽命。這是因?yàn)椋旱谝唬瑥膯蝹€(gè)充電過程來看，引起溫度升高、析鋰等負(fù)面作用往往發(fā)生在充電后期。換句話說，充電的限制條件應(yīng)該是隨著荷電狀態(tài)(SOC)而變化的。第二，隨著電池不斷老化，電池的健康狀態(tài)不斷惡化。正負(fù)極活性物質(zhì)損失、鋰離子損失和SEI膜的增厚引起電池內(nèi)阻的增加，而電池內(nèi)阻的增加會(huì)加劇溫度升高以及析鋰現(xiàn)象的發(fā)生。因此，充電策略也應(yīng)該隨著電池老化程度進(jìn)行調(diào)整，從而延長電池壽命。很可惜的是，現(xiàn)有的鋰離子電池的簡單充電方法是通過恒流(CC)或恒壓(CV)充電，其充電效率低下并隨著電池老化一成不變，已經(jīng)無法滿足日益增長的現(xiàn)代電動(dòng)汽車行業(yè)的需求。
研究者們已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試，通過開發(fā)改進(jìn)的鋰離子電池充電方法加速充電過程，改善了充電性能或延長壽命。本文回顧了這些改進(jìn)方法，按照以下的方式進(jìn)行分類。
（1）第1類改進(jìn)的充電策略主要是改變充電電流波形或者電壓波形。這一類充電方法主要是通過單純改變電流和電壓的波形來加快充電效率，而在充電階段沒有給出任何的限制條件。按照不同的波形策略又可以細(xì)分為優(yōu)化恒流恒壓充電策略、臺(tái)階充電策略、脈沖充電策略以及交流電充電策略。其中恒流恒壓充電優(yōu)化策略可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，第1種是在恒流充電前段加入恒壓模式，此類方式也有人稱之為boost charging模式，在2005年的時(shí)候被Notten等提出；第2種是在充電的恒壓階段較大電流。臺(tái)階充電策略通過結(jié)合基因算法、蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法以及田口方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的充電策略。根據(jù)不同的臺(tái)階截止條件可以分為電壓上限截止模式和恒定SOC間隔模式。脈沖充電策略可以通過電流脈沖充電和電壓脈沖充電來劃分。其中電流的脈沖充電可以通過改變脈沖電流大小、頻率和占空比呈現(xiàn)不同的充電策略，而電壓的脈沖充電策略可以通過改變電壓的頻率和占空比來實(shí)現(xiàn)。最后要提到的交流電充電方法與脈沖充電策略類似，但是其頻率會(huì)更高。交流電充電方式是通過加載1個(gè)周期的正弦電流在原有的直流電流之上，但是這類方法目前還有一定的爭議。
（2）第2類優(yōu)化的充電策略是采用兩類電池模型優(yōu)化充電性能，這兩類電池模型分別為等效電路模型和電化學(xué)模型。等效電路模型主要還是利用一階RC模型，其參數(shù)主要是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取，研究者通常通過和熱模型結(jié)合，給定最高溫度的限制條件來限制最大的充電電流，從而縮短充電時(shí)間并提高充電效率。為了研究充電過程中的鋰離子電池的內(nèi)在特征，基于電化學(xué)模型的策略被提出。電化學(xué)模型主要分為P2D、SP2D、SPM等。利用電化學(xué)模型可以得到鋰電池一些內(nèi)部參數(shù)和電流的關(guān)系，例如充電量、內(nèi)部應(yīng)力、內(nèi)部溫度以及負(fù)極對(duì)鋰電位。從而通過給定任意單一內(nèi)部參量的限制條件來限制充電的最大電流。
（3）第3類優(yōu)化的策略是通過先加熱電池的方法改變電芯內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，從而消除了大倍率電流充電帶來的負(fù)面影響。這個(gè)方案是王朝陽等最近幾年剛剛提出，并成功應(yīng)用在三元和鐵鋰電芯上。
本文首先分充電波形控制方法、基于電池模型的控制方法和通過預(yù)加熱電池提高充電倍率的方法3種詳細(xì)介紹快充策略，之后討論和比較各充電策略，最后總結(jié)整個(gè)充電策略發(fā)展趨勢。
1 充電波形控制方法
優(yōu)化的快速充電策略在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)的CCCV充電模式，不同的研究者給出了不同的思路去實(shí)現(xiàn)充電策略的優(yōu)化?；诔潆姴ㄐ蔚目刂频某潆姺椒ㄖ傅氖切薷碾娏骰螂妷翰ㄐ纬潆娍蓽p少充電時(shí)間并改善充電性能。
1.1 優(yōu)化恒流恒壓充電
恒流恒壓(CC-CV)的充電方法源于簡單采用CC充電和CV充電的充電方法。這也是目前鋰電池(便攜式設(shè)備和電動(dòng)汽車)最常用的充電方法。所謂的CC-CV充電策略是在CC階段之前以恒定電流充電，當(dāng)時(shí)充電電池的電壓上升到截止電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換為CV充電。在CV階段，當(dāng)充電電流減少到截止電流，整個(gè)充電過程完成。通常情況下，CC充電的充電電流越小，CC充電的時(shí)間占整個(gè)CC-CV充電過程的比例越高。人們?cè)趥鹘y(tǒng)的CC-CV充電方法的基礎(chǔ)上開發(fā)，大致思路分為兩類：第1類是在CC階段給以大電流充電，第2類是在CV階段給以較大電流充電。
