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锂离子电池快速充电的方法有什么呢?

钜大LARGE  |  点击量:802次  |  2021年02月02日  

锂离子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,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出现,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。具体到锂离子电池,界定其最大可接受电流的边界条件可以重新含义。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,锂离子电池的最大可接受充电电流的边界条件,除了要考虑锂离子电池单体的因素,还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。


现阶段对电池充电方法的研究重要是基于最佳充电曲线来开展的。如下图所示,假如充电电流超过这条最佳充电曲线,不但不能提高充电速率,而且会新增电池的析气量;假如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关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关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含义。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出现不应有的副反应,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。


假如马斯理论也适用于锂离子电池,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离子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


锂离子电池的充电方法有很多种,针对快速充电的要求,其重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。我们关注一下脉冲执行过程。


下面是脉冲充电曲线,重要包括三个阶段: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。


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