鋰電池和鋰離子電池快速充電的方法是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-20 19:19
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充電多快可以叫“快充”？
我們充電的基本訴求：
1）充電要快；’
2）不要影響我電芯壽命；
3）盡量省錢(qián)，充電機(jī)放出來(lái)多少電，盡量都充到我的電池里。
那么多快就可以叫快充了呢？并沒(méi)有什么標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)給出具體數(shù)值，我們暫且參考知名度最高的補(bǔ)貼政策中提及的數(shù)值門(mén)檻?？梢钥吹?，快充的入門(mén)級(jí)是3C。實(shí)際上，在乘用車(chē)的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有提及快充的要求。從一般乘用車(chē)的宣傳資料中，可以看到，大家一般認(rèn)為30分鐘充滿(mǎn)80%已經(jīng)可以作為快充的噱頭，拿出來(lái)宣傳了，那么姑且認(rèn)為乘用車(chē)的1.6C就可以是入門(mén)級(jí)快充參考值。按照這個(gè)思路，宣傳15分鐘充滿(mǎn)80%的，相當(dāng)于3.2C。
快充的瓶頸在哪里？
在快充這個(gè)語(yǔ)境里，相關(guān)方按照物理主體分，包括電池、充電機(jī)、配電設(shè)施。
我們討論快充，直接的想到電池會(huì)不會(huì)有問(wèn)題。實(shí)際上，在電池有問(wèn)題之前，首先是充電機(jī)，配電線路的問(wèn)題。我們提到特斯拉的充電樁，其名曰超級(jí)充電樁，它的功率是120kW。按照特斯拉Model S85D的參數(shù)，96s75p，232.5Ah，最高403V計(jì)算，其1.6C對(duì)應(yīng)最大需求功率為149.9kW。從這里就可以看到，對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航純電動(dòng)車(chē)型，1.6C或者說(shuō)30分鐘充滿(mǎn)80%已經(jīng)對(duì)充電樁構(gòu)成考驗(yàn)。
在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，不允許在原來(lái)的居民用電網(wǎng)絡(luò)中直接直接設(shè)置充電站。1臺(tái)快充樁的用電功率就已經(jīng)超出幾十戶(hù)居民的用電量。因此，充電站都需要單獨(dú)設(shè)置10kV變壓器，而一個(gè)區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)并非都有余量增加更多的10kV變電站。
然后說(shuō)道電池。電池是否能夠承載1.6C或者3.2C的充電要求，可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度來(lái)看待。
宏觀上的快速充電理論
之所以這節(jié)的題目叫做“宏觀上的快速充電理論”，是因?yàn)橹苯記Q定電池快速充電能力的是鋰電池內(nèi)部正負(fù)極材料性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)，電解液成分、添加劑，隔膜性質(zhì)等等，這些微觀層面的內(nèi)容，我們暫時(shí)放在一邊，站在電池外邊，看鋰電池快速充電的方法。
鋰電池存在最優(yōu)充電電流
1972 年美國(guó)科學(xué)家J.A. Mas 提出蓄電池在充電過(guò)程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律，需要注意的是，這個(gè)理論是針對(duì)鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應(yīng)氣體的產(chǎn)生，顯然這個(gè)條件與具體的反應(yīng)類(lèi)型有關(guān)。
但系統(tǒng)存在最優(yōu)解的思想，卻是放之四海而皆準(zhǔn)的。具體到鋰電池，界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新定義。基于一些研究文獻(xiàn)的結(jié)論，其最優(yōu)值仍然是類(lèi)似馬斯定律的曲線趨勢(shì)。