1.1.1 CV-CC-CV充電策略
如圖1所示，在CC階段增大充電電流的方式是在2005年的時(shí)候由Notten等提出，其實(shí)現(xiàn)方式是在充電的開始階段用CV充電，也就是整個(gè)充電過程變?yōu)镃V-CC-CV。Notten等發(fā)現(xiàn)用非常高的電流在很短的時(shí)間內(nèi)給完全耗盡的電池充電然后再切換到標(biāo)準(zhǔn)CC-CV的充電方法，可以縮短充電時(shí)間而且不會(huì)對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生任何負(fù)面的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在給完全耗盡的電池CV時(shí)間小于5 min時(shí)，電池的壽命衰減同CC-CV充電策略一樣。但是所需的充電時(shí)間卻大大縮短。據(jù)作者報(bào)道，在開始的5 min內(nèi)可以充電30%的額定容量。不過，這種充電策略顯然只適用于完全耗盡的電池，對(duì)于不同的剩余容量，例如10%或者20%，作者并沒有給出相應(yīng)的結(jié)論。而在現(xiàn)實(shí)情況下，人們很少會(huì)將電池耗盡到接近0%的時(shí)候再去充電，尤其在電動(dòng)汽車上，這樣的情況更為罕見。
圖1 CV-CC-CV充電策略
1.1.2 CV階段充電電流優(yōu)化策略
如圖2所示，在這種策略中，Chen等通過應(yīng)用灰色預(yù)測算法在傳統(tǒng)CC-CV充電的CV階段進(jìn)行預(yù)測下一個(gè)時(shí)刻的開路電壓。在CV充電階段，采用預(yù)先下一時(shí)刻預(yù)測電壓的方法，在這一時(shí)刻根據(jù)下一時(shí)刻的電壓信息提前加大電流并采用0.7 C的充電電流作為上限，保證開路電壓在安全閾值范圍內(nèi)。利用這個(gè)策略實(shí)現(xiàn)的充電方法在充電電流曲線上呈現(xiàn)為CV階段前半段充電電流大于傳統(tǒng)CC-CV的電流，而后半段電流充電電流小于傳統(tǒng)CC-CV的電流。這個(gè)充電策略稱為灰色模型預(yù)測充電策略，它保持優(yōu)化的充電軌跡加速充電過程及其實(shí)現(xiàn)可以解釋如下：
式中，ic,gp為灰色模型預(yù)測充電策略的充電電流；v0為這個(gè)時(shí)刻的開路電壓；圖片為預(yù)測的下一個(gè)時(shí)刻的開路電壓；rr為電池包的內(nèi)阻；β為權(quán)重因子。從具體的策略上，可以再次確認(rèn)了改進(jìn)主要階段是在CC-CV充電的CV階段。如果考慮特殊情況下β=0且不考慮0.7 C的電流上限限制，該充電方法就為傳統(tǒng)的CC-CV充電策略。在文章中作者選用β=0.4，灰色模型預(yù)測充電策略優(yōu)于傳統(tǒng)的CC-CV充電，其充電速度和效率分別提升23%和1.6%。
圖2 鋰離子電池的傳統(tǒng)的CC-CV和灰色預(yù)測算法優(yōu)化充電策略充電電流對(duì)比
綜上所述，CC-CV充電的充電速度可以通過增加CC階段的充電電流有效改善，同時(shí)也可以通過在CV階段提高截止電壓的上限來實(shí)現(xiàn)。
1.2 臺(tái)階充電策略
臺(tái)階充電策略是早期一些研究者們專門設(shè)計(jì)的快速充電策略，該充電方法被認(rèn)為是高質(zhì)量的充電模式，具有循環(huán)壽命長、充放電能量效率高、充電時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，是替代傳統(tǒng)CC-CV充電的一類方法。為了減少充電時(shí)間，充電時(shí)一定需要比傳統(tǒng)CC段更大的電流，然而僅僅只在CC階段采用大電流會(huì)導(dǎo)致端電壓快速達(dá)到截止電壓上限，而在短時(shí)間內(nèi)未能獲得預(yù)期充電容量。此時(shí)充電過程切換到CV階段，在CV階段則需要更多的充電時(shí)間。所以從整個(gè)充電階段來看，充電時(shí)間未必會(huì)減少。這個(gè)問題可以通過臺(tái)階充電策略(多級(jí)CC充電)來解決。具體實(shí)施方案是先以第一個(gè)預(yù)設(shè)電流給電池充電，到電池達(dá)到截止條件的限制時(shí)，充電過程轉(zhuǎn)移到下一個(gè)預(yù)設(shè)電流并重復(fù)之前的充電過程直到使用完所有預(yù)設(shè)的充電電流。
該策略的核心是預(yù)設(shè)電流的列表，它被視為組合優(yōu)化問題。因?yàn)榭梢允褂玫碾娏鹘M合可能是無窮盡的，所以需要得到最優(yōu)的預(yù)設(shè)電流的列表很難。人們借助一些全局優(yōu)化技術(shù)(例如基因算法、蟻群系統(tǒng)算法和粒子群優(yōu)化算法)或者田口方法并運(yùn)用正交陣列設(shè)計(jì)充電電流，使之只有少數(shù)的充電電流需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)便可以搜索最佳預(yù)設(shè)電流列表。
1.2.1 電壓上限模式
