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鋰電池和18650鋰電池能不能快速充電,四種充電方式講解
電動汽車和電動車電池的使用壽命是消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一,因此循環(huán)壽命也是動力鋰電池的一個非常重要的考核指標(biāo)。鋰電池的循環(huán)壽命與正負(fù)極材料、電解液的選擇對于循環(huán)壽命影響最大,其次是鋰電池的使用策略,例如充放電制度、工作溫度等都會對鋰電池的循環(huán)壽命產(chǎn)生顯著的影響。
德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Peter Keil和Andreas Jossen針對充電策略對不同種類的功率型18650鋰電池循環(huán)的影響進(jìn)行了分析,下面是鋰電池四種充電策略的詳細(xì)講解:
1、恒流恒壓(CCCV)
恒流恒壓充電是最為常見也是最為普通的充電方式,充電開始的階段采用恒流充電的模式對鋰電池進(jìn)行充電,當(dāng)達(dá)到設(shè)置電壓后轉(zhuǎn)而控制電壓不變而不斷降低充電電流直到電流達(dá)到設(shè)置值或者時間達(dá)到設(shè)定值(如下圖a所示)。這種充電策略充電時間主要受到恒流充電電流Icc大小的影響,充電容量則主要受到充電截止電壓Vch和恒壓充電截止電流Iend的影響,而相關(guān)的研究也表明高的充電截止電壓Vch和大的充電電流Icc會導(dǎo)致鋰電池的壽命顯著劣化。
2、多步恒流充電法(MSCC)
在這種充電策略中不再使用恒壓充電,而是采用了多步的充電電流遞減的恒流充電策略,例如采用I1恒流充電到截止電壓后,繼續(xù)采用更小的電流I2充電到截止電壓,依次類推直到電流降低到最終截止電流(如下圖b所示)。
3、脈沖充電法(PC)
這種充電方法可以在一些相關(guān)的文獻(xiàn)報道中發(fā)現(xiàn),在這種充電策略中充電的過程中可能會采用一系列的調(diào)整充電電流甚至是充電方向(放電)的短時間脈沖構(gòu)成,常見的脈沖充電策略有兩種,一種是僅將CCCV充電中的恒壓充電部分替換為脈沖充電(如下圖c所示),另外一種是將整個過程都替換為脈沖充電(如下圖d所示)。
4、加速充電(BC)
所謂的加速充電模式是在CCCV充電模式的基礎(chǔ)上增加了一個大電流的CC或者恒功率充電過程,從而達(dá)到降低充電時間的目的(如下圖e所示),有研究表明加速充電模式能夠有效的提升鋰電池的充電效率,同時又不會對鋰電池的循環(huán)壽命產(chǎn)生顯著的影響。
Peter Keil選擇了三款功率型18650鋰電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
Model A:三洋Sanyo UR18650SA 1.25Ah
Model B:索尼Sony US18650VT1 1.1Ah
Model C:A123 apr18650M1A 1.1Ah
1)恒流恒壓充電(CCCV)
1.1充電電流的影響
下圖為CCCV充電策略中采用不同充電電流時電池充電所需要的時間,從圖中能夠看到電池A和C大部分容量都是在恒流充電的過程中完成的,而恒壓充電容量僅占非常小的一部分,而對于電池B恒壓充電的時間占比較大。
對于電池充電時間影響最大的還是充電電流,例如我們將充電電流從1A增加到3A,則充電時間能夠縮短50%,繼續(xù)將充電電流提高到5A只有電池A和C的充電時時間縮短了1/3,而電池B由于恒壓充電時間較長,所以將充電電流提高到5A后充電時間相比于3A并沒有顯著的縮短。
下圖為采用CCCV充電策略時不同的充電電流對于電池循環(huán)壽命的影響,從圖中能夠看到對于電池A,大充電電流會造成電池壽命的顯著下降,例如1A充電時電池的壽命可達(dá)1000次,3A充電時電池的壽命就會下降到800次,而充電電流達(dá)到5A時電池的壽命則僅為600次左右。但是對于電池B不同的充電電流對于電池的循環(huán)壽命并沒有顯著的影響。對于電池C在1A充電時電池循環(huán)1200次后容量保持率仍然可以達(dá)到97%,3A充電時電池循環(huán)1200次后容量保持率為95%,但是在5A充電時電池壽命會發(fā)生快速衰降,壽命不足700次。
1.2充電截止電壓的影響
充電截止電壓會影響正負(fù)極的電極電勢,因此對于鋰電池的循環(huán)壽命會產(chǎn)生顯著的影響。下圖為A、B和C三種電池容量隨充電截止電壓的變化,可以看到電池A和B的充電截止電壓對于電池的容量有顯著的影響,充電截止電壓每降低100mV,電池的容量會衰降10-20%,而電池C由于采用了LFP正極,因此在3.4V以上電池的容量幾乎與電池的充電截止電壓無關(guān)。
