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    技術干貨丨全面綜述鋰電池充電技術,趕快get!

    發布時間:2023-07-14

    ? ? ? ?對于鋰電池來說,充電方法對其性能影響很大,合理的充電方法可延長鋰電池的壽命、提高充電效率。本文分析了鋰電池的各種充電方法,并在充電速度、使用壽命和實現成本上對各自的優缺點進行了比較,供大家參考交流。

     

    1?鋰電池理論基礎

    ? ? ? ?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:I=I0e-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、結構和新舊程度有關,F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。

    ? ? ? ?如圖1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。

     

     

    2?充電方法
    ? ? ? ?鋰電池的充電方法有很多種,按充電效率可分為常規充電和快速充電。其中常規充電方法包括:恒流充電、恒壓充電、階段充電和間歇充電,而快速充電包括脈沖充電和Reflex充電,最后還對智能充電進行了分析。

    1. 恒流充電

    ? ? ? ?按充電電流的大小恒流充電又可分為快速充電、標準充電和涓流充電。在整個充電過程中,一般采用調整電源充電電壓或改變與電池串聯的電阻值,來維持電池的充電電流大小不變。這種方法優點是控制簡單,適用于對多個電池串聯的電池組進行充電。缺點是鋰電池的可接受充電的能力會隨著充電的進行逐漸降低,在充電后期過大的充電電流會使電池內部產生氣泡,對電池造成損壞。因此恒流充電,常常是作為階段充電中的一個環節。??

    2. 恒壓充電

    ? ? ? ?恒壓充電就是在整個充電過程中,充電電壓保持恒定,充電電流的大小隨著電池狀態的變化自動調整。隨著充電的進行,充電電流逐漸減小。與恒流充電相比,其充電過程更加接近最佳充電曲線,控制簡單、成本低。缺點是充電時間較長,并且在充電初期電池充電電流過大,直接影響鋰電池的壽命和使用質量。所以恒壓充電方法很少單獨使用,只有在充電電源電壓低而電流大時采用。

    3. 恒流恒壓充電

    ? ? ? ?如圖2為恒流恒壓充電曲線。在開始充電之前,首先檢測電池電壓,若電池電壓低于門限電壓(2.5V左右),則以C/10的小電流對電池進行涓充充電,使電池電壓緩慢上升;當電池電壓達到門限電壓時,進入恒流充電,在此階段以較大的電流(0.5C~1 C)強度對電池進行快速充電,電池電壓上升較快,電池容量將達到其額定值的85%左右;在電池電壓上升到上限電壓(4.2V)后,電路切換到恒壓充電模式,電池電壓基本維持在4.2V,充電電流逐漸減小,充電速度變慢,這一階段主要是保證電池充滿,當充電電流降到0.1C或0.05C時,即判定電池充滿。

     

     

    ? ? ? ?恒流恒壓充電避免了恒壓充電開始時充電電流過大的問題,又克服了恒流充電后期容易出現過充的現象,結構簡單,成本較低,目前在鋰電池的充電方法被廣泛使用。但它不能消除電池充電時的極化現象,影響充電效果。

    4. 脈沖充電

    ? ? ? ?如圖3所示,為脈沖充電曲線,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,大部分能量被轉移到電池內部。當電池電壓上升到上限電壓(4.2V)時,進入脈沖充電模式:用1C的脈沖電流間歇地對電池充電。在恒定的充電時間Tc內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(4.2V)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,認為電池已經充滿,終止充電。與常規充電方法相比,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。

    ? ? ? ?C.K.Leong等研究的脈沖充電,每個充電周期持續大約1s,首先對電池進行正向充電,然后停充和反向放電各20~30ms。正向脈沖電流給電池充電,而負向脈沖電流減少氣體從電極中析出,可對電池采用較大電流實現快速充電。

    5. 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。

    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。如圖4(a)所示,變電流間歇充電法的第一階段(也是主要階段),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。

    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。比較圖4(a)和圖4(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規律下降,符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。

    6. 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象,加快了充電速度。但是反向放電會縮短鋰電池壽命。

    ? ? ? ?充電曲線如圖5所示,在每個充電周期中,先采用2C的電流充電時間為10s的Tc,然后停充時間為0.5s的Tr1,反向放電時間為1s的Td,停充時間為0.5s的Tr2,每個充電循環時間為12s。隨著充電的進行,充電電流會逐漸變小。實驗證明,這種充電方法可以使單體鋰電池的充電時間提升到40min,電池溫度僅僅升高1.1 ℃,充電效率達到87.51%。

     

     

    7. 智能充電法

    ? ? ? ?智能充電是目前較先進的充電方法,如圖6(a)所示,其主要原理是應用du/dt和di/dt控制技術,通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態,動態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。這樣電池能在很少析氣的狀態下快速將電充滿。

     

     

    3?CDY-C便攜鋰電池充電機

    ? ? ? ?鋰離子電池電方法較多,目前,恒定電壓充電法被廣泛使用。鋰離子電池組一般由大量的單體串聯組成,由于每個單體制造工藝的差別,存在內阻、電壓、容量和溫度的不一致性,易造成充放電過程中的不均衡,即大容量單體淺放、小容量單體過放,這會對電池組造成嚴重損傷。

    ? ? ? ?一套完善的智能充電機充電系統可以協調充電機充電機與電池組之間的供求關系,為電池組提供更加安全可靠的充電機充電模式,延長其壽命,增加電池組可靠性且降低運行成本。

     

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