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电池知识

快充的瓶颈在哪里?锂电池快速充电方法

来源:未知    2019-03-31 17:05    点击量:
新车上市,当然我说的是电动汽车,时常会出现这样的介绍:“快速充电,半小时充电80%,续航200公里,完全解决你的里程焦虑!”快充,商用车用来提升设备使用效率,乘用车用来解决里程焦虑,不断逼近“加一箱油”的时间。大有成为标配的趋势。今天就一块儿来挖一挖快充方法,捎带挖一挖方法的由来。

 

 

 

充电多快可以叫“快充”?

 

我们充电的基本诉求:

1)充电要快;’

2)不要影响我电芯寿命;

3)尽量省钱,充电机放出来多少电,尽量都充到我的电池里。

 

那么多快就可以叫快充了呢?并没有什么标准文献给出具体数值,我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到,快充的入门级是3C。实际上,在乘用车的补贴标准中,没有提及快充的要求。

 

从一般乘用车的宣传资料中,可以看到,大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头,拿出来宣传了,那么姑且认为乘用车的1。6C就可以是入门级快充参考值。按照这个思路,宣传15分钟充满80%的,相当于3。2C。

 

 

 

 

快充的瓶颈在哪里?

 

在快充这个语境里,相关方按照物理主体分,包括电池、充电机、配电设施。

 

我们讨论快充,直接的想到电池会不会有问题。实际上,在电池有问题之前,首先是充电机,配电线路的问题。我们提到特斯拉的充电桩,其名曰超级充电桩,它的功率是120kW。按照特斯拉Model S85D的参数,96s75p,232。5Ah,最高403V计算,其1。6C对应最大需求功率为149。9kW。从这里就可以看到,对于长续航纯电动车型,1。6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

 

在国家标准中,不允许在原来的居民用电网络中直接直接设置充电站。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量。因此,充电站都需要单独设置10kV变压器,而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。

 

然后说道电池。电池是否能够承载1。6C或者3。2C的充电要求,可以从宏观和微观两个角度来看待。

 

 

宏观上的快速充电理论

 

之所以这节的题目叫做“宏观上的快速充电理论”,是因为直接决定电池快速充电能力的是锂电池内部正负极材料性质、微观结构,电解液成分、添加剂,隔膜性质等等,这些微观层面的内容,我们暂时放在一边,站在电池外边,看锂电池快速充电的方法。

 

锂电池存在最优充电电流

 

1972 年美国科学家J。A。 Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律,需要注意的是,这个理论是针对铅酸蓄电池提出的,其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生,显然这个条件与具体的反应类型有关。

 

但系统存在最优解的思想,却是放之四海而皆准的。具体到锂电池,界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。基于一些研究文献的结论,其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。

 

值得注意的是,锂电池的最大可接受充电电流的边界条件,除了需要考虑锂电池单体的因素,还需要考虑系统级别的因素,比如散热能力不同,系统的最大可接受充电电流是不同的。然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。

 

马斯定理的公式描述:

I =I0*e^αt

 

式中;I0为电池初始充电电流;α 为充电接受率;t 为充电时间。I0和α 的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

 

现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如下图所示,如果充电电流超过这条最佳充电曲线,不但不能提高充电速率,而且会增加电池的析气量;如果小于此最佳充电曲线,虽然不会对电池造成伤害,但是会延长充电时间,降低充电效率。

 

 

 

对这个理论的阐述包含三个层次,是为马斯三定律:

 

①对于任何给定的放电电流, 蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比;

 

② 对于任何给定的放电量,α与放电电流Id 的对数成正比;

 

③蓄电池在以不同的放电率放电后, 其最终的允许充电电流It ( 接受能力) 是各个放电率下的允许充电电流的总和。

 

以上定理,也是充电接受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电接受能力。找了一圈,没有看到统一官方的定义。按照自己的理解,充电接受能力就是在特定环境条件下,具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。可以接受的含义是不会产生不应有的副反应,不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。

 

进而理解一下三定律。第一定律,在电池放出一定电量以后,其充电接受能力与当前荷电量有关,荷电量越低,其充电接受能力越高。第二定律,充电过程中,出现脉冲放电,有助于帮助电池提高实时的可接受电流值;第三定律,充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。

 

如果马斯理论也适用于锂电池,则反向脉冲充电(下文中具体名称为Reflex 快速充电法)除了可以用去极化的角度解释其对温升抑制有帮助以外,马斯理论也作为对脉冲方法的支撑。而更进一步的,真正将马斯理论全盘运用的,是智能充电方法,即跟踪电池参数,使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化,使得在安全边界以内,充电效率达到最大化。

 

 

常见快速充电方法

 