臺(tái)階充電的電壓上限模式是以給定的截止電壓(通常設(shè)置成傳統(tǒng)CC-CV充電的截止電壓)作為每個(gè)電流充電階段的截止條件，如圖3所示。在2005年，Liu等利用了蟻群算法得到5個(gè)階段的充電電流策略(2.1 C、1.7 C、1.5 C、1.3 C和1.0 C)。相比于傳統(tǒng)的CC-CV充電策略，這種充電策略可以在30 min內(nèi)充滿電池電量的70%，并延長電池的循環(huán)壽命25%?？赡苁且?yàn)樵摬呗圆]有辦法真正充滿電池的全部電量，所以作者在文章中并沒有給出充滿電池電量節(jié)省時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后，在2009年，Luo等[16]基于田口方法采用連續(xù)正交算法給出了一種優(yōu)化的5個(gè)階段的充電電流策略(1.5 C、1.25 C、0.9 C、0.65 C和0.45 C)，該策略可以在40 min內(nèi)充滿75%的電量，并且延長電池的循環(huán)壽命60%。該工作也有同樣的問題，即改進(jìn)的五階段充電電流策略沒有辦法將電池電量充滿，作者也沒有給出充滿電池電量節(jié)省的充電時(shí)間，并且由于文中所用電池循環(huán)壽命從115圈提升到185圈，盡管從百分比來看比較樂觀，但是這個(gè)結(jié)果也值得商榷。在2011年，Liu等又采用連續(xù)正交算法，給出了5個(gè)階段充電電流(1.45 C、1.05 C、1.0 C、0.7 C和0.1 C)，該策略能夠?yàn)殇囯x子電池充電至95%以上。與傳統(tǒng)CC-CV充電相比，充電時(shí)間降低11.2%，充電效率提高了1.02%，循環(huán)壽命延長了57%。盡管充電電量與之前相比有了提升，可是充電時(shí)間減少得并不明顯。并且對(duì)于充電壽命的百分比依然存在本身的電池循環(huán)壽命圈數(shù)較小的情況，僅僅為105圈。2014年，Wang等利用粒子群優(yōu)化算法快速收斂的特點(diǎn)優(yōu)化充電策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了此策略相比于傳統(tǒng)的CC-CV充電，可以明顯縮短充電時(shí)間約56.8%，電池壽命延長21%。
圖3 以電壓上限為截止模式的五步臺(tái)階充電策略
1.2.2 恒定SOC間隔模式
臺(tái)階充電的恒定SOC間隔模式是以給定等間距的SOC作為充電階段變換的條件，用來作為每個(gè)階段的電流截止條件，如圖4所示。在2015年，Vo等提出了一種四階段(以SOC 25%作為間隔)CC充電方法，其每個(gè)階段的電流大小策略(1.8 C、1.3 C、0.9 C和0.5 C)使用正交陣列技術(shù)來確定。充電到SOC=100%時(shí)，充電結(jié)束并意味著電池此時(shí)已充滿電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該充電策略比傳統(tǒng)的CC-CV充電方法更加有效，即充電時(shí)間相比傳統(tǒng)的CC-CV充電(80 min)減少了15 min，并且溫度變化幾乎是傳統(tǒng)CC-CV充電的一半。但是此方法對(duì)SOC估計(jì)提出了更高的要求，因?yàn)榫_的SOC估計(jì)對(duì)該策略的充電階段電流的切換至關(guān)重要。
圖4 以等間距SOC為截止條件的臺(tái)階充電策略
總而言之，臺(tái)階充電策略可以以電壓上限或者給定的SOC作為截止條件。一般情況下，整個(gè)充電過程將會(huì)劃分為4～5個(gè)階段。研究者們借助于一些全局優(yōu)化算法給出的充電電流策略縮短了充電時(shí)間，并且給出了延長電池壽命的方法。
1.3 脈沖充電策略
脈沖充電策略可以視為不連續(xù)的電流脈沖充電或者電壓脈沖充電。它最早是用于鉛酸電池的快速充電，隨后被應(yīng)用于鋰離子電池充電。其主要目的是減少濃差極化，降低局部負(fù)極電位變?yōu)樨?fù)電位的風(fēng)險(xiǎn)以及減小由于鋰的不均勻插入所引起的局部應(yīng)力變化。
1.3.1 電流脈沖充電
Li等在2001年采用了脈沖電流充電策略，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出，電流脈沖有助于消除濃度極化和增加功率傳輸率。這樣便縮短充電時(shí)間而且還兼具放電容量大和循環(huán)壽命更長的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)研究了單個(gè)電極上的XRD和SEM，表明脈沖充電策略可以更好地保持結(jié)構(gòu)正極活性材料鈷酸鋰的穩(wěn)定性并且有效抑制了負(fù)極鈍化膜的厚度。但是作者并沒有對(duì)不同脈沖的情況進(jìn)行系統(tǒng)分析。
