
“均充,浮充,恒流充電,恒壓充電,涓流充電”關于充電的這些名詞,小編一直傻傻分不清楚,對于充電過程的真相,也一直有諸多迷惑:
1)均充和浮充,恒流充電和恒壓充電,還有涓流充電,這些個說法到底什么含義?
2)不同的鋰電池充電特性是否一樣?
3)恒流充電階段結束時SOC到底能達到多少?
4)給單個電芯充電與給電池組充電的特性是否一致?
5)充電過程中電壓和電流的大小對電池壽命的影響是否有準確的量化?
6)充電策略完全是由BMS決定的? 充電樁控制器能改變充電策略嗎?
接下來我們帶著這些問題,一起跟小編學習一下吧!
一、均充和浮充的定義
1)浮充電 floating charge
在正常運行時,充電裝置承擔經常負荷,同時向蓄電池組補充充電,以補充蓄電池的自放電,使蓄電池以滿容量的狀態處于備用。
2)均衡充電 equalizing charge
為補償蓄電池在使用過程中產生的電壓不均勻現象,使其恢復到規定的范圍內而進行的充電,以及大容量放電后的補充充電,通稱為均衡充電。
說了也白說。 標準就不能寫得接地氣一點嗎? 這樣的官方定義似是而非。我想上面的微信聊天記錄已經能夠說明這兩個名詞的含義了。在網上找到有下面這段說法可以算是對均充和浮充的總結:
均充就是恒大電流充電,目的一是當蓄電池放電后,快速補充電能,二是當個別蓄電池電壓有偏差,消除偏差,趨于平衡。所以也叫快充、強充。浮充就是恒壓小電流充電,目的一是防止蓄電池自放電,二是增加充電深度,另外,均、浮充之間的轉換是由監控模塊自動控制的。蓄電池組均充就是采用恒流充電,充電快,持續時間短;浮充是對電池恒壓充電,持續時間長,充電慢。
二、最常見的鋰電池充電曲線
題外話:談到專業術語、名詞的定義,我最近讀到一堆資料,發現“蓄電池”的定義本身也值得商討。蓄電池是否包括鋰電池? 在我習慣性的理解中,蓄電池是指傳統的鉛酸蓄電池。但是,有些文章中將蓄電池包括了鉛酸電池和鋰電池。
正是這些名詞定義的不統一導致我們在看中文資料的時候常常一頭霧水,因為很多文檔講到鋰電池的充電,但并沒有區分是針對哪種鋰電池。
當前電動汽車中使用的“動力電池”主流是鋰電池,部分微型車還在使用鉛酸蓄電池。鋰電池包括氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰等。動力電池主要是磷酸鐵鋰和三元鋰。兩者的主要區別是正極材料不一樣,一個是磷酸鐵鋰,一個是鎳鈷錳酸鋰三元材料按一定的配比配成的混合材料。兩者的電壓平臺不一樣,磷酸鐵鋰是3.2V左右,三元鋰是3.6V左右。
最常見的鋰電池充電曲線如下圖所示,但是這些文檔中都沒有區分是哪種鋰電池。
在一篇文檔中將充電過程分解為四個階段:
階段1:涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電(這句表達顯然有點扯。整篇文章中沒有說明是針對具體什么電池。),涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例,則涓流充電電流為100mA);
階段2:恒流充電——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時,提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節電池設定的此電壓為3.0-4.2V;
階段3:恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時,恒流充電結束,開始恒壓充電階段。電流根據電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續充電電流由最大值慢慢減少,當減小到0.01C時,認為充電終止。(C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法,如電池是1000mAh的容量,1C就是充電電流1000mA。);
階段4:充電終止——有兩種典型的充電終止方法:采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結合)。最小電流法監視恒壓充電階段的充電電流,并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時,持續充電兩個小時后終止充電過程。
上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃),那么充電會暫停.充電結束后,如檢測到電池電壓低于3.89V將重新充電。
是否鋰電池的充電基本上遵循上述過程?
