鉅大LARGE | 點擊量：1168次 | 2020年08月11日
鋰離子電池/快速充電技術(shù)
充電多快可以叫“快充”？
我們充電的基本訴求：
1）充電要快；
2）不要影響電芯壽命；
3）盡量省錢，充電機放出來多少電，盡量都充到我的電池里。
那么多快就可以叫快充了呢？并沒有什么標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)給出具體數(shù)值，我們暫且參考知名度最高的補貼政策中提及的數(shù)值門檻。
下表是新能源客車2017年補貼標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥吹剑斐涞娜腴T級是3C。實際上，在乘用車的補貼標(biāo)準(zhǔn)中，沒有提及快充的要求。
從一般乘用車的宣傳資料中，可以看到，大家一般認(rèn)為30分鐘充滿80%已經(jīng)可以作為快充的噱頭，拿出來宣傳了，那么姑且認(rèn)為乘用車的1.6C就可以是入門級快充參考值。
按照這個思路，宣傳15分鐘充滿80%的，相當(dāng)于3.2C。
快充的瓶頸在哪里？
在快充這個語境里，相關(guān)方按照物理主體分，包括電池、充電機、配電設(shè)施。
我們討論快充，直接的想到電池會不會有問題。
實際上，在電池有問題之前，首先是充電機，配電線路的問題。
我們提到特斯拉的充電樁，其名曰超級充電樁，它的功率是120kW。
按照特斯拉ModelS85D的參數(shù)，96s75p，232.5Ah，最高403V計算，其1.6C對應(yīng)最大需求功率為149.9kW。
從這里就可以看到，關(guān)于長續(xù)航純電動汽車型，1.6C或者說30分鐘充滿80%已經(jīng)對充電樁構(gòu)成考驗。
在國家標(biāo)準(zhǔn)中，不允許在原來的居民用電網(wǎng)絡(luò)中直接直接設(shè)置充電站。1臺快充樁的用電功率就已經(jīng)超出幾十戶居民的用電量。
因此，充電站都要單獨設(shè)置10kV變壓器，而一個區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)并非都有余量新增更多的10kV變電站。
然后說道電池。電池是否能夠承載1.6C或者3.2C的充電要求，可以從宏觀和微觀兩個角度來看待。
宏觀上的快速充電理論
之所以這節(jié)的題目叫做“宏觀上的快速充電理論”，是因為直接決定電池快速充電能力的是鋰離子電池內(nèi)部正負(fù)極材料性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)，電解液成分、添加劑，隔膜性質(zhì)等等，這些微觀層面的內(nèi)容，我們暫時放在一邊，站在電池外邊，看鋰離子電池快速充電的方法。
1.鋰離子電池存在最優(yōu)充電電流
1972年美國科學(xué)家J.A.Mas提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律，要注意的是，這個理論是針對鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應(yīng)氣體的出現(xiàn)，顯然這個條件與具體的反應(yīng)類型有關(guān)。
但系統(tǒng)存在最優(yōu)解的思想，卻是放之四海而皆準(zhǔn)的。
具體到鋰離子電池，界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新含義。
基于一些研究文獻(xiàn)的結(jié)論，其最優(yōu)值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢。
值得注意的是，鋰離子電池的最大可接受充電電流的邊界條件，除了要考慮鋰離子電池單體的因素，還要考慮系統(tǒng)級別的因素，比如散熱能力不同，系統(tǒng)的最大可接受充電電流是不同的。
然后我們暫且以這樣的基礎(chǔ)繼續(xù)向下討論。
馬斯定理的公式描述：
I=I0*e^αt
式中；I0為電池初始充電電流；α為充電接受率；t為充電時間。I0和α的值與電池類型、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關(guān)。
現(xiàn)階段對電池充電方法的研究重要是基于最佳充電曲線來開展的。
如下圖所示，假如充電電流超過這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會新增電池的析氣量；
假如小于此最佳充電曲線，雖然不會對電池造成傷害，但是會延長充電時間，降低充電效率。
對這個理論的闡述包含三個層次，是為馬斯三定律：
①關(guān)于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比α與電池放出的容量平方根成反比；
②關(guān)于任何給定的放電量，α與放電電流Iｄ的對數(shù)成正比；
③蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個放電率下的允許充電電流的總和。
以上定理，也是充電接受能力這個概念的來源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈，沒有看到統(tǒng)一官方的含義。
按照自己的理解，充電接受能力就是在特定環(huán)境條件下，具備一定荷電量的可充電電池充電的最大電流。
可以接受的含義是不會出現(xiàn)不應(yīng)有的副反應(yīng)，不會對電芯的壽命和性能造成不良影響。
進(jìn)而理解一下三定律。第一定律，在電池放出一定電量以后，其充電接受能力與當(dāng)前荷電量有關(guān)，荷電量越低，其充電接受能力越高。
第二定律，充電過程中，出現(xiàn)脈沖放電，有助于幫助電池提高實時的可接受電流值；
第三定律，充電接受能力會受到充電時刻以前的充放電情況的疊加影響。
假如馬斯理論也適用于鋰離子電池，則反向脈沖充電（下文中具體名稱為Reflex快速充電法）除了可以用去極化的角度解釋其對溫升抑制有幫助以外，馬斯理論也作為對脈沖方法的支撐。
而更進(jìn)一步的，真正將馬斯理論全盤運用的，是智能充電方法，即跟蹤電池參數(shù)，使得充電電流值始終因循鋰離子電池的馬斯曲線變化，使得在安全邊界以內(nèi)，充電效率達(dá)到最大化。
常見快速充電方法
鋰離子電池的充電方法有很多種，針對快速充電的要求，其重要方法包括脈沖充電、Reflex充電，和智能充電。
不同的電池類型，其適用的充電方式也不完全相同，在方法這節(jié)不做具體區(qū)分。
1.脈沖充電
這是來自文獻(xiàn)中的一個脈沖充電方式，其脈沖階段設(shè)置在充電觸及上限電壓4.2V以后，并在4.2V以上持續(xù)進(jìn)行。
