锂电池充电原理 锂电池快速充电大揭秘

锂电池快速充电大揭秘

来源：动力电池技术

电动汽车时常会出现这样的介绍

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充电多快可以叫“快充”？

我们充电的基本诉求：

1）充电要快；

2）不要影响电芯寿命；

3）尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。

那么多快就可以叫快充了呢？并没有什么标准文献给出具体数值，我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。

下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补贴标准中，没有提及快充的要求。

从一般乘用车的宣传资料中，可以看到，大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头，拿出来宣传了，那么姑且认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充参考值。

按照这个思路，宣传15分钟充满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，相关方按照物理主体分，包括电池、充电机、配电设施。

我们讨论快充，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。

我们提到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。

按照特斯拉Model S85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V计算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。

从这里就可以看到，对于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

在国家标准中，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已经超出几十户居民的用电量。

因此，充电站都需要单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的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，可以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

之所以这节的题目叫做“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材料性质、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，我们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的方法。

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锂电池存在最优充电电流

1972 年美国科学家J.A. Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律，需要注意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生，显然这个条件与具体的反应类型有关。

但系统存在最优解的思想，却是放之四海而皆准的。

具体到锂电池，界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。

基于一些研究文献的结论，其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。

值得注意的是，锂电池的最大可接受充电电流的边界条件，除了需要考虑锂电池单体的因素，还需要考虑系统级别的因素，比如散热能力不同，系统的最大可接受充电电流是不同的。

然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。

马斯定理的公式描述：

I =I0*e^αt

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

现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。

如下图所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量；

如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。

对这个理论的阐述包含三个层次，是为马斯三定律：

①对于任何给定的放电电流， 蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比；

② 对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， 其最终的允许充电电流It （ 接受能力） 是各个放电率下的允许充电电流的总和。

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

按照自己的理解，充电接受能力就是在特定环境条件下，具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。

可以接受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。

进而理解一下三定律。第一定律，在电池放出一定电量以后，其充电接受能力与当前荷电量有关，荷电量越低，其充电接受能力越高。

第二定律，充电过程中，出现脉冲放电，有助于帮助电池提高实时的可接受电流值；

第三定律，充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。

如果马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电（下文中具体名称为Reflex 快速充电法）除了可以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方法的支撑。

而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电方法，即跟踪电池参数，使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化，使得在安全边界以内，充电效率达到最大化。

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常见快速充电方法

锂电池的充电方法有很多种，针对快速充电的要求，其主要方法包括脉冲充电、Reflex 充电，和智能充电。

不同的电池类型，其适用的充电方式也不完全相同，在方法这节不做具体区分。

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脉冲充电

这是来自文献中的一个脉冲充电方式，其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V以后，并在4.2V以上持续进行。

暂且不提其具体参数设置的合理性，不同类型电芯存在差异。

我们关注一下脉冲实施过程。

下面是脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

在恒流充电过程中以恒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（4.2 V）时，进入脉冲充电模式：用1 C 的脉冲电流间歇地对电池充电。

在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。

当电池电压下降到上限电压（4.2 V）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满。

在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。

与常规充电方法相比，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，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。

但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

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间歇充电法

锂电池间歇充电法包括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第一阶段，先采用较大电流值对电池充电，在电池电压达到截止电压V0时停止充电，此时电池电压急剧下降。

保持一段停充时间后，采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，以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值，充电结束。

变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下，采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流，即加快了充电过程，缩短了充电时间。

但是这种充电模式电路比较复杂、造价高，一般只有在大功率快充时才考虑采用。

2）变电压间歇充电

在变电流间歇充电法的基础上，有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程，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符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒压充电阶段，由于电压恒定，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

3）Reflex 快速充电法

Reflex 快速充电方法，又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。

该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3 个阶段。

它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

如上图 所示，在每个充电周期中，先采用2 C 的电流充电时间为10 s 的Tc，然后停充时间为0.5 s的Tr1，反向放电时间为1 s 的Td，停充时间为0.5 s 的Tr2，每个充电循环时间为12 s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。

4）智能充电法

智能充电是目前较先进的充电方法，如下图所示，其主要原理是应用du/dt 和di /dt 控制技术，通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。

这类智能方法，一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术，实现系统的自动优化。

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充电方式对充电速率影响的实验数据

文献比较了恒流充电方法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电过程中以恒定不变的电流对电池进行充电充。

恒流充电初期，可以有大电流充电，但随着时间的推移，极化电阻逐渐显现并增加，造成更多的能量转化成热量，消耗掉并使得电池温度逐渐上升。

恒流充电与脉冲充电的比较

脉冲充电方法，是以一段时间的充电之后，出现短暂的反向充电电流。

其基本形式如下图所示。充电过程中夹杂短暂的放电脉冲，起到去极化的作用，降低极化电阻在充电过程中造成的影响。

有研究专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取平均电流为１Ｃ，２Ｃ，３ Ｃ 和４Ｃ（Ｃ 为电池额定容量数值） ， 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，正脉冲时间为0.９ｓ， 负脉冲时间为０.１ｓ。