隨后，Purushothaman等在2006年對(duì)脈沖電流快充鋰離子電池給了詳細(xì)的理論分析。作者對(duì)不同的電流脈沖充電策略分為3類：①電流脈沖具有恒定電流幅度和恒定脈沖寬度；②電流脈沖具有恒定電流幅度和變化的脈沖寬度；③電流脈沖具有不同的電流幅度，如圖5所示。對(duì)于第1類電流脈沖具有恒定電流幅度和恒定脈沖寬度又可以繼續(xù)細(xì)分為恒定幅度有恒定休息時(shí)間的電流脈沖，具有周期性電流反轉(zhuǎn)的振幅充電電流脈沖，和由兩個(gè)不同充電步驟組成的電流脈沖。作者對(duì)上述的3種恒定電流幅度和恒定脈沖寬度的充電策略進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果反駁了具有恒定電流幅度和恒定脈沖寬度的充電策略在鋰電池充電速率方面具有優(yōu)勢的這一觀點(diǎn)。而當(dāng)電流脈沖變化其脈沖寬度的時(shí)候，情況變得不同。文章選擇每次充電的寬度選擇脈沖達(dá)到石墨飽和鋰所需的時(shí)間，隨后靜止脈沖的寬度為石墨界面上鋰濃度放松到指定較低預(yù)設(shè)濃度所需的時(shí)間。通過該充電策略只需要約0.84 h完成充電，而傳統(tǒng)的CCCV充電大約需要3 h。緊接著，作者保持電流脈沖的頻率和占空比保持不變，僅僅隨著時(shí)間改變電流的大小。整個(gè)充電過程在0.85 h內(nèi)完成，同樣實(shí)現(xiàn)了快充效果。但是此項(xiàng)研究沒有實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)支持，僅僅停留在理論模擬階段。Aryanfar等在2014年使用脈沖充電實(shí)驗(yàn)和蒙特卡羅計(jì)算模擬鋰枝晶生長，文章表明脈沖充電可以有效地抑制鋰枝晶的生長。
圖5 不同種類的電流脈沖充電策略
1.3.2 電壓脈沖充電
Chen等最早在2007年提出兩個(gè)電壓脈沖充電方法：一種是基于變頻電壓脈沖策略，另一種是基于占空比變化的電壓脈沖充電策略。
基于變頻電壓脈沖策略的實(shí)現(xiàn)方法是基于電池由交流阻抗組成的模型的假設(shè)，作者認(rèn)為可以找到最小化電池交流阻抗的頻率從而減少電池的能量損失。實(shí)現(xiàn)策略是首先用各種頻率的電壓對(duì)電池充電。然后，收集每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的充電電流并計(jì)算電流的平均值。最大平均電流對(duì)應(yīng)的充電電壓的頻率被認(rèn)為是最佳頻率。充電一段時(shí)間后，充電策略讓系統(tǒng)再次返回檢測狀態(tài)判斷鋰離子電池是否滿電，如果沒有滿電，那么系統(tǒng)再次回到上述過程并更新充電電壓頻率直到充電過程結(jié)束。文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是針對(duì)600 mAh的鋰離子電池充電。與傳統(tǒng)的CC-CV充電策略相比，變頻脈沖充電策略可將充電速度提升24%以上。隨后，他們又提出了占空比變化的電壓脈沖充電策略可以為鋰離子電池提供具有最優(yōu)占空比的電壓脈沖，以提高充電速度和充電效率，而非之前利用試錯(cuò)和經(jīng)驗(yàn)來確定占空比參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，提出的占空比變化的電壓脈沖充電速度和充電效率相比傳統(tǒng)的CC-CV充電策略提高了約14%和3.4%。他們將整個(gè)過程分解成充電檢測模式、感應(yīng)模式和充電模式，如圖6所示。整個(gè)工作步驟如下：第1步，控制器檢測到電池的充電狀態(tài)以及是否完全充電；第2步，如果電池沒有完全充滿電，感應(yīng)模式將搜索并尋找出合適的占空比；第三步，在確定占空比后，脈沖選用此占空比的電壓脈沖對(duì)電池充電；第3步，充電一段時(shí)間后，電池再次返回第1步檢測模式來檢測鋰離子電池的狀態(tài)，并重復(fù)上述步驟直到電池在檢測過程中的發(fā)現(xiàn)端電壓等于4.2 V，整個(gè)充電過程結(jié)束。這里值得一提的是，這兩種電壓脈沖充電策略是目前提到的第一個(gè)實(shí)時(shí)更新的充電策略。
圖6 變頻電壓脈沖策略的3個(gè)模式：充電檢測模式，感應(yīng)模式和充電模式
但是對(duì)于脈沖充電策略，研究者也有不同的看法。有些觀點(diǎn)認(rèn)為在脈沖的高電流幅度下，將在電池負(fù)極形成很厚的鈍化膜，該鈍化膜的厚度會(huì)導(dǎo)致阻抗增加。除此之外，在充電的最后階段脈沖的高電流會(huì)使電池中的鋰離子沉積在極柱附近，給電池帶來不可逆的傷害。也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)脈沖充電策略與傳統(tǒng)的CC-CV充電策略相比，如果在充電過程中使用相同的平均電流值，脈沖充電策略會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，因此采用脈沖充電策略時(shí)會(huì)比傳統(tǒng)的CC-CV充電策略時(shí)電池的溫度要高。并且這種現(xiàn)象會(huì)隨著電流幅度的增加變得更加明顯，而高溫引起的化學(xué)副反應(yīng)會(huì)加速電池的老化。
1.4 交流電充電策略
