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浅析锂电池秒速赛车平台快速充电的方法和由来

时间:2019-01-11 22:25来源:未知 作者:秒速赛车 点击:
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  浅析锂电池秒速赛车平台快速充电的方法和由来秒速赛车投注: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300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。

  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。

  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。

  我们提到特斯拉的充电桩,其名曰超级充电桩,它的功率是120kW。

  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。

  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。

  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,秒速赛车平台显然这个条件与具体的反应类型有关。

  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。

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

  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。

  ①对于任何给定的放电电流, 蓄电池充电时的电流接受比 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,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。

  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。

  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。

  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。

  变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的,它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。

  如下图所示,变电流间歇充电法的第一阶段,先采用较大电流值对电池充电,在电池电压达到截止电压V0时停止充电,此时电池电压急剧下降。

  保持一段停充时间后,采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电,如此往复数次(一般约为3~4 次)充电电流将减小设定的截止电流值。

  然后进入恒电压充电阶段,以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值,充电结束。

  变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下,采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流,即加快了充电过程,缩短了充电时间。

  但是这种充电模式电路比较复杂、造价高,一般只有在大功率快充时才考虑采用。

  在变电流间歇充电法的基础上,有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程,将间歇恒流换成间歇恒压。

  比较上面图(a)和图 (b),可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。

  在每个恒压充电阶段,由于电压恒定,充电电流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

  Reflex 快速充电方法,又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。

  该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3 个阶段。

  它在很大的程度上解决了电池极化现象,加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

  如上图 所示,在每个充电周期中,先采用2 C 的电流充电时间为10 s 的Tc,然后停充时间为0.5 s的Tr1,反向放电时间为1 s 的Td,停充时间为0.5 s 的Tr2,每个充电循环时间为12 s。随着充电的进行,充电电流会逐渐变小。

  智能充电是目前较先进的充电方法,如下图所示,其主要原理是应用du/dt 和di /dt 控制技术,通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态,动态跟踪电池可接受的充电电流,使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。

  这类智能方法,一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术,实现系统的自动优化。

  文献比较了恒流充电方法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电过程中以恒定不变的电流对电池进行充电充。

  恒流充电初期,可以有大电流充电,但随着时间的推移,极化电阻逐渐显现并增加,造成更多的能量转化成热量,消耗掉并使得电池温度逐渐上升。

  脉冲充电方法,是以一段时间的充电之后,出现短暂的反向充电电流。

  其基本形式如下图所示。充电过程中夹杂短暂的放电脉冲,起到去极化的作用,降低极化电阻在充电过程中造成的影响。

  有研究专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取平均电流为1C,2C,3 C 和4C(C 为电池额定容量数值) , 分别做了4 组对比实验,通过电池充完后放出的电量来衡量实际充入的电量下。

  图为充电电流为2C 时脉冲充电的电流及电池端电压波形。表1 为恒流脉冲充电实验数据。脉冲周期为1s,正脉冲时间为0.9s, 负脉冲时间为0.1s。

  Ichav 为充电平均电流,Qin为充入电量;Qo为放出电量,为效率。

  从上表中的实验结果可以看到,恒流充电与脉冲充电效率近似,脉冲略低于恒流,但充入电池的总电量,脉冲方式明显多于恒流方式。

  脉冲充电中的负电流放电时间对充电快慢有,一定影响, 放电时间越长, 充电越慢;

  从下表可以看出,不同占空比对效率和充入电量有明确的影响趋势,但数值差异不是很大。

  因此,选择脉冲充电优于持续恒流充电,具体选择占空比,则需要重点考虑电池温升和充电时间诉求。

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  D、硅负极材料是重要的发展方向,松下的新型18650电池已经开始了对此类材料的商用进程。但是如何在纳米化追求性能与电池工业对于材料的一般微米级的要求方面达到一个平衡,仍是比较有挑战性的工作。

  关于燃油车如何保养想必各位老司机一定非常清楚,无非就是更换机油、机油滤芯、空气滤芯、汽油滤芯、空调滤芯,该清洗的清洗该换的换,那么新能源汽车该如何保养你知道吗?和燃油车相比,新能源汽车保养贵不贵,步骤繁琐吗?

  流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

  在整个离子和电子的运行过程中,对电荷转移产生影响的电池结构,无论电化学的还是物理的,都将对快速充电性能产生影响。

  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。

  A、目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨(占市场份额的90%左右),根本原因无他便宜(你们天天嫌电池贵,叹号!),以及石墨综合的加工性能、能量密度方面都比较优秀,缺点相对较少。石墨负极当然也有问题,其表面对于电解液较为敏感,锂的嵌入反应带有强的方向性,因此进行石墨表面处理,提高其结构稳定性,促进锂离子在基上的扩散是主要需要努力的方向。

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  变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下,采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流,即加快了充电过程,缩短了充电时间。但是这种充电模式电路比较复杂、造价高,一般只有在大功率快充时才考虑采用。

  为了尽可能延长工作时间,设计人员必须正确选择电池的化学特性与容量。精确的电池电量监测有助于避免系统过早关闭,并使系统充分利用电池可用电量。正确选择功率转换电路也决定着电池为系统供电的效率。

  燃油车需要检查发动机,而电动车就需要检查电机,除了特斯拉以外大部分国产电动车都采用永磁同步电机,那是全封闭式的除非出现故障,否则开到报废都不用打开,检查也是通过电脑跑一边数据即可,非常简单省事。

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

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  我们有必要更密切地关注一下电源管理系统的分组。通常人们会认为,与数字组件类似,电源系统也应尽可能集成。但这会带来严重的问题。如果将线性电池充电器与功率转换级集成,就会在集成度极高的板级空间造成散热问题。此外,电池充电器通常靠近电池与 AC 适配器的连接处,而功率转换级的理想位置是接近负载点,即处理系统。还有一点值得注意的是,不同型号的媒体播放器根据用途不同要求不同的充电器特性,但功率转换系统都是一样的。鉴于上述原因,最节约成本、设计也最方便的解决方案就是将电池管理与功率转换分由不同的IC来完成,如图 1 所示。这不仅有助于最大化设计灵活性,简化布局与散热管理,而且还能够降低解决方案的总成本。

  提到新能源汽车,很多人都觉得不能买,尤其是纯电动汽车,基本上是能躲多远就躲多远,毕竟一方面是价格不低,另一方面也是保值率太低。所以很多人买车的时候都尽量选择燃油车。而今天说的这5款新能源汽车也仅仅二十多万,还是补贴前的价格,是不是很值得考虑呢?毕竟价格不贵,加上补贴的线万左右的车型,是不是很有诚意呢?

  B、三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,因此三元材料少有进行纳米化的工作(纳米化可不是什么万金油式的材料性能提升的解药,尤其是在电池领域中有时还有好多反作用),更多在注重安全性和抑制(与电解液的)副反应,毕竟目前三元材料的一大命门就在于安全,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求。

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(责任编辑:秒速赛车)
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