電化學知識

近來(lái)，盡管動力電池快充技術在(zài)快速發展，但充電時(shí)間，效率和(hé / huò)壽命焦慮依然是(shì)全球範圍内使用電動車的(de)主要(yào / yāo)焦慮。锂離子(zǐ)電池以(yǐ)高能量密度和(hé / huò)長壽命成爲(wéi / wèi)電動車的(de)主要(yào / yāo)能源。當前，有幾種方式來(lái)控制快充條件下的(de)電池健康狀态。本文提出(chū)了(le／liǎo)充電協議的(de)清晰分類，将快充協議分爲(wéi / wèi)功率管理協議，依賴于(yú)對電流，電壓和(hé / huò)電池溫度控制的(de)熱管理協議，以(yǐ)及依賴于(yú)锂離子(zǐ)電池材料物理修飾和(hé / huò)化學結構的(de)材料層面的(de)充電協議。并分析了(le／liǎo)每種快充協議的(de)要(yào / yāo)求，優勢和(hé / huò)劣勢。

Fig 1 電動汽車(EV)研究路線圖

锂離子(zǐ)電池不(bù)同層級對快充的(de)影響

材料-電極-電池層級對快充的(de)影響

锂離子(zǐ)電池快充協議

快充協議的(de)目的(de)是(shì)降低充電時(shí)間，優化效率和(hé / huò)循環壽命，降低充電損失。消除大(dà)倍率充電和(hé / huò)深度放電所導緻的(de)活性物質損失，電極表面的(de)SEI膜重整，内部溫度變化和(hé / huò)減小容量損失。

Fig 2 锂離子(zǐ)電池主要(yào / yāo)快充充電協議類型

Fig 3主要(yào / yāo)快充協議的(de)優勢及劣勢

恒電流恒電位充電協議

CC-CV 作爲(wéi / wèi)傳統的(de)充電協議，其示意圖如Fig 4 所示，即恒電流充到(dào)指定電位後，在(zài)截止電壓下持續恒壓充電至電流降低爲(wéi / wèi)0.1C 或0.01 C。CC-CV的(de)主要(yào / yāo)問題是(shì)充電時(shí)間較長，且CV恒壓過程會導緻電池内部發生化學反應。

Fig 4 恒電流-恒電位充電(CC-CV)示意圖

多步恒電流(MCC) 充電協議種類

Fig 5 多步恒電流(MCC) 充電協議種類(a) 充電電流多步變換(b) 混合技術(HT) (c) 條件随機變化技術 (CRT)(d) 多步恒電流超快充技術 (ML MCC-CV)

MCC充電協議是(shì)通過多步的(de)變換的(de)恒電流進行充電，作爲(wéi / wèi)目前最具潛力的(de)超快充技術，有利于(yú)縮短充電時(shí)間，同時(shí)降低電池的(de)衰減和(hé / huò)能量損失，并提高效率，降低産生的(de)熱，避免析锂和(hé / huò)過充等，但是(shì)，MCC充電協議需要(yào / yāo)對電池内部的(de)電路進行全面準确評估後才能有效進行開發。因此，MCC的(de)開發需要(yào / yāo)直流和(hé / huò)交流阻抗技術組合使用。

熱管理協議

Fig 6 熱管理協議恒溫-恒壓充電協議示意圖

熱管理充電協議依賴于(yú)對環境溫度和(hé / huò)電池溫度的(de)控制，溫度作爲(wéi / wèi)影響電池老化非常重要(yào / yāo)的(de)因素, 一(yī / yì ／yí)種新的(de)快充協議基于(yú)恒溫很恒壓(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于(yú)施加2C電流，然後電流指數衰減至1C ,當電壓到(dào)達4.2V時(shí)，電流開始衰減至0.1C。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)維持溫度恒定，采用PID進行溫度控制。

脈沖電流充電協議(PCC)

Fig 7 脈沖充電電流示意圖

Fig 8 脈沖電流充電協議

(a) 标準協議-固定占空比

(b) 标準協議-變化占空比

(c) 标準協議-衰減電流

(d) 标準協議高-低電流變化

(e) 不(bù)同的(de)電壓脈沖

PCC 協議依賴于(yú)控制負載的(de)循環，頻率和(hé / huò)充電脈沖的(de)幅值等，PCC有利于(yú)縮短充電時(shí)間，低溫條件下加熱電池，抑制锂析出(chū)，增加功率轉換，有利于(yú)消除濃差極化。缺點是(shì)控制器要(yào / yāo)求極其複雜，難度很高。

結論

經過以(yǐ)上(shàng)分析，功率控制協議，由于(yú)充電時(shí)間短，發熱量低，效率高，避免锂析出(chū)等優勢，成爲(wéi / wèi)目前锂離子(zǐ)電池快充最具潛力的(de)方法之(zhī)一(yī / yì ／yí)，由于(yú)其波形的(de)複雜性，對于(yú)溫度的(de)監測，析锂的(de)有效評價等以(yǐ)及锂離子(zǐ)電池内部等效電路的(de)全面分析，對于(yú)所使用的(de)開發設備提出(chū)巨大(dà)挑戰。多步電流法及脈沖電流快充協議，測試設備需要(yào / yāo)具備以(yǐ)下能力。

參考文獻

1. A Review of Various Fast Charging Power and Thermal Protocols for Electric Vehicles Represented by Lithium-Ion Battery Systems,

Future Transp. 2022, 2, 281–299.https://doi.org/10.3390/

futuretransp2010015

2. Detection of Lithium Plating in Li-Ion Cell Anodes Using Realistic Automotive Fast-Charge Profiles, Batteries 2021, 7, 46

3. Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects, Adv. Energy Mater.2021, 11, 2101126, DOI: 10.1002/aenm.202101126