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跟着电动轿车遍及程度的逐步进步,电动轿车现已越来越多的走进一般顾客的日常日子之中,动力电池的运用寿数往往是人们所忧虑的焦点之一,这也是导致二手新能源轿车保值率较低的重要原因,因而循环寿数也是动力电池的一个十分重要的查核目标。一般来说锂离子电池的循环寿数与正负极资料、电解液的挑选关于循环寿数影响最大,其次是锂离子电池的运用战略,例如充放电准则、作业温度等都会对锂离子电池的循环寿数发作显着的影响。

德国慕尼黑工业大学的Peter Keil(榜首作者,通讯作者)和Andreas Jossen针对充电战略对不同品种的功率型18650电池循环的影响进行了剖析。

首要咱们来剖析一下常见的几种充电战略

1.恒流恒压(CCCV)

恒流恒压充电是最为常见也是最为一般的充电办法,充电开端的阶段选用恒流充电的形式对锂离子电池进行充电,当到达设置电压后转而操控电压不变而不断下降充电电流直到电流到达设置值或许时刻到达设定值(如下图a所示)。这种充电战略充电时刻首要遭到恒流充电电流Icc巨细的影响,充电容量则首要遭到充电截止电压Vch和恒压充电截止电流Iend的影响,而相关的研讨也标明高的充电截止电压Vch和大的充电电流Icc会导致锂离子电池的寿数显着劣化。

2.多步恒流充电法(MSCC)

在这种充电战略中不再运用恒压充电,而是选用了多步的充电电流递减的恒流充电战略,例如选用I1恒流充电到截止电压后,持续选用更小的电流I2充电到截止电压,顺次类推直到电流下降到终究截止电流(如下图b所示)。

3.脉冲充电法(PC)

这种充电办法可以在一些相关的文献报导中发现,在这种充电战略中充电的进程中可能会选用一系列的调整充电电流乃至是充电方向(放电)的短时刻脉冲构成,常见的脉冲充电战略有两种,一种是仅将CCCV充电中的恒压充电部分替换为脉冲充电(如下图c所示),别的一种是将整个进程都替换为脉冲充电(如下图d所示)。

4.加快充电(BC)

所谓的加快充电形式是在CCCV充电形式的基础上添加了一个大电流的CC或许恒功率充电进程,然后到达下降充电时刻的意图(如下图e所示),有研讨标明加快充电形式可以有用的进步锂离子电池的充电功率,一起又不会对锂离子电池的循环寿数发作显着的影响。

实验中作者挑选了来自三洋、索尼和A123的三款功率型18650锂离子电池,电池的额外容量为1A左右,三款电池的信息如下表所示,下图a为A、B和C三种电池在小电流下的放电曲线。实验中共选用了四种充电准则,CCCV(恒流恒压)、CCPC(恒流脉冲)、PC(脉冲)和BC(加快充电)。

因为CCCV充电战略是最为常见的充电办法,因而在该实验中也是将CCCV充电办法作为基线进行参阅,表2为CCCV充电所选用的战略,首要调查了不同的充电电流(1A、3A和5A)和充电截止电压的影响。表3为CCPC(恒流脉冲)充电的战略,以3A作为充电电流。表4为PC(脉冲)充电的战略,其中高电流为5A,低电流为1A,凹凸电流的持续时刻相同,首要测验了不同的频率对电池的影响。表5为BC(加快充电)充电战略,首要测验了不同SoC规模内进行加快充电关于电池功能的影响。

1. 恒流恒压充电(CCCV)

1.1充电电流的影响

下图为CCCV充电战略中选用不同充电电流时电池充电所需求的时刻,从图中可以看到电池A和C大部分容量都是在恒流充电的进程中完结的,而恒压充电容量仅占十分小的一部分,而关于电池B恒压充电的时刻占比较大。

关于电池充电时刻影响最大的仍是充电电流,例如咱们将充电电流从1A添加到3A,则充电时刻可以缩短50%,持续将充电电流进步到5A只要电池A和C的充电时时刻缩短了1/3,而电池B因为恒压充电时刻较长,所以将充电电流进步到5A后充电时刻比较于3A并没有显着的缩短。

下图为选用CCCV充电战略时不同的充电电流关于电池循环寿数的影响,从图中可以看到关于电池A,大充电电流会形成电池寿数的显着下降,例如1A充电时电池的寿数可达1000次,3A充电时电池的寿数就会下降到800次,而充电电流到达5A时电池的寿数则仅为600次左右。可是关于电池B不同的充电电流关于电池的循环寿数并没有显着的影响。关于电池C在1A充电时电池循环1200次后容量坚持率依然可以到达97%,3A充电时电池循环1200次后容量坚持率为95%,可是在5A充电时电池寿数会发作快速衰降,寿数缺乏700次。

