基于频域热电模型的锂离子电池低温快速充电理论与方法研究

The severe deterioration of the performance of lithium-ion battery (LIB) at low temperature, especially that of the charging acceptability, restrict the areas suitable for the introduction of electric vehicles and constitutes one of the bottleneck for the diffusion of the electric vehicles. This project studies the theory and techniques for rapid charging of LIB at low temperature using the combined approach of theoretical analysis, modeling and simulation, and experimental measurement and validation. Recognizing that the large internal impedance at low temperature is the rate-determining factor for the charging acceptability, and the internal impedance is sensitive to the change of temperature, the project propose to precede the actual direct current charging with an internal heating process using alternating current. The research tasks include: (1)Establish the thermo-electrochemical models in the frequency domain, examine the effects of internal heating employing the Ohmic and Faradaic impedance, find the method to determine the maximum heat generating rate; (2) Establish the control-oriented over-potential model in the time domain ,examine the mechanism and criterion for Li deposition, find the method to determine the maximum charging acceptability; (3) Explore the optimal charging strategy/sequence based on the models of internal heat generation and the maximum charging acceptability, find the method to determine the optimal time for switching from heating with alternating current to charging with direct current. This project aims to establish a new theory and techniques for the rapid charging of LIB at low temperature, with the techniques being able to suppress lithium deposition and have high efficiency during the internal heating.

低温下锂离子电池充放电性能严重衰减，尤其是充电接受能力极度下降，已构成制约电动汽车普及的瓶颈因素之一。 低温快速充电的关键在于如何在抑制析锂的前提下尽快将电池预热。利用交替直流充放电所伴随的内部产热可以将电池预热，但析锂隐患限制了可使用电流的大小。项目指出，析锂的本质原因是负极电位因法拉第电流降低至析锂电位，而电池的电流由法拉第电流和双电层电流组成，且交流频率对两种电流的大小具有显著的调节作用。在此基础上项目提出了低温快速充电新理论：利用交流产热预热电池，并依据频域热电模型将产热速率最大化；而后依据电流接受能力模型将充电速率最大化。主要创新点包括：1）频域热电模型、利用欧姆阻抗与法拉第阻抗进行内部产热及最大产热速率确定方法；2）面向充电控制的时域过电压模型及直流充电最大接受能力确定方法；3）交流产热阶段向直流充电阶段最佳切换时机的确定方法。 项目可形成快速、无析锂、低能耗的低温充电新方法。

低温下锂离子电池充放电性能严重恶化，尤其是充电接受能力显著下降，已构成制约电动汽车普及的限制因素之一。为了解决电池的低温充电问题，针对现有石墨负极锂离子电池，开发电池预热与充电规程，先将电池预热到合适的温度，再进行充电或使用。本项目进行了基于频域热电模型的锂离子电池低温快速充电理论与方法研究。.首先，研究了低温充电工况下锂离子电池的析锂。采用考虑了析锂副反应的锂离子电池电化学模型描述低温充电工况下的析锂。利用核磁共振方法定量检测析出的锂金属。结合模拟与实验结果，对析锂机理与析锂判据进行了辨析，指出负极局部固液相电势差达到析锂反应平衡电势是析锂发生的指标，为交流预热方法与直流充电方法的开发提供了抑制析锂的依据。.然后，开发了抑制析锂的锂离子电池交流预热方法。锂离子电池在交流电流激励下的有效产热成分只有电池阻抗的实部对应的焦耳热；基于锂离子电池的等效电路建立了频域产热模型。结合析锂约束条件的频域模型表述，得出了不同温度下抑制析锂的锂离子电池交流预热电流最大幅值-频率线簇。进一步利用锂离子电池阻抗对温度的敏感性，开发了温度反馈的、抑制析锂的锂离子电池交流预热方法。.之后，开发了抑制析锂的锂离子电池直流充电方法。采用锂离子电池热-电化学耦合模型描述锂离子电池的低温充电过程。结合析锂约束条件的时域模型表述，得出了不同温度下抑制析锂的锂离子电池最大充电电流-荷电状态线簇，进而开发了抑制析锂的直流充电方法。.最后，结合开发的交流预热与直流充电方法，组合形成锂离子电池预热-充电规程，并对其进行效用评价。对开发的交流预热方法与直流充电方法抑制析锂的有效性进行了检验。利用模型分析讨论了不同预热-充电切换温度时的总时间与总能耗。结果表明，开发的预热-充电规程具有无析锂、快速、低能耗的特点。