锂电池快速充电方法及从自身结构看快充能力影响因素-北极星储能网

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新车上市，当然我说的是电动汽车，时常会出现这样的介绍：“快速充电，半小时充电80%，续航200公里，完全解决你的里程焦虑!”快充，商用车用来提升设备使用效率，乘用车用来解决里程焦虑，不断逼近“加一箱油”的时间。大有成为标配的趋势。今天就一块儿来挖一挖快充方法，捎带挖一挖方法的由来。

充电多快可以叫“快充”?

我们充电的基本诉求：

1)充电要快;

2)不要影响我电芯寿命;

3)尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。

那么多快就可以叫快充了呢?并没有什么标准文献给出具体数值，我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补贴标准中，没有提及快充的要求。从一般乘用车的宣传资料中，可以看到，大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头，拿出来宣传了，那么姑且认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充参考值。按照这个思路，宣传15分钟充满80%的，相当于3.2C。

快充的瓶颈在哪里?

在快充这个语境里，相关方按照物理主体分，包括电池、充电机、配电设施。

我们讨论快充，直接的想到电池会不会有问题。实际上，在电池有问题之前，首先是充电机，配电线路的问题。我们提到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。按照特斯拉Model S85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V计算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。从这里就可以看到，对于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

在国家标准中，不允许在原来的居民用电网络中直接直接设置充电站。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量。因此，充电站都需要单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。

然后说道电池。电池是否能够承载1.6C或者3.2C的充电要求，可以从宏观和微观两个角度来看待。

宏观上的快速充电理论

之所以这节的题目叫做“宏观上的快速充电理论”，是因为直接决定电池快速充电能力的是锂电池内部正负极材料性质、微观结构，电解液成分、添加剂，隔膜性质等等，这些微观层面的内容，我们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的方法。

锂电池存在最优充电电流

1972 年美国科学家J.A. Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律，需要注意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生，显然这个条件与具体的反应类型有关。

但系统存在最优解的思想，却是放之四海而皆准的。具体到锂电池，界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。基于一些研究文献的结论，其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。

值得注意的是，锂电池的最大可接受充电电流的边界条件，除了需要考虑锂电池单体的因素，还需要考虑系统级别的因素，比如散热能力不同，系统的最大可接受充电电流是不同的。然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。

马斯定理的公式描述：

I =I0*e^αt

式中;I0为电池初始充电电流;α 为充电接受率;t 为充电时间。I0和α 的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如下图所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量;如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。

对这个理论的阐述包含三个层次，是为马斯三定律：

①对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比;

② 对于任何给定的放电量，α与放电电流Id 的对数成正比;

③蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It ( 接受能力) 是各个放电率下的允许充电电流的总和。

以上定理，也是充电接受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电接受能力。找了一圈，没有看到统一官方的定义。按照自己的理解，充电接受能力就是在特定环境条件下，具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。可以接受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。

进而理解一下三定律。第一定律，在电池放出一定电量以后，其充电接受能力与当前荷电量有关，荷电量越低，其充电接受能力越高。第二定律，充电过程中，出现脉冲放电，有助于帮助电池提高实时的可接受电流值;第三定律，充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。

如果马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电(下文中具体名称为Reflex 快速充电法)除了可以用去极化的角度解释其对温升抑制有帮助以外，马斯理论也作为对脉冲方法的支撑。而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电方法，即跟踪电池参数，使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化，使得在安全边界以内，充电效率达到最大化。

常见快速充电方法

锂电池的充电方法有很多种，针对快速充电的要求，其主要方法包括脉冲充电、Reflex 充电，和智能充电。不同的电池类型，其适用的充电方式也不完全相同，在方法这节不做具体区分。

脉冲充电

这是来自文献中的一个脉冲充电方式，其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V以后，并在4.2V以上持续进行。暂且不提其具体参数设置的合理性，不同类型电芯存在差异。我们关注一下脉冲实施过程。

下面是脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压(4.2 V)时，进入脉冲充电模式：用1 C 的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压(4.2 V)后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。

在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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