下面為不同截止電壓下電池的循環(huán)性能,整體上來看隨著充電截止電壓升高電池的循環(huán)性能是在不斷降低的,對于電池A而言,充電截止電壓的影響就比較小,如果將將充電截止電壓從4.2V降低到4.1V,壽命僅增加100次左右,要顯著增加A電池的壽命需要降低到4.0V,但是這會使得電池的容量降低30%,而提高電池的充電電壓到4.25V則僅僅會使得電池的循環(huán)壽命輕微的降低。
電池B則對于充電電壓敏感的多,將充電電壓從4.1V降低到4.0V后,電池在循環(huán)800次后容量保持率提高5%,但是進(jìn)一步降低充電截止電壓到3.9V則對于電池的循環(huán)壽命沒有顯著的影響,但是如果將充電截止電壓提高到4.15V則會顯著的加速電池B的衰降速度。
電池C對于充電截止電壓最為敏感,如果將充電截止電壓從3.6V提高到3.65V則會導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命出現(xiàn)顯著的降低,但是降低充電截止電壓對于電池的循環(huán)壽命沒有顯著的影響。
2)脈沖充電(CCPC/PC)
2.1恒流脈沖(CCPC)
恒流脈沖充電制度與恒流恒壓充電制度接近,只是將恒壓充電階段替換為脈沖充電,在充電時間上CCPC相比于常見的恒流恒壓充電實(shí)際上會更長一點(diǎn),因此在充電時間上CCPC并沒有優(yōu)勢。
下圖為采用CCPC和PC充電策略的三種電池的循環(huán)數(shù)據(jù),可以看到對于三種電池采用CCPC充電策略時,電池的循環(huán)壽命實(shí)際上與采用相同充電電流的CCCV充電策略是相同的。
2.2脈沖充電(PC)
與前面的CCPC充電策略不同,PC充電策略在整個充電過程中都采用了脈沖的方式進(jìn)行,由于在脈沖充電的過程中極化比較大,因此脈沖充電會使得電池的充電容量有所降低,例如電池A在脈沖充電策略下,電池僅能夠沖入80%的容量,電池C能夠沖入95%的容量。在充電時間上PC充電策略與同樣電流的CCCV充電制度幾本相同,從上圖的循環(huán)數(shù)據(jù)能夠看到PC充電策略的電池的循環(huán)壽命與同樣電流的CCCV充電策略幾本相同。
3)加速充電(BC)
加速充電策略是在較低的SoC范圍內(nèi)使用較大的充電電流(5A)進(jìn)行充電,達(dá)到截止電壓后轉(zhuǎn)而采用小電流(1A)CCCV充電方式進(jìn)行充電,因此充電時間相對縮短,經(jīng)過測試電池A采用BC充電策略充電時間為57min,電池C為48min,介于1A和3A電流的CCCV充電時間之間。
下圖為電池A和C采用BC充電策略的循環(huán)性能,從圖中能夠看到對于電池A,如果從0%開始采用加速充電(5A)則會導(dǎo)致電池的衰降速度顯著增加,與5A電流的CCCV充電策略接近。而如果從10%SoC和20%開始加速充電,則循環(huán)壽命會大大改善,與3A電流的CCCV充電策略接近。而對于電池C,如果開始加速充電的SoC為0%和10%則會導(dǎo)致電池的衰降速度明顯加速,而如果在20%SoC開始加速充電,則對于電池的循環(huán)壽命的影響較小。這也表明在較低的SoC下進(jìn)行加速充電會導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命受到顯著的影響。
Peter Keil的工作表明,對于電池循環(huán)壽命影響最大的為充電電流,對于電池A和C在5A大電流下進(jìn)行充電時會導(dǎo)致鋰電池的循環(huán)壽命嚴(yán)重縮短,但是電池B的循環(huán)壽命似乎受充電電流的影響不大。其次是電池的充電截止電壓,高的充電截止會嚴(yán)重的縮短鋰電池的使用壽命,特別是對于電池B和C將充電截止電壓提高50mV就會嚴(yán)重的影響電池的循環(huán)壽命。
從充電策略來看,脈沖充電策略對于電池的循環(huán)壽命沒有顯著的影響(相比于CCCV),但是脈沖充電也沒有減少充電時間,特別是CCPC充電策略還會導(dǎo)致電池的充電時間有所延長。
加速充電(BC)策略能夠減少一定的充電時間,但是加速充電策略需要謹(jǐn)慎的選擇加速充電的SoC范圍,在過低的SoC的范圍內(nèi)盡量不要使用加速充電,以免影響電池的循環(huán)壽命。
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