动力电池生产厂商解析如何实现锂电池的快速充电
2020-09-02 16:45 ryder
动力电池生产厂商解析如何实现锂电池的快速充电，随着电气时代的到来，电子产品在人们生活中越来越不可或缺；随着人们生活节奏地不断加快，对时间效益的要求 越来越高。电池作为电子设备的能量供应源，其自身存在的 问题也日益得到人们的关注。目前电池种类中使用最为广泛 的当数锂离子电池，锂离子电池工作电压稳定、体积小、储 能大、无记忆效应、自放电低且安全环保，符合现代科技发 展新理念，是电子设备的理想动力源。电动汽车（EV）作为 较大型的耗电设备，相比汽油车有许多优点，如没有尾管空 气污染物，少噪声污染，简单机械结构，高能量效率和减少废热等。电池的运行成本和使用寿命严重影响电动汽车的使 用和普及。同时电动自行车和电动摩托车的市场需求越来越多。因此，减少电池的充电时间，提高电池的能量效率, 是目前研究的重点。电动车电池充电时间通常很长，而常规汽油车可以在（5-10） min甚至更少时间内加油，所以，与 常规汽油车相比消费者觉得不方便。很明显，锂离子电池充 电电流越高，其充电速度越快，但同时电池的安全性能越差。 过充、过热或短路充电都将可能引起锂离子电池自燃、甚至 爆炸。恒流恒压（CC-CV）充电方法，使锂电池能够在（2~4） h内完成充电。虽然这种方法可以避免过充电、并且能获得几 乎全部的电池容量，但会造成充电时间的增加，对于快速充 电是不合适的。针对电池充电的快速及安全问题，近年来国 内外许多学者耗费大量人力物力，从快速、高效和不损伤电 池的角度，对锂电池展开了深入的研究。锂电池的充电方式 有了决定性的进展算，从而出现了锂电池快速充电方法"叫。 本文对目前电池常用的的充电方法进行了归纳总结，并在此 基础上提出了一种快速充电方法。
动力电池生产厂商解析如何实现锂电池的快速充电？
1传统充电方法
1.1恒流（CC）充电法
恒流充电，指的是用大小恒定的电流对电池进行充电。充 电过程中，通过调节电源充电电压值或充电电路中的电阻值， 来确保电池的充电电流恒定。此方法控制简单，操作方便，可 任意选取充电电流，适应性强，尤其适合蓄电池容量恢复的小 电流长时间充电。但实际上电池所能接受的充电电流随充电进 行呈现逐渐减小的趋势，若初始时刻电流过小，则充电时间较 长，若充电电流较大，容易导致电池内部析气，导致电池无法 充满，降低充电效率，且引起电池内部极板上活性物质脱落， 电池温度急剧上升，严重影响电池使用寿命。因此，此方法现 已很少单独使用，常常作为阶段充电的一个环节。
1.2恒压（CV）充电法
恒压充电，指的是用大小恒定的电压对电池进行充电。 充电过程中保持充电电压恒定，充电电流随电池荷电容量的 变化进行自动调整。恒压充电方式操作简单，无需改变外围 电源或电阻，只需设定一个电压值，较易实现，但适当地选 取充电电压值则相对困难，充电电压过高将导致初始充电电 流过大而损伤电池，电压过低则电池充电速度跟不上且可能 导致电池充电不足，长期如此会使其固有容量下降，使用寿 命缩短。与恒流充电法一样，恒压充电方法也很少单独使用。
1.3恒流恒压（CC-CV ）充电方法
结合以上两种充电方式，产生了恒流恒压充电方式旳， 如图1所示。整个充电过程分为3个部分：第一阶段为预充 区，即在充电之前对电池电压进行检测，若低于其阈值电压 2.5V（若高于2.5V,则直接进入恒流充电阶段），则以小电流 （C/10 ）对电池进行预充电，避免突然的大电流对电池造成伤 害，电池电压逐渐上升至阈值电压后，进入恒流充电区；恒 流充电电流较大，一般为0.5C到1C区间，充电速度较快， 电池容量短时间内将充至总容量的80%以上；当电池电压达 到其上限电压（4.2V）,结束恒流充电，转入恒压充电区，电 池电压恒定在4.2V,当充电电流缓慢减小到0.1C以下时，即 停止充电。恒流恒压充电方法同时克服了恒流充电和恒压充 电的缺陷，是目前比较主流的充电方式，但其充电速度并不快。
