什么是快充？鋰電池的快充原理是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-19 13:38
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我們充電的基本訴求：
1）充電要快；’
2）不要影響電芯壽命；
3）盡量省錢，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)值門檻。下表是新能源客車2017年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥吹?，快充的入門級(jí)是3C。實(shí)際上，在乘用車的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有提及快充的要求。從一般乘用車的宣傳資料中，可以看到，大家一般認(rèn)為30分鐘充滿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)為乘用車的1.6C就可以是入門級(jí)快充參考值。按照這個(gè)思路，宣傳15分鐘充滿80%的，相當(dāng)于3.2C。
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)車型，1.6C或者說(shuō)30分鐘充滿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。
負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池充電的關(guān)鍵參數(shù)（例如電池充電電流、電池當(dāng)前電壓、電池溫度），根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的電池充電算法，調(diào)節(jié)如充電電流等參數(shù)，或者關(guān)斷充電。手機(jī)充電電路的測(cè)量和反饋控制部分，通常可以通過(guò)軟件編程來(lái)調(diào)節(jié)某些參數(shù)。甚至有些手機(jī)充電的測(cè)量、反饋控制部分大部分功能都是由軟件來(lái)完成。大多數(shù)手機(jī)對(duì)鋰電池充電的控制算法都是基于恒流——恒壓過(guò)程或者其變種。恒流恒壓充電的過(guò)程，大體上是這樣的，首先在電池低于其充電限制電壓（以往手機(jī)是4.2v，現(xiàn)在常見(jiàn)4.35V，偶見(jiàn)4.40V）時(shí)，以一個(gè)恒定電流對(duì)電池充電。
這個(gè)恒定電流的大小與電池容量的比值（稱為充電電流倍率）與手機(jī)電池充電速度關(guān)系密切。要提高手機(jī)的充電速度，提高充電電流倍率是一個(gè)有效的手段。但是手機(jī)電池對(duì)充電電流倍率的接受能力有限，過(guò)大的充電電流倍率會(huì)導(dǎo)致手機(jī)電池的循環(huán)衰減增加，甚至有可能導(dǎo)致電池安全問(wèn)題。目前大多數(shù)手機(jī)電池可以接受0.5-1倍的充電電流倍率。比如對(duì)3000mAh的手機(jī)電池，0.5-1倍的充電電流倍率就對(duì)應(yīng)著1500mA-3000mA的充電電流。通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和配方，可以讓電池接受更大的充電電流倍率。就目前的情況來(lái)看，手機(jī)電池的充電電流倍率上限通常不是手機(jī)充電速度的瓶頸。
當(dāng)電池通過(guò)恒定電流充電達(dá)到電池的充電限制電壓后，通過(guò)逐漸減小充電電流來(lái)維持這個(gè)充電限制電壓不變。因?yàn)殇囯x子電池電壓除了隨電池充滿度提高而上升外，充電電流越大，電池的電壓也越高，因此在充滿度不斷提高的情況下，減小充電電流可以讓電池電壓維持恒定，這就是恒壓過(guò)程。當(dāng)充電電流減小到預(yù)定值后，充電電流會(huì)關(guān)斷，充電即告完成。
2、電壓電流變換部分
這部分電路的功能是將從手機(jī)充電端口得到的電能，在測(cè)量、反饋控制部分的控制下，轉(zhuǎn)換為電池的充電電流。由于手機(jī)充電端口輸入的電壓通常是5V、9V之類的電壓，與電池電壓（3.0V-4.35V，隨電量和充電電流發(fā)生變化）并不匹配，因此需要進(jìn)行變換。正是由于這個(gè)變換過(guò)程，高電壓充電影響電池壽命這個(gè)說(shuō)法才是非?；闹嚨摹Ｒ?yàn)闆Q定手機(jī)電池充電電壓、電流的是測(cè)量、反饋控制部分預(yù)先設(shè)定好的充電程序。輸入電壓高一點(diǎn)或者低一點(diǎn)，只要還在電壓電流變換部分允許的范圍內(nèi)，都會(huì)由電壓電流變換部分變換成程序設(shè)定好的值。
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?；谝恍┭芯课墨I(xiàn)的結(jié)論，其最優(yōu)值仍然是類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。
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，使得在安全邊界以內(nèi)，充電效率達(dá)到最大化。
