闲话电池脉冲快速充电

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电池充电目的是为了在电池电量不足时恢复电池的电量,使得电池能够持续对外供电。理论上充电电流越大,电池越快被充满。电池充电方式一般分为常规充电和快速充电。常规充电包括恒压充电(CV)、恒流充电(CC)、恒流恒压充电(CCCV)。实际上,电池内部存在各种极化,电池极化对充电过程有很大影响,消除或者减弱这些极化作用(简称为去极化)是提高充电速度和充电效率的重要举措之一,通常有以下几种方式去极化方式:

静置/搁置

在充电停止或放电停止后 ,欧姆极化和电化学极化会相对较快消失,浓差极化也可以减弱,这是被动的方式,需要花费较长的时间。

反向脉冲放电

在充电过程中的特定阶段加入一个反向大电流放电脉冲放电,可以以相对较快的速度消除极化,显著缩短充电时间。

这里有必要介绍一下马斯理论:电池在充电过程中适当的停充或者大电流放电,可以使得充电速度得到改善,马斯三定律是快速充电的重要理论依据,揭示了充电时电池对电流的可接受能力与放电量之间的关系,特别指出在充电过程中进行一定深度的放电,可以提高电池的充电电流接受能力,从而加快电池的充电速度。这最早被应用于铅酸电池的充电,现在有一些研究应用在锂离子电池上。马斯定律具体内容如下:

马斯第一定律:对于任意给定放电电流,电池充电接受率与放电容量的平方根成反比,即

其中α是充电接受率;C为放电容量;K为常数;I0为充电初始电流。由此可知,放电深度不同,充电时可接受能力也不同;放电越深,充电时可接受的初始电流越大。

马斯第二定律:对于任意给定放电深度,电池的充电接受率与放电电流的对数成正比,即:

k为常数,Id为放电电流。可知,放电电流不同,充电时的可接受能力也不同;放电电流越大,充电时可接受的充电电流越大。

马斯第三定律:电池经几种电流放电,其接受电流是各种放电电流下接受电流之和,即:

其中It为总接受电流,αt为总接受率,Ct为总放电容量。

下面是一些常见的脉冲快速充电方式。

脉冲充电用脉冲电流或电压施加在电池两端进行充电,包括正脉冲、正负脉冲,如下图所示。脉冲充电可以采用幅值和占空比可调的脉冲电流进行充电。正脉冲充电如下图所示,充一段、搁置一段,如此循环下去。在充电过程加入搁置可以对欧姆极化和电化学极化进行一定程度的消除,但是对浓差极化消除作用有限。为了解决这个问题,可以采用正负脉冲方式,在正脉冲充电后加入放电脉冲,利用放电脉冲和搁置来增强去极化作用。

变电流间歇充电如下图所示,首先对电池进行大电流充电,达到一定电压后进行搁置,然后以较小的电流继续充电,依此类推,逐渐减小电流达到充满电的条件为止。

慢脉冲充电先进行正脉冲充电一直到截止电压,接着进行恒压脉冲充电,利用小电流代替脉冲充电时的搁置来减弱极化。

分阶段脉冲充电结合了脉冲充电、变电流间歇充电。先用较大初始电流I0恒流充电到截止电压,接着搁置后进行脉冲放电,继续搁置后再充电。接着将电流减小到I1,以此类推继续前面步骤直至再次达到截止电压。直到达到或接近电池实际可用容量为止。

由上可知,脉冲快充主要解决的是如何快速的减小极化作用,使得充电效率得到提高,从而达到以较快速度达到充满电的目的。为了能够更好的确定脉冲的幅值和宽度,提高速度和效率,对于电池本身的极化特性需要有较好的掌握,这样才能设计出合适的充电策略。

参考资料

Method and apparatus for rapid charging and reconditioning a battery.

锂离子动力电池脉冲快速充电实验研究。电源技术,2016

来源:第一电动网

作者:129Lab

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