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鋰離子電池和鋰離子電池如何快速充電

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:300次  |  2024年01月25日  

新車上市,當(dāng)然我說(shuō)的是電動(dòng)汽車,時(shí)常會(huì)出現(xiàn)這樣的介紹:“快速充電,半小時(shí)充電80%,續(xù)航200公里,完全解決你的里程焦慮!”快充,商用車用來(lái)提升設(shè)備使用效率,乘用車用來(lái)解決里程焦慮,不斷逼近“加一箱油”的時(shí)間。大有成為標(biāo)配的趨勢(shì)。今天就一塊兒來(lái)挖一挖快充方法,捎帶挖一挖方法的由來(lái)。


充電多快可以叫“快充”?


我們充電的基本訴求:


1)充電要快;’


2)不要影響我電芯壽命;

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

3)盡量省錢,充電機(jī)放出來(lái)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(méi)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(bǔ)貼政策中提及的數(shù)值門檻。下表是新能源客車2017年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。可以看到,快充的入門級(jí)是3C。實(shí)際上,在乘用車的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中,沒(méi)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(lái)宣傳了,那么姑且認(rèn)為乘用車的1.6C就可以是入門級(jí)快充參考值。按照這個(gè)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(gè)語(yǔ)境里,相關(guān)方按照物理主體分,包括電池、充電機(jī)、配電設(shè)施。

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IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

我們討論快充,直接的想到電池會(huì)不會(huì)有問(wèn)題。


實(shí)際上,在電池有問(wèn)題之前,首先是充電機(jī),配電線路的問(wèn)題。我們提到特斯拉的充電樁,其名曰超級(jí)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(jì)算,其1.6C對(duì)應(yīng)最大需求功率為149.9kW。從這里就可以看到,對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航純電動(dòng)車型,1.6C或者說(shuō)30分鐘充滿80%已經(jīng)對(duì)充電樁構(gòu)成考驗(yàn)。


在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中,不允許在原來(lái)的居民用電網(wǎng)絡(luò)中直接直接設(shè)置充電站。1臺(tái)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,充電站都需要單獨(dú)設(shè)置10kV變壓器,而一個(gè)區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)并非都有余量增加更多的10kV變電站。


然后說(shuō)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(gè)角度來(lái)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?yàn)橹苯記Q定電池快速充電能力的是鋰電池內(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(shí)放在一邊,站在電池外邊,看鋰電池快速充電的方法。


鋰電池存在最優(yōu)充電電流


1972年美國(guó)科學(xué)家J.A.Mas提出蓄電池在充電過(guò)程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律,需要注意的是,這個(gè)理論是針對(duì)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)氣體的產(chǎn)生,顯然這個(gè)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。具體到鋰電池,界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新定義?;谝恍┭芯课墨I(xiàn)的結(jié)論,其最優(yōu)值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢(shì)。


值得注意的是,鋰電池的最大可接受充電電流的邊界條件,除了需要考慮鋰電池單體的因素,還需要考慮系統(tǒng)級(jí)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(shí)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(duì)電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來(lái)開(kāi)展的。如下圖所示,如果充電電流超過(guò)這條最佳充電曲線,不但不能提高充電速率,而且會(huì)增加電池的析氣量;如果小于此最佳充電曲線,雖然不會(huì)對(duì)電池造成傷害,但是會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間,降低充電效率。


對(duì)這個(gè)理論的闡述包含三個(gè)層次,是為馬斯三定律:


①對(duì)于任何給定的放電電流,蓄電池充電時(shí)的電流接受比α與電池放出的容量平方根成反比;


②對(duì)于任何給定的放電量,α與放電電流Id的對(duì)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(gè)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(gè)概念的來(lái)源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈,沒(méi)有看到統(tǒng)一官方的定義。


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(huì)產(chǎn)生不應(yīng)有的副反應(yīng),不會(huì)對(duì)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(guò)程中,出現(xiàn)脈沖放電,有助于幫助電池提高實(shí)時(shí)的可接受電流值;第三定律,充電接受能力會(huì)受到充電時(shí)刻以前的充放電情況的疊加影響。


如果馬斯理論也適用于鋰電池,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(duì)溫升抑制有幫助以外,馬斯理論也作為對(duì)脈沖方法的支撐。而更進(jìn)一步的,真正將馬斯理論全盤運(yùn)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(jiàn)快速充電方法


鋰電池的充電方法有很多種,針對(duì)快速充電的要求,其主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。


脈沖充電


這是來(lái)自文獻(xiàn)中的一個(gè)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)注一下脈沖實(shí)施過(guò)程。


脈沖充電曲線,主要包括三個(gè)階段:預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。在恒流充電過(guò)程中以恒定電流對(duì)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(shí),進(jìn)入脈沖充電模式:用1C的脈沖電流間歇地對(duì)電池充電。在恒定的充電時(shí)間Tc內(nèi)電池電壓會(huì)不斷升高,充電停止時(shí)電壓會(huì)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(duì)電池充電,開(kāi)始下一個(gè)充電周期,如此循環(huán)充電直到電池充滿。


在脈沖充電過(guò)程中,電池電壓下降速度會(huì)漸漸減慢,停充時(shí)間T0會(huì)變長(zhǎng),當(dāng)恒流充電占空比低至5%~10%時(shí),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(huì)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(duì)電池壽命影響小,因而目前被廣泛使用。但其缺點(diǎn)很明顯:需要一個(gè)有限流功能的電源,這增加了脈沖充電方式的成本。


間歇充電法


鋰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(lái)的,它的特點(diǎn)是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。


變電流間歇充電法的第一階段,先采用較大電流值對(duì)電池充電,在電池電壓達(dá)到截止電壓V0時(shí)停止充電,此時(shí)電池電壓急劇下降。保持一段停充時(shí)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(shí)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(duì)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(guò)程,縮短了充電時(shí)間。但是這種充電模式電路比較復(fù)雜、造價(jià)高,一般只有在大功率快充時(shí)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(guò)程,將間歇恒流換成間歇恒壓。比較上面圖(a)和圖(b),可見(jiàn)恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)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(diǎn)。


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(gè)工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個(gè)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(huì)縮短鋰電池壽命。


在每個(gè)充電周期中,先采用2C的電流充電時(shí)間為10s的Tc,然后停充時(shí)間為0.5s的Tr1,反向放電時(shí)間為1s的Td,停充時(shí)間為0.5s的Tr2,每個(gè)充電循環(huán)時(shí)間為12s。隨著充電的進(jìn)行,充電電流會(huì)逐漸變小。


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,其主要原理是應(yīng)用du/dt和di/dt控制技術(shù),通過(guò)檢查電池電壓和電流的增量來(lái)判斷電池充電狀態(tài),動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化。




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