1.2充电截止电压的影响

充电截止电压会影响正负极的电极电势,因而关于锂离子电池的循环寿数会发作显着的影响。下图为A、B和C三种电池容量随充电截止电压的改变,可以看到电池A和B的充电截止电压关于电池的容量有显着的影响,充电截止电压每下降100mV,电池的容量会衰降10-20%,而电池C因为选用了LFP正极,因而在3.4V以上电池的容量简直与电池的充电截止电压无关。

下面为不同截止电压下电池的循环功能,全体上来看跟着充电截止电压升高电池的循环功能是在不断下降的,关于电池A而言,充电截止电压的影响就比较小,假如将将充电截止电压从4.2V下降到4.1V,寿数仅添加100次左右,要显着添加A电池的寿数需求下降到4.0V,可是这会使得电池的容量下降30%,而进步电池的充电电压到4.25V则仅仅会使得电池的循环寿数细微的下降。

电池B则关于充电电压灵敏的多,将充电电压从4.1V下降到4.0V后,电池在循环800次后容量坚持率进步5%,可是进一步下降充电截止电压到3.9V则关于电池的循环寿数没有显着的影响,可是假如将充电截止电压进步到4.15V则会显着的加快电池B的衰降速度。

电池C关于充电截止电压最为灵敏,假如将充电截止电压从3.6V进步到3.65V则会导致电池的循环寿数呈现显着的下降,可是下降充电截止电压关于电池的循环寿数没有显着的影响。

2.脉冲充电(CCPC/PC)

2.1恒流脉冲(CCPC)

恒流脉冲充电准则与恒流恒压充电准则挨近,仅仅将恒压充电阶段替换为脉冲充电,在充电时刻上CCPC比较于常见的恒流恒压充电实践上会更长一点,因而在充电时刻上CCPC并没有优势。

下图为选用CCPC和PC充电战略的三种电池的循环数据,可以看到关于三种电池选用CCPC充电战略时,电池的循环寿数实践上与选用相同充电电流的CCCV充电战略是相同的。

2.2脉冲充电(PC)

与前面的CCPC充电战略不同,PC充电战略在整个充电进程中都选用了脉冲的办法进行,因为在脉冲充电的进程中极化比较大,因而脉冲充电会使得电池的充电容量有所下降,例如电池A在脉冲充电战略下,电池仅可以冲入80%的容量,电池C可以冲入95%的容量。在充电时刻上PC充电战略与相同电流的CCCV充电准则几本相同,从上图的循环数据可以看到PC充电战略的电池的循环寿数与相同电流的CCCV充电战略几本相同。

3.加快充电(BC)

加快充电战略是在较低的SoC规模内运用较大的充电电流(5A)进行充电,到达截止电压后转而选用小电流(1A)CCCV充电办法进行充电,因而充电时刻相对缩短,通过测验电池A选用BC充电战略充电时刻为57min,电池C为48min,介于1A和3A电流的CCCV充电时刻之间。

下图为电池A和C选用BC充电战略的循环功能,从图中可以看到关于电池A,假如从0%开端选用加快充电(5A)则会导致电池的衰降速度显着添加,与5A电流的CCCV充电战略挨近。而假如从10%SoC和20%开端加快充电,则循环寿数会大大改进,与3A电流的CCCV充电战略挨近。而关于电池C,假如开端加快充电的SoC为0%和10%则会导致电池的衰降速度显着加快,而假如在20%SoC开端加快充电,则关于电池的循环寿数的影响较小。这也标明在较低的SoC下进行加快充电会导致电池的循环寿数遭到显着的影响。

Peter Keil的作业标明,关于电池循环寿数影响最大的为充电电流,关于电池A和C在5A大电流下进行充电时会导致锂离子电池的循环寿数严峻缩短,可是电池B的循环寿数好像受充电电流的影响不大。其次是电池的充电截止电压,高的充电截止会严峻的缩短锂离子电池的运用寿数,特别是关于电池B和C将充电截止电压进步50mV就会严峻的影响电池的循环寿数。

从充电战略来看,脉冲充电战略关于电池的循环寿数没有显着的影响(比较于CCCV),可是脉冲充电也没有削减充电时刻,特别是CCPC充电战略还会导致电池的充电时刻有所延伸。

加快充电(BC)战略可以削减必定的充电时刻,可是加快充电战略需求慎重的挑选加快充电的SoC规模,在过低的SoC的规模内尽量不要运用加快充电,避免影响电池的循环寿数。

本文首要参阅以下文献,文章仅用于对相关科学著作的介绍和谈论,以及课堂教学和科学研讨,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与咱们联络。

Charging protocols for lithium-ion batteries and their impact on cycle life—An experimental study with different 18650 high-power cells, Journal of Energy Storage 6 (2016) 125–141, Peter Keil, Andreas Jossen

文/凭栏眺

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