锂电池快充原理跟来历

电动汽车经常会呈现这样的介绍：“快速充电，半小时充电80%，续航300公里，彻底处理你的路程焦虑！”快充，商用车用来提升设备运用功率，乘用车用来处理路程焦虑，不断迫临“加一箱油”的时刻。大有成为标配的趋势。今日就一块儿来挖一挖快充办法，捎带挖一挖办法的由来。

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充电多快能够叫“快充”？

咱们充电的基本诉求：

1）充电要快；

2）不要影响电芯寿数；

3）尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。

那么多快就能够叫快充了呢？并没有什么规范文献给出详细数值，咱们暂时参考知名度最高的补助方针中提及的数值门槛。

下表是新能源客车2017年补助规范。能够看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补助规范中，没有提及快充的要求。

从一般乘用车的宣扬资料中，能够看到，大家一般以为30分钟充溢80%现已能够作为快充的噱头，拿出来宣扬了，那么权且以为乘用车的1.6C就能够是入门级快充参考值。

依照这个思路，宣扬15分钟充溢80%的，相当于3.2C。

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快充的瓶颈在哪里？

在快充这个语境里，相关方依照物理主体分，包含电池、充电机、配电设施。

咱们评论快充，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。

咱们说到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。

依照特斯拉ModelS85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V核算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。

从这儿就能够看到，关于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充溢80%现已对充电桩构成考验。

在国家规范中，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现已超出几十户居民的用电量。

因而，充电站都需求单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量添加更多的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，能够从宏观和微观两个角度来看待。

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宏观上的快速充电理论

之所以这节的标题叫做“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资料性质、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，咱们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的办法。

1锂电池存在最优充电电流

1972年美国科学家J.A.Mas提出蓄电池在充电进程中存在最佳充电曲线和他的马斯三规则，需求留意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可承受充电电流的鸿沟条件是少数副反应气体的产生，显着这个条件与详细的反应类型有关。

但体系存在最优解的思维，却是放之四海而皆准的。

详细到锂电池，界定其最大可承受电流的鸿沟条件能够重新界说。

根据一些研讨文献的定论，其最优值仍然是类似马斯规则的曲线趋势。

值得留意的是，锂电池的最大可承受充电电流的鸿沟条件，除了需求考虑锂电池单体的要素，还需求考虑体系等级的要素，比方散热能力不同，体系的最大可承受充电电流是不同的。

然后咱们暂时以这样的根底继续向下评论。

马斯定理的公式描绘：

I=I0*e^αt

式中；I0为电池初始充电电流；α为充电承受率；t为充电时刻。I0和α的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

现阶段对电池充电办法的研讨首要是根据最佳充电曲线来展开的。

如下图所示，假如充电电流超越这条最佳充电曲线，不光不能进步充电速率，而且会添加电池的析气量；

假如小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池形成损伤，可是会延长充电时刻，下降充电功率。

对这个理论的论述包含三个层次，是为马斯三规则：

①关于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流承受比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，其终究的允许充电电流It（承受能力）是各个放电率下的允许充电电流的总和。

以上定理，也是充电承受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电承受能力。找了一圈，没有看到统一官方的界说。

依照自己的理解，充电承受能力就是在特定环境条件下，具备必定荷电量的可充电电池充电的最大电流。

能够承受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿数和功能形成不良影响。

从而理解一下三规则。榜首规则，在电池放出必定电量今后，其充电承受能力与当时荷电量有关，荷电量越低，其充电承受能力越高。

第二规则，充电进程中，呈现脉冲放电，有助于帮助电池进步实时的可承受电流值；

第三规则，充电承受能力会受到充电时刻以前的充放电状况的叠加影响。

假如马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电（下文中详细名称为Reflex快速充电法）除了能够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办法的支撑。

而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电办法，即盯梢电池参数，使得充电电流值始终沿袭锂电池的马斯曲线改变，使得在安全鸿沟以内，充电功率到达最大化。

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常见快速充电办法

锂电池的充电办法有很多种，针对快速充电的要求，其首要办法包含脉冲充电、Reflex充电，和智能充电。

不同的电池类型，其适用的充电办法也不彻底相同，在办法这节不做详细区分。

1脉冲充电

这是来自文献中的一个脉冲充电办法，其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V今后，并在4.2V以上继续进行。