暫且不提其具體參數(shù)設(shè)置的合理性，不同類型電芯存在差異。
我們關(guān)注一下脈沖執(zhí)行過程。
下面是脈沖充電曲線，重要包括三個階段：預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。
在恒流充電過程中以恒定電流對電池進(jìn)行充電，部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。
當(dāng)電池電壓上升到上限電壓（4.2V）時，進(jìn)入脈沖充電模式：用1C的脈沖電流間歇地對電池充電。
在恒定的充電時間Tc內(nèi)電池電壓會不斷升高，充電停止時電壓會慢慢下降。
當(dāng)電池電壓下降到上限電壓（4.2V）后，以同樣的電流值對電池充電，開始下一個充電周期，如此循環(huán)充電直到電池充滿。
在脈沖充電過程中，電池電壓下降速度會漸漸減慢，停充時間T0會變長，當(dāng)恒流充電占空比低至5%～10%時，認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，終止充電。
與常規(guī)充電方法相比，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會被消除，使下一輪的充電更加順利地進(jìn)行，充電速度快、溫度的變化小、對電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。
但其缺點很明顯：要一個有限流功能的電源，這新增了脈沖充電方式的成本。
2.間歇充電法
鋰離子電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。
1）變電流間歇充電法
變電流間歇充電法是由廈門大學(xué)陳體銜教授提出來的，它的特點是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。
如下圖所示，變電流間歇充電法的第一階段，先采用較大電流值對電池充電，在電池電壓達(dá)到截止電壓V0時停止充電，此時電池電壓急劇下降。
保持一段停充時間后，采用減小的充電電流繼續(xù)充電。當(dāng)電池電壓再次上升到截止電壓V0時停止充電，如此往復(fù)數(shù)次（一般約為3～4次）充電電流將減小設(shè)定的截止電流值。
然后進(jìn)入恒電壓充電階段，以恒定電壓對電池充電直到充電電流減小到下限值，充電結(jié)束。
變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下，采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流，即加快了充電過程，縮短了充電時間。
但是這種充電模式電路比較復(fù)雜、造價高，一般只有在大功率快充時才考慮采用。
2）變電壓間歇充電
在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上，有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過程，將間歇恒流換成間歇恒壓。
比較上面圖(a)和圖(b)，可見恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。
在每個恒壓充電階段，由于電壓恒定，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點。
3）Reflex快速充電法
Reflex快速充電方法，又被稱為反射充電方法或“打嗝”充電方法。
該方法的每個工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個階段。
它在很大的程度上解決了電池極化現(xiàn)象，加快了充電速度。但是反向放電會縮短鋰離子電池壽命。
如上圖所示，在每個充電周期中，先采用2C的電流充電時間為10s的Tc，然后停充時間為0.5s的Tr1，反向放電時間為1s的Td，停充時間為0.5s的Tr2，每個充電循環(huán)時間為12s。隨著充電的進(jìn)行，充電電流會逐漸變小。
4）智能充電法
智能充電是目前較先進(jìn)的充電方法，如下圖所示，其重要原理是應(yīng)用du/dt和di/dt控制技術(shù)，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態(tài)，動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。
這類智能方法，一般結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等先進(jìn)算法技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動優(yōu)化。
5.充電方式對充電速率影響的實驗數(shù)據(jù)
文獻(xiàn)比較了恒流充電方法和一種反向脈沖充電。恒流充電就是整個充電過程中以恒定不變的電流對電池進(jìn)行充電充。
恒流充電初期，可以有大電流充電，但隨著時間的推移，極化電阻逐漸顯現(xiàn)并新增，造成更多的能量轉(zhuǎn)化成熱量，消耗掉并使得電池溫度逐漸上升。
恒流充電與脈沖充電的比較
脈沖充電方法，是以一段時間的充電之后，出現(xiàn)短暫的反向充電電流。
其基本形式如下圖所示。充電過程中夾雜短暫的放電脈沖，起到去極化的用途，降低極化電阻在充電過程中造成的影響。
有研究專門比較了脈沖充電與恒流充電的效果差異性。取平均電流為１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ和４Ｃ（Ｃ為電池額定容量數(shù)值），分別做了４組比較實驗，通過電池充完后放出的電量來衡量實際充入的電量下。
圖為充電電流為２Ｃ時脈沖充電的電流及電池端電壓波形。表１為恒流脈沖充電實驗數(shù)據(jù)。脈沖周期為１ｓ，正脈沖時間為0.９ｓ，負(fù)脈沖時間為０.１ｓ。
Ichav為充電平均電流，Qin為充入電量；Qo為放出電量，η為效率。
從上表中的實驗結(jié)果可以看到，恒流充電與脈沖充電效率近似，脈沖略低于恒流，但充入電池的總電量，脈沖方式明顯多于恒流方式。
不同脈沖占空比對脈沖充電的影響
脈沖充電中的負(fù)電流放電時間對充電快慢有，一定影響，放電時間越長，充電越慢；
保持相同平均電流充電時，放電時間越長。
從下表可以看出，不同占空比對效率和充入電量有明確的影響趨勢，但數(shù)值差異不是很大。
與此相關(guān)的，還有兩個重要參數(shù)，充電時間和溫度沒有顯示。
因此，選擇脈沖充電優(yōu)于持續(xù)恒流充電，具體選擇占空比，則要重點考慮電池溫升和充電時間訴求。
上一篇：柔性載硫體用于高性能鋰硫電池