2快速充电方法
2.1分段恒流充电方法
分段恒流充电方法即以阶段性的恒定电流对电池进行充 电。充电初期，施加较大电流对电池充电，短时充入较大容量， 当电池端电压升至预定值％时，减小充电电流转入下一恒流 阶段，直到充电电流减小为0,完成充电。分段恒流充电方法， 更符合电池实际充电过程中充电电流变化情况。
2.2脉冲充电方法
科学家马斯在大量实验数据及现象的基础上，提出了充 电状态下的锂电池能够承受的最大充电电流曲线，如图3所示。 随着充电的进行，最大可接受充电电流逐渐减小，当充电电 流在最大可接受充电曲线上侧时，电池析气量增加，正极析 出氧气，负极析出氢气，极化反应加重；当充电电流在最大 可接受电流曲线下侧时，避免了对电池造成损害，但是充电 速度过慢，不能满足快速充电要求。
电池可接受充电电流随充电进行而逐渐减小，针对这一 现象，学者们提出了脉冲占空比逐渐减小的脉冲充电法[7'9], 如图4所示。充电初期电池以恒流方式充电，当其端电压逐 渐上升到预定值％时断开充电，经Af时间后变为脉冲充电 方式，电流幅值为妇当电池端电压上升至0时，再次断电 A"再以同样幅值的脉冲电流对电池进行循环充电，电池电 压下降速度减慢。在停充时间Al固定不变的情况下，脉冲电 流宽度减小，充电电流占空比减小，当占空比低于10%时， 充电完成。
动力电池生产厂商解析如何实现锂电池的快速充电？
1传统充电方法
1.1恒流（CC）充电法
恒流充电，指的是用大小恒定的电流对电池进行充电。充 电过程中，通过调节电源充电电压值或充电电路中的电阻值， 来确保电池的充电电流恒定。此方法控制简单，操作方便，可 任意选取充电电流，适应性强，尤其适合蓄电池容量恢复的小 电流长时间充电。但实际上电池所能接受的充电电流随充电进 行呈现逐渐减小的趋势，若初始时刻电流过小，则充电时间较 长，若充电电流较大，容易导致电池内部析气，导致电池无法 充满，降低充电效率，且引起电池内部极板上活性物质脱落， 电池温度急剧上升，严重影响电池使用寿命。因此，此方法现 已很少单独使用，常常作为阶段充电的一个环节。
1.2恒压（CV）充电法
恒压充电，指的是用大小恒定的电压对电池进行充电。 充电过程中保持充电电压恒定，充电电流随电池荷电容量的 变化进行自动调整。恒压充电方式操作简单，无需改变外围 电源或电阻，只需设定一个电压值，较易实现，但适当地选 取充电电压值则相对困难，充电电压过高将导致初始充电电 流过大而损伤电池，电压过低则电池充电速度跟不上且可能 导致电池充电不足，长期如此会使其固有容量下降，使用寿 命缩短。与恒流充电法一样，恒压充电方法也很少单独使用。
1.3恒流恒压（CC-CV ）充电方法
结合以上两种充电方式，产生了恒流恒压充电方式旳， 如图1所示。整个充电过程分为3个部分：第一阶段为预充 区，即在充电之前对电池电压进行检测，若低于其阈值电压 2.5V（若高于2.5V,则直接进入恒流充电阶段），则以小电流 （C/10 ）对电池进行预充电，避免突然的大电流对电池造成伤 害，电池电压逐渐上升至阈值电压后，进入恒流充电区；恒 流充电电流较大，一般为0.5C到1C区间，充电速度较快， 电池容量短时间内将充至总容量的80%以上；当电池电压达 到其上限电压（4.2V）,结束恒流充电，转入恒压充电区，电 池电压恒定在4.2V,当充电电流缓慢减小到0.1C以下时，即 停止充电。恒流恒压充电方法同时克服了恒流充电和恒压充 电的缺陷，是目前比较主流的充电方式，但其充电速度并不快。
2快速充电方法
2.1分段恒流充电方法
分段恒流充电方法即以阶段性的恒定电流对电池进行充 电。充电初期，施加较大电流对电池充电，短时充入较大容量， 当电池端电压升至预定值％时，减小充电电流转入下一恒流 阶段，直到充电电流减小为0,完成充电。分段恒流充电方法， 更符合电池实际充电过程中充电电流变化情况。
