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    锂电池和18650锂电池能不能快速充电,四种充电方式讲解

    电动汽车和电动车电池的使用寿命是消费者关注的焦点之一,因此循环寿命也是动力锂电池的一个非常重要的考核指标。锂电池的循环寿命与正负极材料、电解液的选择对于循环寿命影响大,其次是锂电池的使用策略,例如充放电制度、工作温度等都会对锂电池的循环寿命产生显著的影响。


    德国慕尼黑工业大学的Peter Keil和Andreas Jossen针对充电策略对不同种类的功率型18650锂电池循环的影响进行了分析,下面是锂电池四种充电策略的详细讲解:


    1、恒流恒压(CCCV)

    恒流恒压充电是为常见也是为普通的充电方式,充电开始的阶段采用恒流充电的模式对锂电池进行充电,当达到设置电压后转而控制电压不变而不断降低充电电流直到电流达到设置值或者时间达到设定值(如下图a所示)。这种充电策略充电时间主要受到恒流充电电流Icc大小的影响,充电容量则主要受到充电截止电压Vch和恒压充电截止电流Iend的影响,而相关的研究也表明高的充电截止电压Vch和大的充电电流Icc会导致锂电池的寿命显著劣化。


    2、多步恒流充电法(MSCC)

    在这种充电策略中不再使用恒压充电,而是采用了多步的充电电流递减的恒流充电策略,例如采用I1恒流充电到截止电压后,继续采用更小的电流I2充电到截止电压,依次类推直到电流降低到终截止电流(如下图b所示)。


    3、脉冲充电法(PC)

    这种充电方法可以在一些相关的文献报道中发现,在这种充电策略中充电的过程中可能会采用一系列的调整充电电流甚至是充电方向(放电)的短时间脉冲构成,常见的脉冲充电策略有两种,一种是仅将CCCV充电中的恒压充电部分替换为脉冲充电(如下图c所示),另外一种是将整个过程都替换为脉冲充电(如下图d所示)。


    4、加速充电(BC)

    所谓的加速充电模式是在CCCV充电模式的基础上增加了一个大电流的CC或者恒功率充电过程,从而达到降低充电时间的目的(如下图e所示),有研究表明加速充电模式能够有效的提升锂电池的充电效率,同时又不会对锂电池的循环寿命产生显著的影响。


    锂电池四种充电策略


    Peter Keil选择了三款功率型18650锂电池进行实验

    Model A:三洋Sanyo UR18650SA 1.25Ah

    Model B:索尼Sony US18650VT1 1.1Ah

    Model C:A123 apr18650M1A 1.1Ah




    1)恒流恒压充电(CCCV)

    1.1充电电流的影响

    下图为CCCV充电策略中采用不同充电电流时电池充电所需要的时间,从图中能够看到电池A和C大部分容量都是在恒流充电的过程中完成的,而恒压充电容量仅占非常小的一部分,而对于电池B恒压充电的时间占比较大。


    对于电池充电时间影响大的还是充电电流,例如我们将充电电流从1A增加到3A,则充电时间能够缩短50%,继续将充电电流提高到5A只有电池A和C的充电时时间缩短了1/3,而电池B由于恒压充电时间较长,所以将充电电流提高到5A后充电时间相比于3A并没有显著的缩短。


    下图为采用CCCV充电策略时不同的充电电流对于电池循环寿命的影响,从图中能够看到对于电池A,大充电电流会造成电池寿命的显著下降,例如1A充电时电池的寿命可达1000次,3A充电时电池的寿命就会下降到800次,而充电电流达到5A时电池的寿命则仅为600次左右。但是对于电池B不同的充电电流对于电池的循环寿命并没有显著的影响。对于电池C在1A充电时电池循环1200次后容量保持率仍然可以达到97%,3A充电时电池循环1200次后容量保持率为95%,但是在5A充电时电池寿命会发生快速衰降,寿命不足700次。


    1.2充电截止电压的影响

    充电截止电压会影响正负极的电极电势,因此对于锂电池的循环寿命会产生显著的影响。下图为A、B和C三种电池容量随充电截止电压的变化,可以看到电池A和B的充电截止电压对于电池的容量有显著的影响,充电截止电压每降低100mV,电池的容量会衰降10-20%,而电池C由于采用了LFP正极,因此在3.4V以上电池的容量几乎与电池的充电截止电压无关。