交流充電方法看似類似于脈沖電流充電策略，但是區(qū)別在于其周期的時(shí)間尺度并不在一個(gè)量級(jí)上。Chen等在2012年時(shí)提出了交流電充電方式，它是通過加載一個(gè)周期的正弦電流在原有的直流電流之上的方法，如圖7所示。這種方法根據(jù)交流阻抗譜確定最小交流阻抗的頻率，隨后用確定的優(yōu)化頻率加載到原有的直流電流進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)論證了交流電充電策略在充電速度、充電時(shí)間、充電效率和最高溫升方面相比傳統(tǒng)的CC-CV充電提高了17%、2%、45.8%和16.1%。同年，交流電充電策略被提出了質(zhì)疑。Cho等介紹了在交流電充電中考慮直流分量時(shí)的電池阻抗分析，通過使用二階RC電池模型和過電位電壓波形來分析實(shí)際電池阻抗。結(jié)果表明，在最小交流阻抗頻率下，實(shí)際電池阻抗并不是最小的。因此，交流電充電的充電時(shí)間、充電量和充電效率與傳統(tǒng)CC-CV充電策略的充電時(shí)間、充電量和充電效率沒有顯著差異。同時(shí)由于交流效應(yīng)，交流電充電使電流和最大溫升分別惡化22.5%和18%。兩年后，在2017年Bessman等證明在方形鋰離子電池中并沒有發(fā)現(xiàn)交流電充電策略有任何幫助。
圖7 交流電充電策略和恒流充電策略對(duì)比示意
2 基于電池模型的控制方法
基于模型的充電策略是通過計(jì)算最佳充電電流時(shí)使用等效電路模型或電化學(xué)模型。第1步通常先確定等效電路模型和電化學(xué)模型中的參數(shù)，第2步通過給定的模型計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)(目標(biāo)函數(shù)是一些需要限制的變量和電流的關(guān)系，這些限制的變量可以是溫度、材料內(nèi)部應(yīng)力、負(fù)極對(duì)鋰電位等)，最后可以通過限制條件給出充電電流的大小。
2.1 等效電路模型
等效電路模型(圖8)經(jīng)常會(huì)和其他模型結(jié)合在一起，通過給出優(yōu)化參數(shù)的限制得到最后充電電流的方案。
圖8 等效電路一階RC模型
2011年，Inoa等通過結(jié)合等效電路模型和能耗模型，建立了選擇能量損失作為優(yōu)化目標(biāo)，并通過優(yōu)化工具給出了最優(yōu)化充電策略。但是結(jié)果表明，傳統(tǒng)的CC-CV充電策略幾乎是用于最小化功率損耗的最佳充電方法，優(yōu)化的充電策略僅提高了0.42%。當(dāng)使用大電流充電時(shí)，電池的溫度會(huì)隨之升高，此時(shí)電池的溫升也考慮為其中一個(gè)狀態(tài)參量。研究結(jié)果表明電池初始溫度較高時(shí)，電池的能量和功率密度增加，從另一個(gè)角度看便是節(jié)省了燃料。研究結(jié)果表明，新的充電策略只要是最優(yōu)的就可以減少副反應(yīng)的發(fā)生。值得注意的是，該策略方法仍然為離線策略，作者建議將初始的SOCs預(yù)存在微處理器的存儲(chǔ)器中。
Perez等在2017年結(jié)合等效電路模型、溫度模型和老化模型對(duì)充電電流進(jìn)行優(yōu)化，采用具有自適應(yīng)多網(wǎng)格的勒讓德-高斯-拉多偽譜方法解決無限維非線性最優(yōu)控制問題。他們通過算法找到最快的充電時(shí)間、最慢的壽命衰減以及平衡充電時(shí)間和壽命衰減的最優(yōu)化參數(shù)，并給出如下結(jié)論：①采用最短充電時(shí)間策略充電，充電時(shí)間為5.20 min，壽命衰減率為0.018%；②采用最慢的壽命衰減率策略充電，充電時(shí)間為15.27 min，壽命衰減率為0.0027%；③采用平衡的充電時(shí)間和壽命衰減，充電時(shí)間為5.42 min，壽命衰減率為0.0045%。最后給出了平衡充電時(shí)間和壽命衰減的充電策略和傳統(tǒng)CC-CV充電策略(5 C)的電池充電時(shí)間和剩余壽命的比較，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的充電策略在循環(huán)充放電360圈左右時(shí)容量衰減至80%，而傳統(tǒng)的5 C CC-CV充電策略此時(shí)的容量衰減至95%；相比充電時(shí)間，優(yōu)化的充電策略在循環(huán)過程中一直保持5.5 min左右，而傳統(tǒng)的充電策略充電時(shí)間從6 min增加至6.5 min。盡管作者提出了結(jié)合老化的模型，但是實(shí)際情況下電池的老化情況非常復(fù)雜。因此可以認(rèn)為，在線更新的充電策略可能會(huì)更契合老化的需求。
Ye等在2018年提出利用優(yōu)化問題的約束在整個(gè)充電過程中包括目標(biāo)SOC，利用溫升速率的上限確定充電過程中可接受的最大電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在25 ℃下，基于等效電路/溫度模型的充電策略的充電時(shí)間和溫升相比傳統(tǒng)的CC-CV充電策略，可分別減少8.56%和67.3%，證明了基于該模型的方法可以優(yōu)化和改善充電性能。第1步，先計(jì)算電池當(dāng)前的SOC。第2步，通過等效電路模型，通過當(dāng)前已知的SOC計(jì)算出開路電壓，隨后內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容和極化電壓都可以獲得。第3步，每個(gè)時(shí)刻的電流可以通過溫升速率、極化電壓、極化內(nèi)阻和歐姆電阻獲得：
式中，β為平衡充電時(shí)間和溫升的權(quán)重值；N為充電時(shí)間；Tc為溫升；a和b為歸一化參數(shù)。為了確保電池的安全，作者還給出一系列邊界條件，這里就不詳盡列出。
