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二次锂电池充电方法分析:速度、寿命与成本的比较

2024-06-11 18:12:27发布    浏览3次    信息编号:74940

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二次锂电池充电方法分析:速度、寿命与成本的比较

二次锂电池具有单次输出电压高、循环寿命长、比能量高、体积小、自放电小、无记忆效应、无污染、使用温度范围广等优点,广泛应用于各个领域。对于锂电池来说,充电方式对其性能影响很大,合理的充电方式可以延长锂电池的寿命,提高充电效率。

本文就锂电池的各种充电方式进行分析,并从充电速度、使用寿命、实施成本等方面比较各自的优缺点,供大家参考讨论。

1、理论基础 1972年美国科学家JAMAS提出,电池在充电过程中,存在一条最佳充电曲线:I=I0e-αt,式中I0为电池的初始充电电流;α为充电接受率;t为充电时间。I0和α的数值与电池的类型、结构、使用年限等有关。

目前对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线,如图1所示,如果充电电流超过此最佳充电曲线,不但不能提高充电率,还会增加电池的气化现象;如果小于此最佳充电曲线,虽然不会对电池造成损害,但会延长充电时间,降低充电效率。

2、充电方式锂电池的充电方式有很多种,按照充电效率可以分为常规充电和快速充电。常规充电方式有恒流充电、恒压充电、阶段充电和间歇充电等,而快速充电又有脉冲充电和充电方式。最后分析一下智能充电。

1、恒流充电恒流充电根据充电电流的大小可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在整个充电过程中,一般通过调整电源的充电电压或改变与电池串联的电阻值来维持电池的充电电流不变。此种方式的优点是控制简单,适用于多节电池串联的电池组充电。其缺点是随着充电的进行,锂电池接受充电的能力会逐渐下降,在充电后期,过大的充电电流会使电池内部产生气泡,对电池造成损害。因此,恒流充电常作为阶段充电中的一个环节。

2、恒压充电 恒压充电是指在整个充电过程中,充电电压保持恒定,随着电池状态的变化而自动调节充电电流,随着充电的进行,充电电流逐渐减小。与恒流充电相比,它的充电过程更接近最佳充电曲线,控制简单,成本低。缺点是充电时间长,充电开始时电池充电电流过大,直接影响锂电池的寿命和质量。因此,恒压充电方式很少单独使用,只在充电电源电压较低、电流较大的情况下使用。

3、恒流恒压充电图2为恒流恒压充电曲线。开始充电前,先检测电池电压,若电池电压低于阈值电压(约2.5V),则以C/10小电流涓流充电,使电池电压缓慢上升。当电池电压达到阈值电压后,开始恒流充电,此阶段以较大电流(0.5C~1 C)对电池进行快速充电,电池电压上升较快,电池容量达到额定值。

约85%;电池电压升到上限电压(4.2V)后,电路转为恒压充电模式,电池电压基本维持在4.2V,充电电流逐渐减小,充电速度变慢。此阶段主要是为了保证电池充满电,当充电电流降到0.1C或0.05C时,判断电池充满电。图2恒流恒压充电曲线

恒流恒压充电避免了恒压充电初期充电电流过大的问题,又克服了恒流充电后期过充现象,结构简单,成本低,是目前锂电池充电方式中应用较为广泛的一种,但其无法消除电池充电过程中的极化现象,影响充电效果。

4、脉冲充电如图3所示,为脉冲充电曲线,主要包括预充电、恒流充电和脉冲充电三个阶段。

恒流充电过程中,电池以恒定电流充电,大部分能量转移到电池内部。当电池电压升到上限电压(4.2V)时,进入脉冲充电模式:以1C的脉冲电流间歇地对电池进行充电。在恒定充电时间Tc内,电池电压会继续上升,充电停止时电压会缓慢下降。当电池电压降至上限电压(4.2V)时,以同样的电流值对电池进行充电,开始下一个充电周期。重复充电周期,直到电池充满电。

脉冲充电过程中,电池电压下降速度会逐渐变慢,停止充电时间T0变长。当恒流充电占空比低至5%~10%时,认为电池已充满电,终止充电。与常规充电方式相比,脉冲充电能以较大的电流进行充电,在停止充电期间,电池的浓度极化和欧姆极化将被消除,使得下一轮充电更加平稳。其充电速度快,温度变化小,对电池寿命影响小,因此,目前被广泛应用。但是它的缺点也很明显:需要采用具有限流功能的电源,这增加了脉冲充电方式的成本。

等人研究的脉冲充电,每个充电周期约持续1秒,先对电池进行正向充电,然后停止充电,并以反向放电各持续20至30毫秒。正脉冲电流对电池进行充电,而负脉冲电流则减少电极的气体析出,电池可以用较大的电流快速充电。

5、间歇充电法 锂电池间歇充电法有可变电流间歇充电法、可变电压间歇充电法。

变电流间歇充电法变电流间歇充电法是由厦门大学陈体贤教授提出的,其特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。如图4(a)所示,在变电流间歇充电法的第一阶段(也是主阶段),先采用较大的电流值对电池进行充电,当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。

充电暂停一段时间后,以减小的充电电流继续充电,当电池电压再次升至截止电压V0时,停止充电,经过若干次往复循环(一般约3~4次),充电电流将减小设定的截止电流值。然后进入恒压充电阶段,以恒定电压对电池进行充电,直至充电电流减小到下限,充电完成。变电流间歇充电法的主充电阶段,在限制充电电压的条件下,采用电流逐渐减小的间歇方式增加充电电流,加快了充电过程,缩短了充电时间。但此种充电方式电路相对复杂,价格昂贵,一般只考虑用于大功率快速充电。

在变电流间歇充电法的基础上,有人研究了变电压间歇充电法。二者的区别在于充电过程的第一阶段,用间歇恒压代替了间歇恒流。对比图4(a)和图4(b)可以看出,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,充电电流自然按指数规律减小,这符合随着充电的进行,电池电流接受率逐渐减小的特性。

6、快速充电法 快速充电法又称反射充电法或“打嗝”充电法,此法每个工作周期包括正向充电、反向瞬时放电、停止充电三个阶段,很大程度上解决了电池极化现象,加快了充电速度,但反向放电会缩短锂电池的寿命。

Sheng-Yuan Ou 和 Jen-Hung Tian 研究了快速充电方法,其充电曲线如图 5 所示,在每个充电周期中,首先采用 2C 电流,充电时间 Tc 为 10s,然后是充电停止时间 Tr1 为 0.5s,反向放电时间 Td 为 1s,充电停止时间 Tr2 为 0.5s,每个充电周期时间为 12s。随着充电的进行,充电电流会逐渐减小。实验表明,这种充电方式可以缩短单个锂电池的充电时间。

经过40分钟,电池温度仅上升1.1℃,充电效率达到87.51%。

7、智能充电法智能充电是目前最先进的充电方法,如图6(a)所示,其主要原理是应用du/dt、di/dt控制技术,通过检测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,使充电电流自始至终接近电池可接受的最大充电曲线,这样可以快速充电,且产生很少的气化现象。

如图(b)所示,将神经网络与模糊控制相结合,研究模糊神经网络控制器及神经网络模型,设计智能充电控制系统。它兼具模糊控制器善于表达人的经验知识、推理能力强的特点和神经网络控制器直接从控制数据中学习知识、学习能力强的特点。实验验证表明,该智能充电方法在充电过程中电压变化平稳,充电时间短。因此,作为模糊自适应控制方案之一,今后将受到越来越多的重视。

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