充電模式不同對充電機(jī)充電鋰離子電池極化特性影響現(xiàn)象
2017-8-23 10:32:56??????點(diǎn)擊：
充電機(jī)充電鋰離子電池大電流快速充電成為近年來的發(fā)展趨勢，但大電流充電很容易在充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部引起嚴(yán)重極化，影響充電機(jī)充電蓄電池的性能與壽命。
本文研究不同充電模式對充電機(jī)充電鋰離子電池極化特性的影響規(guī)律，首先，建立基于LiMn2O4/石墨充電機(jī)充電蓄電池的電化學(xué)-熱耦合瞬態(tài)計(jì)算模型，充分考慮充電過程中充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)過程和內(nèi)熱源實(shí)時(shí)變化，通過變電流充電時(shí)充電機(jī)充電蓄電池端電壓變化和電解液濃度的空間分布規(guī)律，研究充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)三種極化的時(shí)變特性。
然后，研究不同恒流充電倍率下充電機(jī)充電蓄電池端電壓和極化電壓隨SOC的變化規(guī)律，提出表征充電機(jī)充電蓄電池極化程度和極化電壓對充電機(jī)充電蓄電池充電過程影響的變量PA與SOCc，定量分析不同充電條件下極化電壓對充電機(jī)充電鋰離子電池充電過程的影響。最后，研究Reflex快速充電條件下極化電壓的變化規(guī)律，分析不同正向充電時(shí)間tch對充電機(jī)充電蓄電池極化及充電過程的影響，并給出了建議tch值。
結(jié)果表明，極化電壓受充電電流和SOC的直接影響，而其變化又直接影響充電機(jī)充電蓄電池端電壓的變化，Reflex快充方法能有效抑制充電機(jī)充電蓄電池極化，減弱其對充電的影響。
充電機(jī)充電鋰離子電池具有循環(huán)壽命長、比能量大、體積小、自放電率小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[1-3]。但是傳統(tǒng)的充電方法充電速度慢、充電時(shí)間長[4]，使得充電機(jī)充電鋰離子電池在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，特別是電動(dòng)汽車等需要快速充電的領(lǐng)域。
受目前技術(shù)條件的限制，快速充電主要靠增大充電電流實(shí)現(xiàn)。但是大電流快速充電會(huì)引發(fā)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。充電機(jī)充電蓄電池極化會(huì)抬高充電機(jī)充電蓄電池端電壓，造成充電機(jī)充電蓄電池充不滿電，延長充電時(shí)間，嚴(yán)重極化還會(huì)引起充電機(jī)充電蓄電池嚴(yán)重發(fā)熱和負(fù)極表面鋰結(jié)晶等，影響充電機(jī)充電蓄電池安全和使用壽命[5,6]。
充電機(jī)充電蓄電池工作時(shí)，內(nèi)部平衡狀態(tài)被打破，端電壓偏離其平衡電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為充電機(jī)充電蓄電池極化[7]。充電機(jī)充電蓄電池極化是由電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)在電解液和正負(fù)電極中傳輸過程受阻引起的[8]。根據(jù)產(chǎn)生原因，極化可分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化三種。歐姆極化受充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部直流內(nèi)阻和電流的直接影響；電化學(xué)極化和濃差極化則受充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)部電荷和離子傳輸?shù)挠绊懀兓鄬徛?/span>
充電機(jī)充電蓄電池極化不可避免，國內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[9-11]根據(jù)充電機(jī)充電蓄電池的阻抗特性和極化特性建立了基于電路的等效模型，研究了極化電壓對充電機(jī)充電蓄電池端電壓的影響。A. Nyman等[12]從電化學(xué)的角度分析了極化電壓的產(chǎn)生原理，依靠擴(kuò)散方程建立了固-液之間和溶液內(nèi)部離子運(yùn)動(dòng)方程，準(zhǔn)確計(jì)算出充電機(jī)充電蓄電池充放電過程中離子流的大小，得到了充電機(jī)充電蓄電池極化電壓的變化趨勢。
北京理工大學(xué)王震坡等[13]以優(yōu)化充電機(jī)充電鋰離子電池的充放電控制策略為目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)研究了荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）充電機(jī)充電蓄電池荷電量與其額定容量之比）、充放電倍率、充放電方式和環(huán)境溫度等因素對極化電壓的影響規(guī)律。
北京交通大學(xué)姜久春等[14]提出了基于極化電壓時(shí)間常數(shù)的優(yōu)化充電方法，有效地平衡了充電速度、極化電壓和溫升之間的關(guān)系。基于此優(yōu)化充電方法，可在33min內(nèi)將充電機(jī)充電蓄電池SOC由0.2充到0.8。
中南大學(xué)湯依偉等[15]通過一維電化學(xué)模型開展了充電機(jī)充電鋰離子電池放電過程擴(kuò)散極化的仿真研究，結(jié)果顯示，減小活性物質(zhì)顆粒大小和電極厚度可大大減小擴(kuò)散極化。
本文首先建立基于LiMn2O4/石墨的充電機(jī)充電鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合瞬態(tài)數(shù)值仿真計(jì)算模型，研究了變電流充電、恒流充電和Reflex快速充電三種充電模式下充電機(jī)充電鋰離子電池的極化特性。根據(jù)充電過程中充電機(jī)充電蓄電池極化電壓和端電壓變化規(guī)律，提出了表征充電機(jī)充電蓄電池極化和極化對充電機(jī)充電蓄電池充電過程影響的變量PA和SOCc，定量分析了不同充電條件下充電機(jī)充電蓄電池的極化電壓水平及其對充電過程的影響。
圖1 固體傳熱模型二維結(jié)構(gòu)
結(jié)論
通過電化學(xué)-熱耦合模型分析了充電機(jī)充電鋰離子電池在不同充電模式下的極化特性及其對充電過程的影響。主要結(jié)論如下：
1）充電機(jī)充電蓄電池極化可以從充電機(jī)充電蓄電池的充電曲線和內(nèi)部電解液濃度的變化上體現(xiàn)出來。歐姆極化為瞬時(shí)變化，而電化學(xué)極化和濃差極化為緩慢變化。
2）極化電壓受SOC和充電電流密度的直接影響，隨電流密度的增大而增大，并在整個(gè)恒流充電過程中隨SOC呈弓形變化。
3）恒流充電的平均極化電壓PA越大，充電機(jī)充電蓄電池產(chǎn)熱越多，極化對充電機(jī)充電蓄電池充電過程的影響越大，充電到截止電壓時(shí)充入的電量越少。
4）Reflex快充能有效抑制充電機(jī)充電蓄電池極化，提高充電機(jī)充電蓄電池的可利用容量，且溫升也能得到較好抑制。為了達(dá)到較好的去極化效果，正向充電時(shí)間tch不宜超過電化學(xué)極化的建立時(shí)間。
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