普林斯頓電化學(xué)工作站 時間:2023-03-03
近來,盡管動力電池快充技術(shù)在快速發(fā)展,但充電時間,效率和壽命焦慮依然是全球范圍內(nèi)使用電動車的主要焦慮。鋰離子電池以高能量密度和長壽命成為電動車的主要能源。當(dāng)前,有幾種方式來控制快充條件下的電池健康狀態(tài)。本文提出了充電協(xié)議的清晰分類,將快充協(xié)議分為功率管理協(xié)議,依賴于對電流,電壓和電池溫度控制的熱管理協(xié)議,以及依賴于鋰離子電池材料物理修飾和化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料層面的充電協(xié)議。并分析了每種快充協(xié)議的要求,優(yōu)勢和劣勢。
Fig 1 電動汽車(EV)研究路線圖
材料-電極-電池層級對快充的影響
快充協(xié)議的目的是降低充電時間,優(yōu)化效率和循環(huán)壽命,降低充電損失。消除大倍率充電和深度放電所導(dǎo)致的活性物質(zhì)損失,電極表面的SEI膜重整,內(nèi)部溫度變化和減小容量損失。
Fig 2 鋰離子電池主要快充充電協(xié)議類型
Fig 3主要快充協(xié)議的優(yōu)勢及劣勢
CC-CV 作為傳統(tǒng)的充電協(xié)議,其示意圖如Fig 4 所示,即恒電流充到指定電位后,在截止電壓下持續(xù)恒壓充電至電流降低為0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要問題是充電時間較長,且CV恒壓過程會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
Fig 4 恒電流-恒電位充電(CC-CV)示意圖
Fig 5 多步恒電流(MCC) 充電協(xié)議種類(a) 充電電流多步變換(b) 混合技術(shù)(HT) (c) 條件隨機(jī)變化技術(shù) (CRT)(d) 多步恒電流超快充技術(shù) (ML MCC-CV)
MCC充電協(xié)議是通過多步的變換的恒電流進(jìn)行充電,作為目前最具潛力的超快充技術(shù),有利于縮短充電時間,同時降低電池的衰減和能量損失,并提高效率,降低產(chǎn)生的熱,避免析鋰和過充等,但是,MCC充電協(xié)議需要對電池內(nèi)部的電路進(jìn)行全面準(zhǔn)確評估后才能有效進(jìn)行開發(fā)。因此,MCC的開發(fā)需要直流和交流阻抗技術(shù)組合使用。
Fig 6 熱管理協(xié)議恒溫-恒壓充電協(xié)議示意圖
熱管理充電協(xié)議依賴于對環(huán)境溫度和電池溫度的控制,溫度作為影響電池老化非常重要的因素, 一種新的快充協(xié)議基于恒溫很恒壓(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于施加2C電流,然后電流指數(shù)衰減至1C ,當(dāng)電壓到達(dá)4.2V時,電流開始衰減至0.1C。為了維持溫度恒定,采用PID進(jìn)行溫度控制。
Fig 7 脈沖充電電流示意圖
Fig 8 脈沖電流充電協(xié)議
(a) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議-固定占空比
(b) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議-變化占空比
(c) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議-衰減電流
(d) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議高-低電流變化
(e) 不同的電壓脈沖
PCC 協(xié)議依賴于控制負(fù)載的循環(huán),頻率和充電脈沖的幅值等,PCC有利于縮短充電時間,低溫條件下加熱電池,抑制鋰析出,增加功率轉(zhuǎn)換,有利于消除濃差極化。缺點是控制器要求極其復(fù)雜,難度很高。
經(jīng)過以上分析,功率控制協(xié)議,由于充電時間短,發(fā)熱量低,效率高,避免鋰析出等優(yōu)勢,成為目前鋰離子電池快充最具潛力的方法之一,由于其波形的復(fù)雜性,對于溫度的監(jiān)測,析鋰的有效評價等以及鋰離子電池內(nèi)部等效電路的全面分析,對于所使用的開發(fā)設(shè)備提出巨大挑戰(zhàn)。多步電流法及脈沖電流快充協(xié)議,測試設(shè)備需要具備以下能力。
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
北京申乾科技 ? 2008-2025 All Rights Reserved 北京申乾科技有限公司版權(quán)所有 備案:京ICP備2021019260號-1 白帽優(yōu)化網(wǎng)提供建站授權(quán)技術(shù)支持
本站圖版文字視頻這類版權(quán)聲明:申乾科技無法鑒別所上傳圖片文字視頻等知識版權(quán),如果涉獵侵犯版權(quán)或違法內(nèi)容,請及時通知聯(lián)系普法志愿服務(wù)網(wǎng)平臺法務(wù)138-4016-4561,官方將在第一時間及時刪除!