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CATL的快充,锂电池快充技术大揭秘

来源:钜大LARGE    2018-04-16    点击量:1188

  什么是快充技术?快充技术的原理是什么?技术难点在哪里?今天小编非常荣幸邀请到CATL“快充王”王博为大家讲解快充技术。


  王博,国内研究锂电池快充技术第一人,拥有长达八年的快充技术研发经验。当你看到“充电5分钟,通话两小时”的时候,你就想起王博的会心一笑。


  要理解快充,一个专业术语是逃脱不掉的。C!C是什么?C指的是充电倍率,可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。


  举个例子,1C的电流,从满电到放电完全是用1/1=1小时;2C=1/2小时,也就是30分钟;4C,则耗时15分钟。


  快充和慢充是相对的概念。业界普遍认为,电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式,也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。


  如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就像优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。


  充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。


  快充时,锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极的快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。


  所以,锂电池快充的技术的核心就是在不影响电芯寿命和可靠性的前提下,通过化学体系和设计优化,加速锂离子在正负极移动的速度。


  锂离子在正/负极的扩散和移动,跟百米赛跑一样。我们希望跑道要足够的宽,不要相互拥挤。如何拓宽通道呢?


  为此,在负极石墨表面,CATL采用了“快离子环”技术,相当于在石墨表面打造一圈高速跑道,极大地加快锂离子在石墨层的嵌入,修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性。



  快充时负极不再出现副产物,大大提高锂离子在石墨层的嵌入速度,使其具备4-5C快充能力,实现10-15分钟快速充电。


  另外,电池内部的散热速率,也是影响倍率性能的一个重要因素。如果散热速率慢,大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去,会影响锂离子电池的可靠性和寿命。


  CATL当前开发的快充产品,搭载自主研发的热管理系统,能充分识别固定化学体系在不同温度和SOC下的“健康充电区间”,极大拓宽锂电池的运营温度区间。


  遇到南方酷暑的夏天时,电池系统自动发出降温需求,启动水冷系统给电芯降温,真正做到“全气候”的快充。


  当电池处于北方寒冷的冬天时,水热系统在低温下为电芯加热,待电芯温度达到要求,即开启快充模式。


  目前,CATL超级铁锂快充产品已经批量应用在商用车领域,可实现10分钟内充满85%,循环寿命高达10000次以上。已有2600余台搭载CATL超级快充产品的电动大巴在市场上运行,运行状态良好,得到了整车企业和公交用户的好评。


  乘用车的快充技术也能实现350公里续航、15分钟内完成充电。目前多家乘用车企业正与CATL开展快充产品研发合作。


  不过,对于大功率快充的普及,眼下还存在着诸多困难还须产业链上下游众志成城一一攻破。


  01


  基础设施的影响


  快充的功率可达350kW,这对现有电网瞬时负担很大,可能会影响电网的稳定性,同时由于基础设施的设计及铺设的滞后可能对快充的推广带来一定的影响。


  标准化及电压功率等级


  02


  一般来说,快充采用的为直流充电,基本上都是公共设施,这样,不同的厂家应采用相同的充电协议及标准,这样才能使得公共设施更好的通用。


  03


  电气系统的挑战


  随着电池电压的升高,对车载的电力电子的功率器件是新的挑战,技术的限制,只有部分国外的厂商能提供相关的产品,这对专利及整车的成本上均是挑战。


  充电时的热管理的挑战


  04


  快速充电的电流大,电池及充电系统的发热量大,对车辆的热管理系统是一个很大的挑战,提高热管理的效率,探索直接冷却在车上的使用及非车载冷却系统等均是可能的挑战。


  这些快充小知识你得收下


  快充伤电池有没有科学依据?


  伤害的后果是什么?


  每一个相同设计的电池,都存在着“健康充电区间”,而快充电池的化学体系是经过特殊优化的,其“健康充电区间”比慢充电池的大,所能承受的充电电流自然比慢充电池要大。


  因此,如果使用经过体系优化的快充电池,其寿命是不会受到影响的。但是,如果强制将慢充电池当作快充电池使用的话,由于充电电流超过了慢充电池的健康充电区间,电池会受到比较大的伤害,寿命就会大大缩短。


  CATL经过多年研究发现,健康充电区间跟两个因素相关,一个是温度,一个是SOC,(荷电状态,电压的高低)。所以只要识别每一个电池的健康充电区间,在范围内进行快充。既可以实现快速充电,又不会伤害它。


  使用快充的频次


  这并没有严格的限制,取决于用户应用场景。出租车公司购买了电动汽车,将电动汽车作为生产资料,对充电的速度有严格的需求,所以上不封顶。出租车用户平均每天充电一到两次,白天快充,晚上慢充。这样既可以满足出租车运营需求,晚上慢充对快充循环也有帮助,同时还能利用峰谷价差。


  私家车主每日的行驶里程在50公里以内,一般使用慢充。快充对私家车主来说,一般是以应急充电为主。


  吃饭要吃八分饱


  快充充到80%是不是对电池的伤害小?


  电池有个有效容积,一般达到了95%就达到了有效容积。如果每次都让电池充满,电池会处于一个满负荷的工作状态,长此以往电池会很疲惫。对于快充最后涓流的部分可以不要,因为充电到最后时电流会很小,由于不是恒压,此时的电压还会很大,因此最后充电的效率很低,不如每次只让电池吃到八分饱。这样反而电池会处于一个很健康的状态,这和人吃饭是一个道理。


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