河北工业大学赵英杰、张闯 等：基于电极等效电路模型的锂离子电池无析锂快充策略优化研究

阅读提示：本文约 2100 字

析锂是制约石墨阳极型锂离子电池快充安全与效率的关键问题。针对锂离子电池开展无析锂快充策略优化研究是保障车载电池充电安全、缓解新能源汽车里程焦虑的重要手段。鉴于此，本文提出了一种由阳极电势观测器和充电电流控制器组成的双闭环快充策略调控方案，从而实现了阳极电势的在线监测与快充电流的在线控制。实验结果表明，本文所建立的阳极电势闭环观测器具有较高的观测精度，充电电流闭环控制器同样具备优异的性能表现。

研究背景

当前，安全快速充电问题是制约新能源汽车及锂离子动力电池产业发展和应用的一大瓶颈。尽管基于经验的充电策略在电动汽车电池管理系统中相对容易实现，但这些充电策略并没有考虑电池的内部状态，容易形成阳极析锂，继而引发内短路、造成热失控等安全事故。因此，如何优化锂离子电池的快速充电策略，在保证充电速率的前提下避免电池析锂具有重要研究价值。

论文所解决的问题及意义

针对上述问题，本文提出了基于扩展卡尔曼滤波算法的阳极电势闭环观测器和具有前置补偿方法的充电电流闭环控制器，二者联合作用构成了锂离子电池无析锂快充策略调控方案，从而实现了阳极电势的在线评估与充电电流的在线平滑控制。

论文方法及创新点

安全快速充电的目标是在对电池的损伤最小的情况下尽可能减少充电时间。锂离子电池在充电过程中，最容易对电池造成损伤的问题就是在阳极发生的金属锂的析出，这就使得想要缩短充电时间并不能一味地提高充电倍率，还要考虑电池的耐受程度。在整个充电过程中，阳极电势应始终保持在0V（vs. Li/Li+）以上，以避免阳极析锂。

对此，本文首先建立了锂离子电池双电极等效电路模型，利用锂离子电池三电极实验完成多荷电状态条件下模型参数的离线辨识；然后建立闭环阳极电势观测器用于实时观测SOC、阳极电势等电池状态；最后划定阳极电势对应的安全充电区域，依据阳极电势的观测值和安全充电区域实现充电电流的在线控制，如图1、2所示。

图1 基于EECM的锂离子电池无析锂快充流程

图2 阳极电势闭环观测器和充电电流闭环控制器

结论

为了解决锂离子电池在充电过程易发生析锂进而造成安全事故的问题，本文在电极等效电路模型的基础上，提出一种基于EKF算法和前置补偿方法的双闭环快充策略调控方案。

实验结果表明，该文所建立的阳极电势闭环观测器具有较高的观测精度，阳极电势平均观测误差低于5mV，最大误差不超过10mV；充电电流闭环控制器同样具备较好的性能表现，在电流调节过程中，阳极电势到达并稳定在设定阈值+1mV范围内的调节时间为26s，系统稳态误差小于0.05mV，并且无超调和震荡。

(a) 4C倍率充电时的阳极电势和SOC情况

(b)3C倍率充电时的阳极电势和SOC情况

(c) 2C倍率充电时的阳极电势和SOC情况

图3 不同条件下的充电电流控制效果.

团队介绍

河北工业大学储能技术研究中心长期致力于锂电池高精计算与仿真、储能装备可靠性提升与系统安全管理等方面研究。

团队成员徐志成副教授（本文通信作者）为河北工业大学元光学者、河北省科技特派员、中国电工技术学会会员，《发电技术》青年编委；至今在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》、《Journal of Power Sources》、《Energy》、《Journal of Energy Storage》、《Transportation Research Part D》、《电工技术学报》等国内外著名期刊一作/通讯发表TOP期刊论文9 篇；授权电池状态评估与管理方面国家发明专利 3 项；连续两届荣获全国高校新能源汽车大数据创新创业大赛一等奖；主持国家自然科学青年基金项目、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室优秀青年创新基金及东南大学优秀博士学位论文培养基金项目各一项，参与国家自然科学面上基金项目及科技部国家重点研发项目等。

本工作成果发表在2024年第18期《电工技术学报》，论文标题为“基于电极等效电路模型的锂离子电池无析锂快充策略优化研究“。本课题得到国家自然科学基金和河北省中央引导地方科技发展专项项目的支持。

引用本文

赵英杰, 张闯, 刘素贞, 陈占群, 徐志成. 基于电极等效电路模型的锂离子电池无析锂快充策略优化研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(18): 5868-5882. Zhao Yingjie, Zhang Chuang, Liu Suzhen, Chen Zhanqun, Xu Zhicheng. Optimization of Fast Charging Strategy for Lithium-Ion Batteries without Deposition Based on Electrode Equivalent Circuit Model. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(18): 5868-5882.

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