几种充电模式的总结

报告正文

1、研究内容和意义

行驶里程短、充电时间长、价格高是制约电动汽车普及的三大因素，快速充电技术一直以来都是影响电动汽车普及的关键技术之一，充电模式对电动汽车用动力电池的影响，也一直是业内人员研究的热门，不同的研究人员提出了不同甚至相反的观点。本文总结了业内提出的几种常见的充电模式，分析了各种模式的利弊。

传统的石油等化石燃料日益短缺，价格上涨，并且造成严重的环境问题。由于化石燃料汽车的排放对城市环境造成了严重的污染，污染较小甚至零污染的新能源汽车越来越受到政府的重视。由于电动车辆的环保，低耗能等特点，在我国，电动车辆无疑是必然的发展趋势。这种情况下，研发有效的动力电池快速充电技术，对于电动车辆的普及具有十分重要的现实意义。

2、国内外研究现状

目前国内外研究人员提出或者已经应用的充电模式，主要有恒流恒压充电、脉冲充电、急冲电、截止电压控制充电、多阶段恒流充电、恒流脉冲充电等模式。

（1）、国内外最常见的充电模式是恒流—恒压（CC—CV）充电模式，初始时电池以恒流充电，此阶段SOC随时间呈线性增长，直到其电压达到预先设定的上限4.1V或4.2V （磷酸铁锂材料的电池是3.65V），然后再以此电压对电池进行恒压充电，此阶段电流衰减比较接近电池电流最佳衰减曲线，直到电流降至预先设定的较小的值（0.05C）为止。

但是，有文献（）指出此模式下只要充电电流达到或者超过一个特定的值，CC阶段末会出现金属锂的镀层。这种情况下，进一步增加充电电流不仅不会缩短总的充电时间，相反会增加CV阶段充电时间，进而对电池造成不良影响。但是，这种充电模式需要的时间较长，以20Ah的磷酸铁锂单体动力电池为例，在完全放电状态下，充满电池大概需7个小时。

（2）、脉冲充电模式，这种模式收到业内大部分研究人员的青睐，是当前研究的热点。它包括两种类型：a、只有正脉冲（充电脉冲）模式，即充一段时间后，有一个不充电的间歇时间，如图1。b、有正脉冲还有一个或多个放电脉冲，如图2。

图1 C P为脉冲电流的大小，T R为间歇时间，T P充电电流持续时间。

图2

（文献《The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithium-ion batteries》以索尼的US18650S，标称容量是900mAh的钴酸锂材料的电池为例, 脉冲充电时，在1C充电电流下，大约1h可以充满电，但是直流充电时需要3.5h。在相同的充放电率情况下，通过测量平均充电电流相等时的脉冲充电和直流充电两种模式的阻抗谱和循环伏安特性，并利用XRD和SEM技术检测了单个电极的情况。进行比较，得出脉冲充电有助于消除浓差极化，增加能量转换效率，通过去除恒压充电缩短充电时间。脉冲充电通过充电过程中短的间歇段和放电脉冲，促进了活性物质的利用，使电池有了更高的放电容量和更长的循环寿命。

但是，也有研究《Impact of periodic current pulses on Lithium-ion battery performance》指出，在相同平均电流下，脉冲充电不能降低铅酸电池的充电时间，而且会导致更大的损失。它认为，大部分文献的比较条件是相同的平均电流，并没有完全相同的RMS，脉冲模式的RMS比直流模式的大。它定义了一个参数形式因子F=I RMS/I mean 来表征脉冲模式的电流。此文献以磷酸铁锂锂离子电池，研究了多种脉冲参数的不同组合，如下表。但是，最后得出的结论是，和恒流相比，脉冲充电对锂离子电池有害，这些影响并不是因为特殊的电化学影响而主要是欧姆定律对非线性阻抗的影响。脉冲充电对电池材料和电化学过程不产生任何积极的对电池性能可逆的影响。

鉴于以上两种相反的观点，脉冲模式对电池性能真正影响，有待于进一步研究。但是从大部分文献的观点来看，支持第一种观点的居多。此种模式的难点在于充电时间，脉冲电流大小，和间歇时间的确定。

（3）恒流充电模式，又分为涓流充电和一般的恒流充电，两者在本质上是相同的，前者电流一般小于0.1C，此方法常用于对镍镉电池充电，不宜用于锂电池充电，因为锂离子电池的耐过充能力比较差。当蓄电池发生过放时，其端电压小于终止电压，此时大电流充电易损害电池，常用此方法将电池充至终止电压。

后者，电流一般为0.2C—1C之间，文献《小VRLA电池快速充电方法的研究》通过对铅酸蓄电池充电过程中参数的测量得出，最好的初始充电电流是1-1.5CA（先进铅酸电池联合体已经提出目标，5分钟内充到50%，15分钟内充到80%，4h内达到满充）。通过对多阶段恒流充电（MCC）模式中恒流电流大小的设置，也表现了较好的效果，即充电时间缩短。但是，这种实验结果并不具有普遍的指导意义，由于电池可接受电流随容量的增加而减小，由于很难精确检测电池SOC，所以很难单纯使用这种方法对锂离子电池进行充电。

（4）急充电，是一种超快的锂离子电池充电算法。它的特点是，对接近于完全放电状态的电池进行大电流短时间充电。文献《boost charging Li-ion batteries: A challenging new

charging concept》选用圆柱US18500和菱形LP423048LiCoO2材料的1100mAh电池进行试验，并指出，和标准的充电方法相比，不会对电池的循环寿命造成任何影响，这种方法适合对低SOC状态的电池充电。例如，一个完全放电状态下的电池能够在5分钟内充到电池额定容量的三分之一。这种模式可以描述为CV-CCCV，开始时有一个阶段的CV充电，随后是CCCV模式。

文献《boost charging Li-ion batteries: A challenging new charging concept》中比较了急充电和标准充电锂离子电池的循环性能，表明两种充电模式下电池的循环性能（容量衰减情况随着电池循环次数的变化）几乎相同。

但是，同样以LiCoO2材料的电池，文献《The effect of the charging protocol on the cycle life a li-ion battery》用的是18650商业锂离子电池，经过阻抗分析得出的结论是SOC较小和充电接近完成时，建议采用低的充电率，前者是因为SOC较小（10%以下）时电池有较大的直流电阻，后者则是减轻金属锂离子层的影响。此文献画出了R cell、R ohm、R ct随不同SOC 的变化情况，如下图

综上两种不同的观点，若是第一种结论正确，则初始的R ct大小并不影响电池的循环寿命，若如此就没必要考虑其大小，可以用急充电的方法，但是不知道有没有别的影响。但是，第二个文献里并没有说初始时大电流充电的影响，只是说小SOC时建议采用低的充电率。所以这种方法有待探究。

另外，急充电模式难点在于急充电时间t b的确定，相应电压的确定。