總之，結(jié)合等效電路模型給出的充電策略是一種更加貼合電池自身的方法，研究者們?cè)诮Y(jié)合溫度、能量損耗以及老化模型等一系列的模型基礎(chǔ)上通過優(yōu)化控制算法和邊界條件給出了最優(yōu)的充電策略。
2.2 電化學(xué)模型
基于電化學(xué)模型(圖9)的充電策略更關(guān)心電池內(nèi)部微觀的化學(xué)反應(yīng)，電化學(xué)模型可以推導(dǎo)出電池內(nèi)部一系列微觀變量的表達(dá)式，如材料內(nèi)部的應(yīng)力、負(fù)極對(duì)鋰電位、副反應(yīng)電位等。通過對(duì)這些變量加以限制從而有效地抑制電池衰減成為該充電策略的關(guān)鍵。
圖9 電池內(nèi)部的電化學(xué)模型
最早的電化學(xué)模型是Doyle等在1993年提出的P2D模型。但是提出的P2D模型在計(jì)算偏微分方程時(shí)用全階展開的模型會(huì)使得計(jì)算量過大，之后有很多人提出簡化的電化學(xué)模型，包含單粒子模型、改進(jìn)的單粒子模型、縮減階數(shù)的模型等。Suthar等通過電化學(xué)模型研究了鋰離子插入時(shí)誘導(dǎo)的應(yīng)力，因?yàn)檫@也是引起容量損失的主要機(jī)制之一。他們通過給定應(yīng)力閾值來控制容量衰減的同時(shí)最大化單位時(shí)間內(nèi)的充電容量。Methekar等采用控制矢量參數(shù)化(CVP)優(yōu)化充電過程，監(jiān)測電池內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的濃度變化，從而提高充電容量。但是前面提到的更側(cè)重于利用電化學(xué)模型優(yōu)化電池充電，并不是真正意義上的快充。
有關(guān)快充和電化學(xué)模型結(jié)合的研究是在2010年由Klein等通過對(duì)溫升和副反應(yīng)的限制并優(yōu)化充電時(shí)間提出的，模擬結(jié)果表明充電時(shí)間相比傳統(tǒng)的CCCV充電策略減少50%。但是研究僅僅局限于模擬，并沒有通過實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。在2017年，Chu等提出了基于電化學(xué)模型的快速充電算法，由兩個(gè)閉環(huán)回路組成。第1個(gè)回路包括一個(gè)可以通過電化學(xué)模型得到負(fù)極過電位的觀測器，從而實(shí)現(xiàn)在線檢測鋰沉積狀態(tài)；第2個(gè)回路是一個(gè)反饋回路，包括可以基于觀察到的鋰沉積狀態(tài)改變電流。充電算法以負(fù)極過電位維持在安全的預(yù)設(shè)閾值電位為限制條件，最大限度地增強(qiáng)了充電電流。因此，快速充電算法可以減少充電時(shí)間，同時(shí)保護(hù)電池的健康。該快速充電算法在商業(yè)大型鎳鈷錳/石墨電池上得到驗(yàn)證。結(jié)果表明，96.8%的電池容量可在52 min內(nèi)完成。在2019年，Song等通過簡化具有擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電化學(xué)模型設(shè)計(jì)了快速充電策略。通過限制副反應(yīng)速率和負(fù)極電位抑制兩種反應(yīng)。另外，作者提出的快速充電包括負(fù)脈沖充電電流。負(fù)脈沖的充電電流抑制了鋰沉積，在一定程度上有效阻止鋰枝晶的增長，這可以防止內(nèi)部短路，增加了運(yùn)行中電池系統(tǒng)的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)合負(fù)脈沖的充電策略的充電時(shí)間相比傳統(tǒng)的2 C CC-CV充電策略，從0～40% SOC縮減50%，從0～60%縮減43%；相比傳統(tǒng)的3 C CC-CV的充電策略，從0～40% SOC縮減31%，從0～60%縮減18%。另一方面，該充電策略的容量損失與2 C CC/CV充電策略的容量損失相當(dāng)，比60個(gè)循環(huán)后3 C CC/CV充電的容量損失大約降低23%。
3 基于預(yù)加熱提高充電倍率的方法
Wang等在2019年首次大膽提出一種非對(duì)稱溫度調(diào)制的加熱方法將鋰離子電池快速預(yù)熱至60 ℃并充電，電池暴露于60 ℃的時(shí)間限制在每周期10 min。升高的溫度增強(qiáng)了動(dòng)力學(xué)和傳輸性能，因此消除了析鋰現(xiàn)象；另一方面，電芯在60 ℃的有限時(shí)間(僅10 min)避免了材料的嚴(yán)重降解。并在實(shí)驗(yàn)室證明高能量(209 Wh/kg)的三元電池在10 min極端快速充電2500次循環(huán)后仍保持91.7%的容量。緊接著，在2021年針對(duì)比亞迪刀片電池也提出該方案，仍然適用，并且實(shí)用性更優(yōu)于三元電芯。Wang等提出電芯在60 ℃時(shí)，NMC622電池的無析鋰最大充電倍率升至4 C，而LFP電池的無析鋰最大充電倍率升至大于6 C。因此，如采用60 ℃下的LFP電池即使在充電時(shí)也沒有鋰鍍層。作者提出的加熱方案可以利用嵌入鎳箔作為內(nèi)部加熱器的自加熱鋰離子電池結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)了每秒大于1 ℃的加熱速度，這意味著即使在-30 ℃的極冷環(huán)境中，電池也只需90 s即可在用戶駕駛前預(yù)熱至60 ℃。并且由于引入鎳箔而增加的重量和成本可以忽略不計(jì)，估計(jì)比能量下降1.3%，成本增加0.47%。