暂时不提其详细参数设置的合理性，不同类型电芯存在差异。

咱们关注一下脉冲实施进程。

下面是脉冲充电曲线，首要包含三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

在恒流充电进程中以稳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。

在稳定的充电时刻Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会渐渐下降。

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溢。

在脉冲充电进程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时刻T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，以为电池现已充溢，停止充电。

与常规充电办法相比，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，使下一轮的充电愈加顺畅地进行，充电速度快、温度的改变小、对电池寿数影响小，因而现在被广泛运用。

但其缺陷很显着：需求一个有限流功能的电源，这添加了脉冲充电办法的本钱。

2间歇充电法

锂电池间歇充电法包含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。

如下图所示，变电流间歇充电法的榜首阶段，先选用较大电流值对电池充电，在电池电压到达截止电压V0时停止充电，此刻电池电压急剧下降。

保持一段停充时刻后，选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，以稳定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值，充电完毕。

变电流间歇充电法的主充阶段在限制充电电压条件下，选用了电流逐步减小的间歇办法加大了充电电流，即加快了充电进程，缩短了充电时刻。

可是这种充电模式电路比较复杂、造价高，一般只要在大功率快充时才考虑选用。

2）变电压间歇充电

在变电流间歇充电法的根底上，有人又研讨了变电压间歇充电法。两者的差异就在于榜首阶段的充电进程，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契合最佳充电的充电曲线。

在每个恒压充电阶段，因为电压稳定，充电电流天然依照指数规则下降，契合电池电流可承受率随着充电的进行逐步下降的特点。

3）Reflex快速充电法

Reflex快速充电办法，又被称为反射充电办法或“打嗝”充电办法。

该办法的每个作业周期包含正向充电、反向瞬间放电和停充3个阶段。

它在很大的程度上处理了电池极化现象，加快了充电速度。可是反向放电会缩短锂电池寿数。

如上图所示，在每个充电周期中，先选用2C的电流充电时刻为10s的Tc，然后停充时刻为0.5s的Tr1，反向放电时刻为1s的Td，停充时刻为0.5s的Tr2，每个充电循环时刻为12s。随着充电的进行，充电电流会逐步变小。

4）智能充电法

智能充电是现在较先进的充电办法，如下图所示，其首要原理是使用du/dt和di/dt控制技术，通过查看电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态盯梢电池可承受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可承受的最大充电曲线附近。

这类智能办法，一般结合神经网络和含糊控制等先进算法技术，完成体系的自动优化。

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充电办法对充电速率影响的实验数据

文献比较了恒流充电办法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电进程中以稳定不变的电流对电池进行充电充。

恒流充电初期，能够有大电流充电，但随着时刻的推移，极化电阻逐步显现并添加，形成更多的能量转化成热量，消耗掉并使得电池温度逐步上升。

恒流充电与脉冲充电的比较

脉冲充电办法，是以一段时刻的充电之后，呈现时刻短的反向充电电流。

其基本形式如下图所示。充电进程中夹杂时刻短的放电脉冲，起到去极化的效果，下降极化电阻在充电进程中形成的影响。

有研讨专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取均匀电流为１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ和４Ｃ（Ｃ为电池额外容量数值），分别做了４组对比实验，通过电池充完后放出的电量来衡量实际充入的电量下。

图为充电电流为２Ｃ时脉冲充电的电流及电池端电压波形。表１为恒流脉冲充电实验数据。脉冲周期为１ｓ，正脉冲时刻为0.９ｓ，负脉冲时刻为０.１ｓ。

Ichav为充电均匀电流，Qin为充入电量；Qo为放出电量，η为功率。

从上表中的实验结果能够看到，恒流充电与脉冲充电功率近似，脉冲略低于恒流，但充入电池的总电量，脉冲办法显着多于恒流办法。

不同脉冲占空比对脉冲充电的影响

脉冲充电中的负电流放电时刻对充电快慢有，必定影响，放电时刻越长，充电越慢；

保持相同均匀电流充电时，放电时刻越长。

从下表能够看出，不同占空比对功率和充入电量有清晰的影响趋势，但数值差异不是很大。

与此相关的，还有两个重要参数，充电时刻和温度没有显示。

因而，挑选脉冲充电优于继续恒流充电，详细挑选占空比，则需求重点考虑电池温升和充电时刻诉求。