2.2脉冲充电方法
科学家马斯在大量实验数据及现象的基础上，提出了充 电状态下的锂电池能够承受的最大充电电流曲线，如图3所示。 随着充电的进行，最大可接受充电电流逐渐减小，当充电电 流在最大可接受充电曲线上侧时，电池析气量增加，正极析 出氧气，负极析出氢气，极化反应加重；当充电电流在最大 可接受电流曲线下侧时，避免了对电池造成损害，但是充电 速度过慢，不能满足快速充电要求。
电池可接受充电电流随充电进行而逐渐减小，针对这一 现象，学者们提出了脉冲占空比逐渐减小的脉冲充电法[7'9], 如图4所示。充电初期电池以恒流方式充电，当其端电压逐 渐上升到预定值％时断开充电，经Af时间后变为脉冲充电 方式，电流幅值为妇当电池端电压上升至0时，再次断电 A"再以同样幅值的脉冲电流对电池进行循环充电，电池电 压下降速度减慢。在停充时间Al固定不变的情况下，脉冲电 流宽度减小，充电电流占空比减小，当占空比低于10%时， 充电完成。
2.3负脉冲充电方式
随着充电的发生，电池内部极化效应逐渐严重，将大大 降低充电效率。而适时暂停充电，使充电电流突变为零，可 瞬间消除欧姆极化效应，并且由于电解液的扩散作用，也可 适当降低浓差极化和电化学极化，这种方式称为自然去极化 四。比自然去极化更有效的方式是强制去极化，即在正向充电 过程中，增加一个逆向充电电流，适当地对电池进行瞬时深 度放电，使电池内部产生化学逆变化，从而抑制极化。这种 方法即为负脉冲充电方式皿，如图5所示。
2.4间歇充电方式
间歇充电方法将恒流充电、恒压充电和脉冲充电的特点 结合起来，在充电过程中加入短时停充，可以极大缓解电池 极化效应。间歇充电法按形式划分为变电流间歇充电法和变 电压间歇充电法，分别如图6 (a)、图6 (b)所示。
变电流间歇充电方法，先以较大初始电流对电池进行充 电，短时间内为电池充入大部分电量，当电池端电压值达到 预设电压时，短暂断开充电，再逐级减小充电电流对电池进 行循环充电，直到充电完成。
变电压间歇充电方法，以初始高电压对电池进行充电， 并依次减小充电电压，充电电流随之自动减小。变电压间歇 充电法操作简单，只需控制充电电压即可。
由于充电电流的限制以及极化效应的影响，恒流充电、 恒压充电以及恒流恒压充电方法在大电流充电的情况下，极 化效应严重，充电速度变慢，充电容量不足，在实际生活中 很少使用。而变电流间歇充电方法，则利用短暂的放电间隙 大大减弱了极化作用，缩短了充电时间。本文在以上分析的 基础上，采用分段恒流结合大电流脉冲充电的方式，对锂电 池组快速充电方法进行研究，并在Matlab/Simulink中对分段 恒流结合脉冲充电方式进行仿真。
3结束语
本文综合分析比较了几种充电方法的优缺点，在大量实 验的基础上提出了分段恒流结合脉冲充电方法，此方法能够 在安全无害的情况下，削弱极化效应，缩短充电时间，达到 快速充电的目的。
| 充电方式 | 充电时间(h) | 电池端电压(V) | 结束SOC |
| 恒流恒压充电 | 2.4 | 4.158 | 0.994 |
| 分段恒流充电 | 1.85 | 4.155 | 0.995 |
| 脉冲充电 | 1.71 | 4.168 | 0.997 |
| 分段恒流结合脉冲充电 | 1.33 | 4.21 | 0.998 |
分析表1可知，分段恒流结合脉冲充电方法极大地减弱 了极化效应，虽然能够快速进行充电，但充电完成时电池端 电压却没有受到影响，电池荷电容量也有所增加。分段恒流 结合脉冲充电方法，作到了在不损伤电池的前提下有效缩短 充电时间，大大提高充电效率。
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