Ichav 为充电平均电流，Qin为充入电量；Qo为放出电量，η为效率。

从上表中的实验结果可以看到，恒流充电与脉冲充电效率近似，脉冲略低于恒流，但充入电池的总电量，脉冲方式明显多于恒流方式。

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间对充电快慢有，一定影响， 放电时间越长， 充电越慢；

保持相同平均电流充电时， 放电时间越长。

从下表可以看出，不同占空比对效率和充入电量有明确的影响趋势，但数值差异不是很大。

与此相关的，还有两个重要参数，充电时间和温度没有显示。

因此，选择脉冲充电优于持续恒流充电，具体选择占空比，则需要重点考虑电池温升和充电时间诉求。

来源：动力电池技术

锂电池是如何充放电的？

锂电池作为可充电池，可以重复多次使用。它的应用非常广泛，如我们日常生活中的手机内部电池、充电宝、电动车电池等。

那么，锂电池地如何充放电的呢？在回答这个问题之前，我们有必要先了解锂电池的结构以及锂的一些特性。

锂电池只要由三部分组成，如下图1-1所示，分别涂覆石墨的铜箔、涂覆锂化合物的铝箔和含有锂的有机盐的电解质。而锂电池的充放电其实就是锂离子与自由电子的往复移动。

图1-1

不同金属有不同的电化学势，所谓电化学势，简单来说，就是金属失去电子的趋势，如下图1-2所示给出的一些常见金属的电化学势，其中最容易失去电子的锂被用于锂离子电池。

显然，锂失去电子的倾向最高，而氟失去电子的倾向最小。这是因为锂的最外层只有一个电子，非常容易失去；而氟最外层有8个电子，非常稳定（原子的最外层最多只能有8个电子，1个时最活跃，8个时最稳定）。

图1-2

纯锂是一种高活性金属，放到水里直接沸腾，但锂的金属氧化物非常稳定，若我们以某种方式从这种金属氧化物中分离出一个锂原子，这个锂原子极不稳定，会瞬间形成一个锂离子和一个电子，如下图1-3所示。

图1-3

然而，正如上文所说，锂作为金属氧化物的一部分，处于金属氧化物中比处于这种锂原子游离的状态要稳定得多。所以，如果能为锂和金属氧化物之间的电子和锂离子流动提供两条不同的路径，锂原子会自动跑到金属氧化物部分，这个电子的路径就是外电路。

换言之，就像人一样，相对于漂泊不定的日子，我们都喜欢稳定的生活，锂也是同理，若能够依附其金属氧化物达到一种稳定的状态，它必是不喜欢以锂离子和电子的状态存在的。所以我们用电场力把锂从金属氧化物中提出来，然后又给它的离子和电子提供不同路径（撤去外电场），如下图1-4所示，它就会顺势回到氧化物中。

图1-4

实际的锂离子电池含有电解质和石墨，如下图1-5所示。其中石墨具有层状结构，因此分离的锂离子可以很容易地储存在那里。石墨和金属氧化物之间的电解质起到保护作用，它只允许锂离子通过，不允许电子通过。

图1-5

当外加电源（电场）时，由于异性相吸，电源的正极显然会从金属氧化物的锂原子中吸引电子，并推动这些电子沿外部电路流通，并到达石墨层。注意，这些电子不能流过电解质。

同时，带正电的锂离子也会被吸引到负极，并流过电解质，到达石墨层。此时石墨层就含有大量的锂离子和电子。其中这些离子和电子就是锂原子，但因为锂原子不稳定，所以就以锂离子和电子的形式存在。

一旦金属氧化物中的所有锂原子到达石墨层，电池就充满电。

此时，锂原子的不稳定状态就像山顶的小球一样，一旦移除电源，并连接负载，锂原子就会作为金属氧化物的一部分恢复到稳定状态。由于这种想要趋于稳定的趋势，电子锂通过负载回到氧化物，而锂离子穿过电解质回到氧化物，就像小球从山顶滑下来一样，最后锂离子和电子结合形成锂原子固定在其金属氧化物中。

图1-7

整个过程如图1-7所示，注意，石墨在锂离子电池的化学反应中没有发挥作用，它只是锂离子的存储介质。

如果由于某些异常情况导致电池内部温度升高，电解质干涸，此时锂离子和电子全部沿同一路径跑向氧化物，相当于阳极和阴极之间发生短路，这可能会导致火灾或爆炸。

为了避免以上这种情况，在电极之间放置了一层绝缘层，如下图1-8所示，称为隔板。由于其微孔，隔膜可渗透锂离子，但电子不能通过.

图1-8

在实际锂电池中，石墨和金属氧化物分别涂覆在铜箔和铝箔上，箔在这里充当集电器，并且可以很容易地从集电极中取出正极片和负极片，如下图1-9所示。其中铜箔引出负极，铝箔引出正极。

图1-9

锂的有机盐用作电解质，并将其涂覆在隔板片上，所有这三块板都围绕一个中央钢芯缠绕在圆柱体上，从而使锂电池更加紧凑。标准锂离子电池的电压在3-4.2伏之间。

以上就是锂离子电池的工作原理，显然，它的充放电过程其实就是锂离子和电子的往复运动过程，充电时，给电池施加电源，让锂离子和电子沿不同路径跑到石墨层，此时锂原子很不稳定；而放电就是给 电池施加负载，让锂离子和电子沿之前路径跑到金属氧化物侧，此时锂原子作为金属氧化物的一部分比较稳定。

你明白了吗？

(技成培训网原创，作者：杨思慧，未经授权不得转载，违者必究)

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