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锂电池和锂离子电池如何快速充电

钜大LARGE  |  点击量:1469次  |  2018年06月03日  

  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ModelS85D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。

  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(4.2V)时,进入脉冲充电模式:用1C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(4.2V)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。

  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。

  在每个充电周期中,先采用2C的电流充电时间为10s的Tc,然后停充时间为0.5s的Tr1,反向放电时间为1s的Td,停充时间为0.5s的Tr2,每个充电循环时间为12s。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。

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