借助于優(yōu)秀的自加熱方案，LFP電池能夠在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)與天氣無關(guān)的快速充電。如果電池不采用預(yù)先加熱的方案，由于鋰離子電池隨著溫度的降低，無析鋰最大充電倍率會(huì)顯著下降，導(dǎo)致常規(guī)LFP電池的充電時(shí)間(0～80% SOC)從20 ℃時(shí)的30 min增加至0 ℃時(shí)的80 min。通過將電池溫度提高到60 ℃，相同的LFP電池可以在整個(gè)過程中承受最苛刻的3.65 V CV充電協(xié)議，并且不會(huì)產(chǎn)生析鋰，充電時(shí)間縮短至9.4 min。如果在6 C倍率下使用標(biāo)準(zhǔn)的CC-CV充電協(xié)議，仍然只需要10.1 min。更重要的是，采用Wang等最近的工作中提出的自加熱充電方法，可以在所有環(huán)境溫度下進(jìn)行這種快速充電。即使電池初始溫度為-30 ℃，從0% SOC充電至80% SOC的總時(shí)間也僅為10.9 min(從-30 ℃加熱至60 ℃的時(shí)間為1.5 min，充電時(shí)間為9.4 min)。因此刀片電池可以提供全氣候中等巡航范圍和10 min快速充電，可以使電動(dòng)汽車最終擺脫里程焦慮。作者同時(shí)考慮到40 kWh刀片電池的6 C充電需要240 kW充電器，這些充電器可通過Telsa V3超級(jí)充電器網(wǎng)絡(luò)或Electrify America最近安裝的350 kW快速充電站隨時(shí)獲得。
4 討論
上述的篇幅盡可能總結(jié)出了現(xiàn)有已發(fā)表的各種充電方法，可以發(fā)現(xiàn)在針對(duì)縮短充電時(shí)間的大目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)的方法各式各樣。針對(duì)各種充電策略在其充電時(shí)間、充電效率、充電溫升以及壽命老化方面的對(duì)比見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，基于充電波形的控制方法更具有普適性，但是制定的充電策略并沒有完全考慮到電池充電過程中的動(dòng)態(tài)變化過程。所以在這些策略中，盡管充電時(shí)間縮短了，但是有一些犧牲了充電的總能量，有一些犧牲了電池的壽命。而基于模型的充電策略更進(jìn)一步考慮到電池充電過程中的一些細(xì)節(jié)參量，等效電路模型和電化學(xué)模型引入的本質(zhì)就是將充電過程細(xì)化，在整個(gè)充電過程中對(duì)一些參量進(jìn)行了限制，從而得到優(yōu)化的高效的充電策略。其中電化學(xué)模型更接近電池內(nèi)部的化學(xué)過程，所以可以得到一些等效電路模型無法得到的參量信息，可是代價(jià)就是需要更多的計(jì)算量和存儲(chǔ)量，對(duì)電池管理系統(tǒng)的硬件提出更高的要求，而這些要求又是和低成本和小型化是背道而馳的。
表1 不同充電策略對(duì)比
加速的CC-CV的充電策略可以通過在CC階段之前增加一段CV實(shí)現(xiàn)大電流充電，但是CV階段的時(shí)間需要合理的控制來保證電池的循環(huán)壽命不受影響，也可以在CV階段通過采用預(yù)先下一時(shí)刻預(yù)測電壓的方法，在這一時(shí)刻根據(jù)下一時(shí)刻的電壓信息提前加大電流提高端電壓閾值，以保證開路電壓在安全范圍之內(nèi)，而這個(gè)方法的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)端電壓閾值的大小。臺(tái)階充電策略可以根據(jù)截?cái)嗄Ｊ椒譃殡妷航財(cái)嗪偷乳g距SOC截?cái)?。盡管在充電策略制定過程中采用了全局優(yōu)化技術(shù)，但是使用優(yōu)化的初始表更多由經(jīng)驗(yàn)決定。增大的電流策略看似在一定程度上縮短了充電時(shí)間，但是犧牲了充電的總能量或者電池的壽命。脈沖充電策略可以簡單分為電流脈沖充電和電壓脈沖充電。電流脈沖充電尤其是負(fù)脈沖被認(rèn)為對(duì)鋰枝晶的產(chǎn)生有抑制的作用。電壓脈沖充電和交流電充電策略都是由Chen等一并提出，他們是基于最小化電池交流阻抗可以有效減少電池的能量損失的理論。但是這一理論也受到很多質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。Cho等論證表明在最小交流阻抗頻率下，實(shí)際電池阻抗并不是最小的。并且也有人重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，指出交流電充電策略沒有任何幫助。交流電充電策略爭議的謎團(tuán)也會(huì)隨著之后的研究慢慢被揭開。
