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有哪些因素影響動(dòng)力電池的充電速度

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:6452次  |  2018年04月17日  

  討論動(dòng)力電池的充電速度,電池本身的承受能力絕對(duì)是無法繞過的一個(gè)因素。無論外圍的充電設(shè)備有多牛、功率有多大、充電能力有多強(qiáng),如果電池本身在能夠接受的充電能力方面有短板,那么充電速度肯定就快不起來。加上電池容量又比較大的話,自然充電時(shí)間就長(zhǎng)了。


  如果你高中學(xué)過電化學(xué)方面的知識(shí)的話,就會(huì)了解電池充放電的過程,本質(zhì)就是電池內(nèi)部通過一系列的氧化還原反應(yīng),來實(shí)現(xiàn)電子在正極和負(fù)極之間定向轉(zhuǎn)移。以當(dāng)下主流的鋰電池為例,雖然種類五花八門,但是大體的構(gòu)造無外乎包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等,充電的過程,基本上就是鋰離子從負(fù)極脫出,穿過隔膜和電解質(zhì),擴(kuò)散到達(dá)正極的過程——擴(kuò)散速度自然就成了充電速度的關(guān)鍵。


  理論上,的確可以通過加大電流來提升充電速度。但是電流太大的話,電池內(nèi)部鋰離子的擴(kuò)散速度跟不上電子擴(kuò)散速度,就會(huì)導(dǎo)致電子-離子運(yùn)脫節(jié),影響電池性能,能夠達(dá)到的充電容量也相應(yīng)減少,電池的壽命就更是慘不忍睹了,甚至?xí)衅鸹鸨ǖ奈kU(xiǎn)。


  所以一般來說,在不趕時(shí)間的情況下我們建議盡量用慢充,有利于延長(zhǎng)電池的壽命。


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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%

  而鋰離子的擴(kuò)散速度,和溫度、正極的材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。


  首先是溫度,一般來說溫度越高自然是擴(kuò)散速度越快,但是溫度過高的話也會(huì)導(dǎo)致電池壽命降低、充電安全性下降等問題。溫度過低的話同樣不行,氣溫過低的情況下,電池中的金屬鋰會(huì)發(fā)生沉積,從而造成電池內(nèi)部短路,尤其是磷酸鐵鋰電池。一般0℃時(shí)磷酸鐵鋰電池的容量大概只剩下60~70%左右,到了-20℃時(shí)就只剩下可憐的20~40%了。所以在氣候寒冷的北方冬季,電動(dòng)車必須要有給電池模組加熱的功能,由此耗電自然也更快。


  其次是材料,不同的材料擴(kuò)散能力差距非常大,像鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、NCM、NCA等都是性能很不錯(cuò)的正極材料,而后兩者也是當(dāng)下性能最好、應(yīng)用普及度比較高的兩種材料了。這也是如今的鋰電池以正極材料命名的一個(gè)重要原因。


  在電池行業(yè)的領(lǐng)域,通常會(huì)用充放電倍率來描述充電速度和電流大小的關(guān)系,譬如1小時(shí)充滿電池時(shí)的速率稱為1C,只需30分鐘的速率則稱之為2C,如此類推,超過1C就可以稱為快充。如今鋰離子電池的充電速率普遍可以做到1C-3C,最高大概可以去到5C,但是相比起動(dòng)輒10C的放電速率自然還是要差很遠(yuǎn)。


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  ▲典型的鋰離子電池充電特性曲線

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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、無人設(shè)備

  除了最大充電速率有瓶頸之外,不同SOC(StateofCharge,即荷電狀態(tài),也就是剩余電量)下電池能夠承受的充電速率也是有差別的。一般來說,電池在充電過程的特性大致和上面這張圖類似,充電的速率會(huì)遵循慢——快——慢這樣的節(jié)奏。一般當(dāng)SOC達(dá)到90%以上的時(shí)候,電池的內(nèi)阻就會(huì)明顯上升,使得充電速率放慢。如果你有留意當(dāng)下在售的大部分電動(dòng)車,都會(huì)發(fā)現(xiàn)它們會(huì)宣傳自己在特定的快充狀態(tài)下,能夠在一個(gè)相對(duì)比較短的時(shí)間——例如1小時(shí)乃至30分鐘的時(shí)間里,充滿一個(gè)大比例的電量,一般在80%-90%左右,就是這個(gè)意思。