值得注意的是，鋰電池的最大可接受充電電流的邊界條件，除了需要考慮鋰電池單體的因素，還需要考慮系統(tǒng)級(jí)別的因素，比如散熱能力不同，系統(tǒng)的最大可接受充電電流是不同的。然后我們暫且以這樣的基礎(chǔ)繼續(xù)向下討論。
馬斯定理的公式描述：
I =I0*e^αt
式中；I0為電池初始充電電流；α 為充電接受率；t 為充電時(shí)間。I0和α 的值與電池類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關(guān)。
現(xiàn)階段對(duì)電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來(lái)開(kāi)展的。如下圖所示，如果充電電流超過(guò)這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會(huì)增加電池的析氣量；如果小于此最佳充電曲線，雖然不會(huì)對(duì)電池造成傷害，但是會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，降低充電效率。
對(duì)這個(gè)理論的闡述包含三個(gè)層次，是為馬斯三定律：
①對(duì)于任何給定的放電電流， 蓄電池充電時(shí)的電流接受比α 與電池放出的容量平方根成反比；
② 對(duì)于任何給定的放電量，α與放電電流Iｄ 的對(duì)數(shù)成正比；
③蓄電池在以不同的放電率放電后， 其最終的允許充電電流It （ 接受能力） 是各個(gè)放電率下的允許充電電流的總和。
以上定理，也是充電接受能力這個(gè)概念的來(lái)源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈，沒(méi)有看到統(tǒng)一官方的定義。按照自己的理解，充電接受能力就是在特定環(huán)境條件下，具備一定荷電量的可充電電池充電的最大電流?？梢越邮艿暮x是不會(huì)產(chǎn)生不應(yīng)有的副反應(yīng)，不會(huì)對(duì)電芯的壽命和性能造成不良影響。
進(jìn)而理解一下三定律。第一定律，在電池放出一定電量以后，其充電接受能力與當(dāng)前荷電量有關(guān)，荷電量越低，其充電接受能力越高。第二定律，充電過(guò)程中，出現(xiàn)脈沖放電，有助于幫助電池提高實(shí)時(shí)的可接受電流值；第三定律，充電接受能力會(huì)受到充電時(shí)刻以前的充放電情況的疊加影響。
如果馬斯理論也適用于鋰電池，則反向脈沖充電（下文中具體名稱(chēng)為Reflex 快速充電法）除了可以用去極化的角度解釋其對(duì)溫升抑制有幫助以外，馬斯理論也作為對(duì)脈沖方法的支撐。而更進(jìn)一步的，真正將馬斯理論全盤(pán)運(yùn)用的，是智能充電方法，即跟蹤電池參數(shù)，使得充電電流值始終因循鋰電池的馬斯曲線變化，使得在安全邊界以?xún)?nèi)，充電效率達(dá)到最大化。
常見(jiàn)快速充電方法
鋰電池的充電方法有很多種，針對(duì)快速充電的要求，其主要方法包括脈沖充電、Reflex 充電，和智能充電。不同的電池類(lèi)型，其適用的充電方式也不完全相同，在方法這節(jié)不做具體區(qū)分。
脈沖充電
這是來(lái)自文獻(xiàn)中的一個(gè)脈沖充電方式，其脈沖階段設(shè)置在充電觸及上限電壓4.2V以后，并在4.2V以上持續(xù)進(jìn)行。暫且不提其具體參數(shù)設(shè)置的合理性，不同類(lèi)型電芯存在差異。我們關(guān)注一下脈沖實(shí)施過(guò)程。
下面是脈沖充電曲線，主要包括三個(gè)階段：預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。在恒流充電過(guò)程中以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到上限電壓（4.2 V）時(shí)，進(jìn)入脈沖充電模式：用1 C 的脈沖電流間歇地對(duì)電池充電。在恒定的充電時(shí)間Tc內(nèi)電池電壓會(huì)不斷升高，充電停止時(shí)電壓會(huì)慢慢下降。當(dāng)電池電壓下降到上限電壓（4.2 V）后，以同樣的電流值對(duì)電池充電，開(kāi)始下一個(gè)充電周期，如此循環(huán)充電直到電池充滿(mǎn)。
