鋰電池/快速充電技術(shù)
電動汽車時常會出現(xiàn)這樣的介紹：“快速充電,，半小時充電80%,，續(xù)航300公里,，完全解決你的里程焦慮！”快充,，商用車用來提升設備使用效率,，乘用車用來解決里程焦慮，不斷逼近“加一箱油”的時間,。大有成為標配的趨勢,。今天就一塊兒來挖一挖快充方法，捎帶挖一挖方法的由來,。
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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）不要影響電芯壽命,；
3）盡量省錢,，充電機放出來多少電，盡量都充到我的電池里,。
那么多快就可以叫快充了呢,？并沒有什么標準文獻給出具體數(shù)值，我們暫且參考知名度最高的補貼政策中提及的數(shù)值門檻,。
下表是新能源客車2017年補貼標準,。可以看到,，快充的入門級是3C,。實際上，在乘用車的補貼標準中，沒有提及快充的要求,。
從一般乘用車的宣傳資料中,，可以看到，大家一般認為30分鐘充滿80%已經(jīng)可以作為快充的噱頭,，拿出來宣傳了,，那么姑且認為乘用車的1.6C就可以是入門級快充參考值。
按照這個思路,，宣傳15分鐘充滿80%的,，相當于3.2C。
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快充的瓶頸在哪里,？
在快充這個語境里,，相關方按照物理主體分,，包括電池,、充電機、配電設施,。
我們討論快充,，直接的想到電池會不會有問題。
實際上,，在電池有問題之前,，首先是充電機，配電線路的問題,。
我們提到特斯拉的充電樁,，其名曰超級充電樁，它的功率是120kW,。
按照特斯拉Model S85D的參數(shù),，96s75p，232.5Ah,，最高403V計算,，其1.6C對應最大需求功率為149.9kW。
從這里就可以看到,，對于長續(xù)航純電動車型,，1.6C或者說30分鐘充滿80%已經(jīng)對充電樁構(gòu)成考驗。
在國家標準中,，不允許在原來的居民用電網(wǎng)絡中直接直接設置充電站,。1臺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,，充電站都需要單獨設置10kV變壓器,，而一個區(qū)域的配電網(wǎng)絡并非都有余量增加更多的10kV變電站。
然后說道電池。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角度來看待,。
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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”，是因為直接決定電池快速充電能力的是鋰電池內(nèi)部正負極材料性質(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，我們暫時放在一邊,，站在電池外邊,，看鋰電池快速充電的方法。
1鋰電池存在最優(yōu)充電電流
1972 年美國科學家J.A. Mas 提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律,，需要注意的是,，這個理論是針對鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應氣體的產(chǎn)生,，顯然這個條件與具體的反應類型有關,。
但系統(tǒng)存在最優(yōu)解的思想，卻是放之四海而皆準的,。
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。
基于一些研究文獻的結(jié)論,，其最優(yōu)值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢,。
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 為充電時間,。I0和α 的值與電池類型,、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關。
現(xiàn)階段對電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來開展的,。
如下圖所示,，如果充電電流超過這條最佳充電曲線,，不但不能提高充電速率，而且會增加電池的析氣量,；
如果小于此最佳充電曲線,，雖然不會對電池造成傷害，但是會延長充電時間,，降低充電效率,。
對這個理論的闡述包含三個層次，是為馬斯三定律：
①對于任何給定的放電電流,， 蓄電池充電時的電流接受比α 與電池放出的容量平方根成反比,；
② 對于任何給定的放電量，α與放電電流Iｄ 的對數(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概念的來源,。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈,，沒有看到統(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。
可以接受的含義是不會產(chǎn)生不應有的副反應,，不會對電芯的壽命和性能造成不良影響,。
進而理解一下三定律。第一定律,，在電池放出一定電量以后,，其充電接受能力與當前荷電量有關，荷電量越低,，其充電接受能力越高,。
第二定律，充電過程中,，出現(xiàn)脈沖放電,，有助于幫助電池提高實時的可接受電流值；
第三定律,，充電接受能力會受到充電時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溫升抑制有幫助以外,，馬斯理論也作為對脈沖方法的支撐,。
而更進一步的，真正將馬斯理論全盤運用的，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),，充電效率達到最大化,。
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常見快速充電方法
鋰電池的充電方法有很多種，針對快速充電的要求,，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,。
1脈沖充電
這是來自文獻中的一個脈沖充電方式,，其脈沖階段設置在充電觸及上限電壓4.2V以后，并在4.2V以上持續(xù)進行,。