锂电池的充电方法有很多种,针对快速充电的要求,其主要方法包括脉冲充电、Reflex 充电,和智能充电。不同的电池类型,其适用的充电方式也不完全相同,在方法这节不做具体区分。

 

脉冲充电

 

这是来自文献中的一个脉冲充电方式,其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V以后,并在4.2V以上持续进行。暂且不提其具体参数设置的合理性,不同类型电芯存在差异。我们关注一下脉冲实施过程。

 

下面是脉冲充电曲线,主要包括三个阶段:预充、恒流充电和脉冲充电。在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电,部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压(4。2 V)时,进入脉冲充电模式:用1 C 的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高,充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压(4。2 V)后,以同样的电流值对电池充电,开始下一个充电周期,如此循环充电直到电池充满。

 

 

在脉冲充电过程中,电池电压下降速度会渐渐减慢,停充时间T0会变长,当恒流充电占空比低至5%~10%时,认为电池已经充满,终止充电。与常规充电方法相比,脉冲充电能以较大的电流充电,在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除,使下一轮的充电更加顺利地进行,充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小,因而目前被广泛使用。但其缺点很明显:需要一个有限流功能的电源,这增加了脉冲充电方式的成本。

 

间歇充电法

 

锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。

 

1)变电流间歇充电法

 

变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的,它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。如下图所示,变电流间歇充电法的第一阶段,先采用较大电流值对电池充电,在电池电压达到截止电压V0时停止充电,此时电池电压急剧下降。保持一段停充时间后,采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电,如此往复数次(一般约为3~4 次)充电电流将减小设定的截止电流值。然后进入恒电压充电阶段,以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值,充电结束。

 

变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下,采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流,即加快了充电过程,缩短了充电时间。但是这种充电模式电路比较复杂、造价高,一般只有在大功率快充时才考虑采用。

 

 

 

2)变电压间歇充电

 

在变电流间歇充电法的基础上,有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程,将间歇恒流换成间歇恒压。比较上面图(a)和图 (b),可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。在每个恒压充电阶段,由于电压恒定,充电电流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

 

Reflex 快速充电法

 

Reflex 快速充电方法,又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3 个阶段。它在很大的程度上解决了电池极化现象,加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

 

如上图 所示,在每个充电周期中,先采用2 C 的电流充电时间为10 s 的Tc,然后停充时间为0.5 s的Tr1,反向放电时间为1 s 的Td,停充时间为0.5 s 的Tr2,每个充电循环时间为12 s。随着充电的进行,充电电流会逐渐变小。

 

智能充电法

 

智能充电是目前较先进的充电方法,如下图所示,其主要原理是应用du/dt 和di /dt 控制技术,通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态,动态跟踪电池可接受的充电电流,使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。这类智能方法,一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术,实现系统的自动优化。

 

 

 

充电方式对充电速率影响的实验数据

 

文献比较了恒流充电方法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电过程中以恒定不变的电流对电池进行充电充。恒流充电初期,可以有大电流充电,但随着时间的推移,极化电阻逐渐显现并增加,造成更多的能量转化成热量,消耗掉并使得电池温度逐渐上升。

 

 

 

恒流充电与脉冲充电的比较

 

脉冲充电方法,是以一段时间的充电之后,出现短暂的反向充电电流。其基本形式如下图所示。充电过程中夹杂短暂的放电脉冲,起到去极化的作用,降低极化电阻在充电过程中造成的影响。

 

有研究专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取平均电流为1C,2C,3 C 和4C(C 为电池额定容量数值) , 分别做了4 组对比实验,通过电池充完后放出的电量来衡量实际充入的电量下。图为充电电流为2C 时脉冲充电的电流及电池端电压波形。表1 为恒流脉冲充电实验数据。脉冲周期为1s,正脉冲时间为0.9s, 负脉冲时间为0.1s。

 

 

Ichav 为充电平均电流,Qin为充入电量;Qo为放出电量,η为效率

 

从上表中的实验结果可以看到,恒流充电与脉冲充电效率近似,脉冲略低于恒流,但充入电池的总电量,脉冲方式明显多于恒流方式。

 

 

不同脉冲占空比对脉冲充电的影响

 

脉冲充电中的负电流放电时间对充电快慢有,一定影响, 放电时间越长, 充电越慢; 保持相同平均电流充电时, 放电时间越长。从下表可以看出,不同占空比对效率和充入电量有明确的影响趋势,但数值差异不是很大。与此相关的,还有两个重要参数,充电时间和温度没有显示。

 

 

 

因此,选择脉冲充电优于持续恒流充电,具体选择占空比,则需要重点考虑电池温升和充电时间诉求。

 

参考文献

1 王飞,磷酸铁锂和三元材料与电容炭复合电极倍率性能研究;

2 程广明,电动汽车锂电池快速充电特性的研究;

3 何秋生,锂电池充电技术综述

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