需要注意的是,電池在恒電流充放電過程中,電壓并不是不變的。
在恒流充電時,電壓的變化為:上升、平穩、上升(上升到一定程度就不能再充了,再充就叫過充電可能會爆炸的)。就是說,在恒電流充電時,電壓都有一個平穩的過程,而這一平穩值就是充放電平臺。當然那個平穩值可不是絕對的水平,不過是越水平越好,并且持續時間越長越好。因為用電池就是要用那段電壓平穩的時期,而不是用電壓不斷變化的時期。一般來說,標稱電壓是平臺電壓的中心電壓,在此電壓附近,充電和放電時電壓變化都很慢。例如:標稱3.7V的鋰電的平臺電壓在3.7V左右,標稱3.2V的鐵鋰電池的平臺電壓在3.2V左右。
三、恒流充電階段結束時的SOC狀態
我一直想搞明白在恒流充電結束時,SOC達到了多少? 在網上沒有找到這方面的實驗數據。只是在TI的一篇文檔《Selecting the right charge managementSolution》中提到這么一句:“This stage of chargetypically replenishes up to 70% of the capacity.” 這個狀態結束時的SOC只有70%? 但是,這句話的書面意思是,在一個完整的充電過程中,恒流階段充電的容量占總容量的70%。 這和SOC不是一個含義?
實際充電中,不同車型的數據不一樣,但沒有找到完整的多種樣本的可信數據。
以我想當然的理解,直流充電樁給電動公交大巴充電通常是“補電”方式,充電一會兒車子就開走了,這個階段一般是恒流充電,快速地將電池充到SOC 90%以上的狀態,等不及進入恒壓模式,公交大巴就開走了。 問題是:這樣的充電方式容易造成電池的極化現象嗎? 電池的壽命受到影響嗎?或者說,深度充放電和“補電式”的“淺度”充放電,哪種對電池壽命影響大?
四、一個有意思的說法:區分電芯充電過程和電池組充電過程
Wiki網頁上引用的文獻中提出,給單個的電芯充電和給完整的電池充電是有差別的。給單個的電芯充電主要包括兩個階段,恒流(CC)-恒壓(CV)。給完整的電池充電主要包括三個階段: 恒流-均衡(電池已經均衡就無需這一步)-恒壓。
Wiki網頁上對均衡階段的解釋是:減小充電電流,或者周期性地“開通和關斷”充電電流以減小平均電流,通過均衡電路使得每個電芯達到相同的水平,直到達到均衡狀態。這個說法是否在商用中采納?
快速充電是近年來3C領域的研究熱點。在動力電池的快速充電方面的研究,也方興未艾。脈沖充電法是一種快速充電方法,有點意思。摘錄其工作原理如下:
脈沖充電法是采用脈沖形式的電流對電池進行充電,通過調整脈沖幅值和脈沖占空比來控制電池的充入電量和間歇時間,其充電曲線如下所示。采用脈沖充電法給電池充電,首先以一個高幅值大電流恒流充電一段時間,使蓄電池的容量在短時間內迅速上升,然后短暫的停止充電,其目的是消除電池極化現象,再接著不斷重復前面的操作,直至電池充滿電。采用脈沖充電法,能夠有效的去除極化,減輕蓄電池的內壓,減少蓄電池的析氣量,提高蓄電池的充電速率。但它的能量轉換效率低,出氣率高容易使活性物質脫落,從而影響電池的使用壽命,并且此方法尚處于研究階段,因此尚未得到廣泛的推廣使用。
簡言之,充電策略的研究需要在充電效率,電池容量,電池循環壽命,充電安全性等方面找到一個平衡點。因為變量比較多,扯淡忽悠的概念會一直存在。除了材料科學本身的進步,需要材料科學和電力電子科學的跨界研究。加強對充電過程的研究還是必要的。
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