基于模型的充電策略是對(duì)電池充電過程的進(jìn)一步細(xì)化和拆解，是一種優(yōu)于基于波形充電策略的方法，也是未來主流的趨勢。基于等效電路模型和電化學(xué)模型可以分為離線和在線兩種模式?；陔x線模式的通常做法是在模型的基礎(chǔ)上給出目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式和約束條件，然后通過優(yōu)化算法給出充電電流的策略，而基于在線的模式往往出現(xiàn)在電化學(xué)模型中，首先通過電化學(xué)模型計(jì)算出一些影響電池壽命衰減的參量，通過對(duì)這些參量加以限制，在充電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控這些參量的變換，一旦參量達(dá)到閾值便逐步減小電流保證電池在快充的過程中不影響其壽命衰減，而這些參量包含副反應(yīng)電位，負(fù)極對(duì)鋰電位以及材料內(nèi)部應(yīng)力等。但是對(duì)于基于模型的充電策略很少考慮到電池老化的問題，如果可以將電池老化所帶來的模型參數(shù)的變化也引入模型中，這樣的快充策略會(huì)更加完美。
基于預(yù)加熱提高充電倍率的方法是另辟蹊徑的一種新方法，利用短時(shí)間保持電芯處于60 ℃的電芯溫度的策略，提高電芯內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)和傳輸性能，解決了低溫快充析鋰的短板；另一方面，短時(shí)間的持續(xù)高溫被證明并不會(huì)帶來電芯的快速老化。從而證明了此方案的可行性。但是作者提出的高倍率充電只能充電至80% SOC，會(huì)損失掉20%的續(xù)航里程；另外針對(duì)漢EV的純電動(dòng)車是80 kWh，所對(duì)應(yīng)6 C的充電樁需要480 kW，目前市面上還不具備這樣的充電樁。但是相信不久的未來，該方案一定有其用武之地。
5 總結(jié)與展望
本文系統(tǒng)回顧和比較了近20年來鋰離子電池的快充技術(shù)。盡管電池快充的質(zhì)變?cè)谟陔姵卣?fù)極材料以及整個(gè)體系的革新，但是基于當(dāng)前的材料體系研究者們也提出了在現(xiàn)有平臺(tái)上的各種優(yōu)化充電策略以實(shí)現(xiàn)節(jié)省充電時(shí)間、改善充電性能、優(yōu)化充電效率和延長電池壽命的愿望。其中有關(guān)不同種類的充電方案有不同的分類方法，大體可以分為兩類：①基于波形控制的充電策略；②基于模型控制的充電策略。從研究的時(shí)間尺度上來看，人們也逐漸從單純的波形控制轉(zhuǎn)變到基于模型精確控制的策略上來。針對(duì)波形控制策略上，波形的復(fù)雜度也逐漸變大，從最初的改進(jìn)傳統(tǒng)的CC-CV充電策略、臺(tái)階充電策略，到現(xiàn)在的脈沖充電策略、交流電充電控制策略。對(duì)于基于模型控制的充電策略模型也越來越復(fù)雜，目標(biāo)函數(shù)的變量參數(shù)越來越多。基于等效電路模型也逐步被基于電化學(xué)模型的控制策略取代，盡管現(xiàn)在的電化學(xué)模型需要更強(qiáng)的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力，但是計(jì)算模型的簡化導(dǎo)致運(yùn)算和存儲(chǔ)的需求不斷下降和新一代高性能芯片產(chǎn)品的成本逐步下降的雙重努力會(huì)促成最后一個(gè)平衡點(diǎn)，使得充電策略不斷完善優(yōu)化，最終在實(shí)現(xiàn)快速充電的同時(shí)不犧牲電池的壽命。目前的這些優(yōu)化算法為進(jìn)一步研究提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在結(jié)合模型的充電策略中，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和限制條件通常采用優(yōu)化算法來求解，傳統(tǒng)的算法包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃，龐蒂亞克最小原理、遺傳算法、勒讓德-高斯-拉多(LGR)偽譜方法和最小-最大策略等。在預(yù)先加熱至60 ℃再提高充電倍率方法中，也是另辟蹊徑，給人眼前一亮的驚喜感。
但同時(shí)，每個(gè)方法仍都有其局限性。在現(xiàn)有的充電策略中很少提及在線更新策略。但現(xiàn)實(shí)情況是伴隨著循環(huán)過程中電池不斷老化，電池的充電策略也應(yīng)該隨之更新以適用于老化后的電池，而不宜使用原先制定好的充電策略。
因此在未來的發(fā)展方向中，引入在線辨識(shí)實(shí)時(shí)更新模型參數(shù)的方法亟待解決。除此之外，還可以通過特征信號(hào)辨識(shí)切斷快充的策略。這些特征信號(hào)包含析鋰、副反應(yīng)、產(chǎn)氣、內(nèi)應(yīng)力過大等，辨識(shí)的方法可以是對(duì)電流或電壓信號(hào)的處理?？傊?，如今鋰電池行業(yè)的迅猛發(fā)展以及市場對(duì)其的要求日益提高，傳統(tǒng)的CC-CV充電策略已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的需求，快充策略發(fā)展的終極目標(biāo)是將鋰離子電池的能力發(fā)揮到極限，在盡可能縮短充電時(shí)間的前提下延長電池的壽命，為其一生定制一套詳盡而完美的充電方案。