暫且不提其具體參數(shù)設置的合理性,，不同類型電芯存在差異。
我們關注一下脈沖實施過程,。
下面是脈沖充電曲線,，主要包括三個階段：預充、恒流充電和脈沖充電,。
在恒流充電過程中以恒定電流對電池進行充電,，部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。
當電池電壓上升到上限電壓（4.2 V）時,，進入脈沖充電模式：用1 C 的脈沖電流間歇地對電池充電,。
在恒定的充電時間Tc內(nèi)電池電壓會不斷升高，充電停止時電壓會慢慢下降,。
當電池電壓下降到上限電壓（4.2 V）后,，以同樣的電流值對電池充電，開始下一個充電周期,，如此循環(huán)充電直到電池充滿,。
在脈沖充電過程中，電池電壓下降速度會漸漸減慢,，停充時間T0會變長,，當恒流充電占空比低至5%～10%時，認為電池已經(jīng)充滿,，終止充電,。
與常規(guī)充電方法相比,，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會被消除,，使下一輪的充電更加順利地進行,，充電速度快、溫度的變化小,、對電池壽命影響小,，因而目前被廣泛使用。
但其缺點很明顯：需要一個有限流功能的電源,，這增加了脈沖充電方式的成本,。
2間歇充電法
鋰電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。
1）變電流間歇充電法
變電流間歇充電法是由廈門大學陳體銜教授提出來的,，它的特點是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電,。
如下圖所示，變電流間歇充電法的第一階段,，先采用較大電流值對電池充電,，在電池電壓達到截止電壓V0時停止充電，此時電池電壓急劇下降,。
保持一段停充時間后,，采用減小的充電電流繼續(xù)充電。當電池電壓再次上升到截止電壓V0時停止充電,，如此往復數(shù)次（一般約為3～4 次）充電電流將減小設定的截止電流值,。
然后進入恒電壓充電階段，以恒定電壓對電池充電直到充電電流減小到下限值,，充電結(jié)束,。
變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下,，采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流,，即加快了充電過程，縮短了充電時間,。
但是這種充電模式電路比較復雜,、造價高，一般只有在大功率快充時才考慮采用,。
2）變電壓間歇充電
在變電流間歇充電法的基礎上,，有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過程,，將間歇恒流換成間歇恒壓,。
比較上面圖(a)和圖 (b)，可見恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線,。
在每個恒壓充電階段,，由于電壓恒定,，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點,。
3）Reflex 快速充電法
Reflex 快速充電方法,，又被稱為反射充電方法或“打嗝”充電方法。
該方法的每個工作周期包括正向充電,、反向瞬間放電和停充3 個階段,。
它在很大的程度上解決了電池極化現(xiàn)象，加快了充電速度,。但是反向放電會縮短鋰電池壽命,。
如上圖 所示，在每個充電周期中,，先采用2 C 的電流充電時間為10 s 的Tc,，然后停充時間為0.5 s的Tr1，反向放電時間為1 s 的Td,，停充時間為0.5 s 的Tr2,，每個充電循環(huán)時間為12 s。隨著充電的進行,，充電電流會逐漸變小,。
4）智能充電法
智能充電是目前較先進的充電方法，如下圖所示,，其主要原理是應用du/dt 和di /dt 控制技術(shù),，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態(tài)，動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流,，使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近,。
這類智能方法，一般結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制等先進算法技術(shù),，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動優(yōu)化,。
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充電方式對充電速率影響的實驗數(shù)據(jù)
文獻比較了恒流充電方法和一種反向脈沖充電。恒流充電就是整個充電過程中以恒定不變的電流對電池進行充電充,。
恒流充電初期,，可以有大電流充電，但隨著時間的推移,，極化電阻逐漸顯現(xiàn)并增加,，造成更多的能量轉(zhuǎn)化成熱量，消耗掉并使得電池溫度逐漸上升,。
恒流充電與脈沖充電的比較
脈沖充電方法,，是以一段時間的充電之后，出現(xiàn)短暫的反向充電電流,。
其基本形式如下圖所示,。充電過程中夾雜短暫的放電脈沖,，起到去極化的作用，降低極化電阻在充電過程中造成的影響,。
有研究專門對比了脈沖充電與恒流充電的效果差異性,。取平均電流為１Ｃ，２Ｃ,，３ Ｃ 和４Ｃ（Ｃ 為電池額定容量數(shù)值） ,， 分別做了４ 組對比實驗，通過電池充完后放出的電量來衡量實際充入的電量下,。
圖為充電電流為２Ｃ 時脈沖充電的電流及電池端電壓波形,。表１ 為恒流脈沖充電實驗數(shù)據(jù)。脈沖周期為１ｓ,，正脈沖時間為0.９ｓ,， 負脈沖時間為０.１ｓ。
Ichav 為充電平均電流,，Qin為充入電量,；Qo為放出電量，η為效率,。
從上表中的實驗結(jié)果可以看到,，恒流充電與脈沖充電效率近似，脈沖略低于恒流,，但充入電池的總電量,，脈沖方式明顯多于恒流方式。
不同脈沖占空比對脈沖充電的影響
脈沖充電中的負電流放電時間對充電快慢有,，一定影響,， 放電時間越長， 充電越慢,；
保持相同平均電流充電時,， 放電時間越長。
從下表可以看出,，不同占空比對效率和充入電量有明確的影響趨勢,，但數(shù)值差異不是很大。
與此相關的,，還有兩個重要參數(shù)，充電時間和溫度沒有顯示,。
因此,，選擇脈沖充電優(yōu)于持續(xù)恒流充電，具體選擇占空比,，則需要重點考慮電池溫升和充電時間訴求