    下面为不同截止电压下电池的循环性能,整体上来看随着充电截止电压升高电池的循环性能是在不断降低的,对于电池A而言,充电截止电压的影响就比较小,如果将将充电截止电压从4.2V降低到4.1V,寿命仅增加100次左右,要显著增加A电池的寿命需要降低到4.0V,但是这会使得电池的容量降低30%,而提高电池的充电电压到4.25V则仅仅会使得电池的循环寿命轻微的降低。


    电池B则对于充电电压敏感的多,将充电电压从4.1V降低到4.0V后,电池在循环800次后容量保持率提高5%,但是进一步降低充电截止电压到3.9V则对于电池的循环寿命没有显著的影响,但是如果将充电截止电压提高到4.15V则会显著的加速电池B的衰降速度。


    电池C对于充电截止电压为敏感,如果将充电截止电压从3.6V提高到3.65V则会导致电池的循环寿命出现显著的降低,但是降低充电截止电压对于电池的循环寿命没有显著的影响。


    2)脉冲充电(CCPC/PC)

    2.1恒流脉冲(CCPC)

    恒流脉冲充电制度与恒流恒压充电制度接近,只是将恒压充电阶段替换为脉冲充电,在充电时间上CCPC相比于常见的恒流恒压充电实际上会更长一点,因此在充电时间上CCPC并没有优势。


    下图为采用CCPC和PC充电策略的三种电池的循环数据,可以看到对于三种电池采用CCPC充电策略时,电池的循环寿命实际上与采用相同充电电流的CCCV充电策略是相同的。


    2.2脉冲充电(PC)

    与前面的CCPC充电策略不同,PC充电策略在整个充电过程中都采用了脉冲的方式进行,由于在脉冲充电的过程中极化比较大,因此脉冲充电会使得电池的充电容量有所降低,例如电池A在脉冲充电策略下,电池仅能够冲入80%的容量,电池C能够冲入95%的容量。在充电时间上PC充电策略与同样电流的CCCV充电制度几本相同,从上图的循环数据能够看到PC充电策略的电池的循环寿命与同样电流的CCCV充电策略几本相同。


    3)加速充电(BC)

    加速充电策略是在较低的SoC范围内使用较大的充电电流(5A)进行充电,达到截止电压后转而采用小电流(1A)CCCV充电方式进行充电,因此充电时间相对缩短,经过测试电池A采用BC充电策略充电时间为57min,电池C为48min,介于1A和3A电流的CCCV充电时间之间。


    下图为电池A和C采用BC充电策略的循环性能,从图中能够看到对于电池A,如果从0%开始采用加速充电(5A)则会导致电池的衰降速度显著增加,与5A电流的CCCV充电策略接近。而如果从10%SoC和20%开始加速充电,则循环寿命会大大改善,与3A电流的CCCV充电策略接近。而对于电池C,如果开始加速充电的SoC为0%和10%则会导致电池的衰降速度明显加速,而如果在20%SoC开始加速充电,则对于电池的循环寿命的影响较小。这也表明在较低的SoC下进行加速充电会导致电池的循环寿命受到显著的影响。


    Peter Keil的工作表明,对于电池循环寿命影响大的为充电电流,对于电池A和C在5A大电流下进行充电时会导致锂电池的循环寿命严重缩短,但是电池B的循环寿命似乎受充电电流的影响不大。其次是电池的充电截止电压,高的充电截止会严重的缩短锂电池的使用寿命,特别是对于电池B和C将充电截止电压提高50mV就会严重的影响电池的循环寿命。


    从充电策略来看,脉冲充电策略对于电池的循环寿命没有显著的影响(相比于CCCV),但是脉冲充电也没有减少充电时间,特别是CCPC充电策略还会导致电池的充电时间有所延长。


    加速充电(BC)策略能够减少一定的充电时间,但是加速充电策略需要谨慎的选择加速充电的SoC范围,在过低的SoC的范围内尽量不要使用加速充电,以免影响电池的循环寿命。

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