  所以如果你是一個(gè)電動(dòng)車用戶,想要盡可能節(jié)約充電耗時(shí)的話,盡量不要?jiǎng)虞m把電量用到10%以下,充電的時(shí)候也不一定非要充滿,達(dá)到90%以上,或者能夠滿足你下一次出行需要的里程數(shù)就足夠了。


  充電設(shè)備的充電速度受什么限制?


  除了電池本身的瓶頸之外,外圍的充電設(shè)備也有自身的限制。簡(jiǎn)單來講,充電樁輸出功率越大,充電時(shí)間越短。但是充電樁也不是可以無限提高充電功率的。先來說下電動(dòng)汽車的充電大體是一個(gè)什么樣的過程。


  一說到汽車充電,大家首先想到的自然就是充電樁。簡(jiǎn)單來講,充電樁輸出功率越大、電池容量越小,充電時(shí)間自然越短。這就和要把一個(gè)水池放滿水,放水管越大、水池越小自然耗時(shí)越短是一個(gè)道理。不過作為電動(dòng)車用戶,當(dāng)然希望自己的電池容量也足夠大,所以提升充電樁功率自然是更應(yīng)該做的。車用的充電樁一般分為交流充電樁、直流充電樁兩種。我們分開兩種情況來講。


  先講普適性比較強(qiáng)的交流充電樁。它多采用和家用電壓大小一樣的220V交流充電,一般電流只有16A或者32A,充電速度相對(duì)比較慢,在電池容量20kwh左右的情況下,要大概6-8個(gè)小時(shí)才能夠充滿電。


  其次,由于汽車電機(jī)用的是直流電,所以充電的電流需要通過充電機(jī)轉(zhuǎn)換。充電機(jī)大體分為車載充電機(jī)和非車載充電機(jī)兩種,兩者基本都是輸入交流電、輸出直流電儲(chǔ)存到電池組里。前者重量輕、功率損耗更低,而且搭配車載充電機(jī)的車型充電便利性會(huì)更好,但是很難承受比較大的充電功率,而后者的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。車載充電機(jī)的設(shè)計(jì),是要適配一定的交流輸出功率的,如果適配的功率比較低,哪怕接上了更大功率的充電樁,充電速度也快不起來。


  再說說直流充電樁。相比起只有220V的交流充電樁,它的接入電壓高達(dá)380V,相同的電池容量下2-3小時(shí)就可以充滿了。但是這種快充的方式也不是可以濫用的——首先頻繁快充會(huì)折損電池壽命,其次大量電動(dòng)車一起快充的話,電流會(huì)非常大,對(duì)于現(xiàn)有電網(wǎng)的壓力也是很大的,甚至有可能會(huì)造成局部癱瘓。


  另外,由于現(xiàn)行的電動(dòng)車充電網(wǎng)絡(luò)并不是獨(dú)立的,所以用電高峰的時(shí)候,如果在使用區(qū)域公用變壓器的電網(wǎng)里充電的話,充電速度也會(huì)變慢。這也是很多電動(dòng)車用戶需要錯(cuò)峰充電的原因之一。


  綜合來說,當(dāng)下影響電動(dòng)車充電速度提升的因素,重點(diǎn)還是在于電池本身的承受能力:一方面不能過于頻繁地使用快充,另一方面充電進(jìn)程中的速率不均勻,使得日常實(shí)際能用的續(xù)航里程也打了折扣。另外,充電機(jī)、充電樁等配套設(shè)施的能力、標(biāo)準(zhǔn)不一,對(duì)于日常充電的場(chǎng)景也有很多限制,需要不斷地升級(jí)。


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