快速充电和脉冲充电简介

原创 EV汽车邦 2023-03-25 12:45

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案

快速充电对于电动汽车 (EV) 的普及至关重要，但更高电流的充电通常是以牺牲电池寿命为代价的。
多级恒流 (MCC)、脉冲充电、升压充电和可变电流曲线 (VCP) 是用于在不影响电池寿命的情况下缩短充电时间的快速充电方法。
脉冲充电使用由短弛豫周期分隔的高电流脉冲，以尽量减少退化。
可能将充电时间缩短 5-20%，但用于 EV 的商用脉冲充电器需要新硬件，目前尚不可用。

介绍

在过去几年中，锂离子电池在设计、性能和寿命方面取得了显着改进。因此，可充电锂离子电池的应用已经从电子设备（包括电话、笔记本电脑和数码相机）扩展到电动汽车 (EV) 和电网存储应用。然而，每次电池经历充电和放电循环时，它都会损失一点容量，最终达到无法再存储应用所需能量的程度，需要更换。

电池管理策略用于最大限度地减少这种退化及其对消费者的影响。最常见的策略之一是限制电池的电压或充电状态 (SOC)。例如，许多商用锂离子电池可以从 2.5V 循环到 4.2V 或 0% 到 100% SOC。然而，在正常运行期间，电池管理系统可以将 SOC 保持在 5% 到 95% 之间，防止电池在其充电和放电极限的极端情况下运行，并允许电池在更多循环中保持其所需的容量水平.

快速充电锂离子电池

充电策略本身对于延长电池寿命至关重要。虽然几乎总是需要更快的充电速度，但一般规则是电池充电越快，电池性能下降的速度就越快。因此，正在开发和实施许多不同的策略，包括脉冲充电，以减轻快速充电造成的退化。

现有收费方式

锂离子电池通常使用恒流-恒压（CC-CV）方法进行充电，通常在 CC 阶段充电半小时至两小时（C/2 至 2C），在 CV 阶段再充电半小时至一小时实现完全充电，取决于电池的化学成分和设计。（1C 放电意味着所施加的电流将在 1 小时内为空电池充满电，而 2C 速率将在 30 分钟内为电池充满电。）

现有的快充方式

只需增加电流即可实现更快的充电速度，但以较高电流重复充电往往会降低电池寿命和性能。虽然快速充电引起的退化程度可能因电池化学性质而异，但最常用的化学物质、用于电子设备的钴酸锂 (LCO) 以及镍锰钴氧化物 (NMC) 和镍钴铝氧化物 (NCA) 很容易受到影响当以较高电流连续充电时，容量会随着时间的推移而损失。

常见的快充策略如下：

恒流恒压（CC-CV）是迄今为止最常见的充电方式。电池以恒定电流 (CC) 充电至截止电压，然后以恒定电压 (CV) 保持，直到电流衰减至接近零。CV 阶段可以在不超过电压限制的情况下获取更多电池容量，但是，由于电流在 CV 阶段呈指数下降，这会显着延长充电时间。

恒功率—恒电压 (CP-CV)与 CC-CV 类似，不同之处在于使用恒功率而不是恒电流来充电到特定的电压限制，然后再切换到恒电压。在一项研究中，当电池以 1C 充电时，CP-CV 充电导致更好的容量保持，这可能是由于在高 SOC 下电流较低，而 CC-CV 在 0.5C 下具有更好的保持。

多级恒流（MCC）协议试图通过将较高的 C 速率充电限制在减少的 SOC 窗口来减轻快速充电的退化。典型的协议包括多个 CC 阶段，然后是一个 CV 阶段，在较低的 SOC 下具有较高的电流。例如，1.5C 至 3C 的 C 倍率可能仅在低 SOC 下应用几分钟，然后电流会降至 1C 以下以用于剩余的充电。这种方法旨在减少热量的产生并避免导致锂电镀和其他降解模式的条件。但即使是这种充电时间的减少也可能无法完全实现。虽然以较高电流充电可以让电池更快地达到最大充电电压，但它通常也会导致 CV 步骤花费更多时间。

脉冲充电协议周期性地中断充电电流，具有较短的休息时间或放电脉冲。脉冲充电被认为可以抑制枝晶生长，并且可以在有或没有 CV 阶段的情况下实施。一些研究表明，由于较高的活性材料利用率 [3]、[6]、[7]，无 CV 的脉冲充电可缩短充电时间，同时保持较高的容量。然而，其他研究表明，不同脉冲充电协议和 CC-CV 之间的容量衰减没有显着差异。脉冲充电将在本文后面的章节中进行更详细的讨论。

升压充电协议在充电开始时提供高平均电流，然后以较低电流提供 CC-CV。初始升压充电阶段通常由高电流 CC 或 CV 组成，其中电池立即达到最大电压，或 CC-CV 中两者的组合。整体概况可能类似于 CV-CC-CV 或 CC-CV-CC-CV。与 CC-CV 方法相比，升压充电的结果不是决定性的。一些升压协议能够减少充电时间以换取更高的容量衰减。

还提出了具有不同复杂性的可变电流曲线 (VCP)用于快速充电。举个例子，通用电压协议 (UVP) 是通过优化一组 CC-CV 曲线得出的，旨在减少充电时间和因加热造成的能量损失。在这种方法中，电流在低 SOC 时迅速增加，然后迅速下降。然而，随着电池老化，需要调整电流曲线以考虑电池内阻的变化。虽然这种方法能够减少充电时间，但长期老化循环的影响仍需要进一步研究。

图 1：常见类型的快速充电协议的示意图。a) 恒流-恒压 (CC-CV), b) 恒功率-恒压 (CP-CV), c)多级恒流-恒压 (MCC-CV), d) 脉冲充电, e) 升压充电a CC-CV-CC-CV 方案，f) 可变电流曲线 (VCP) [1]

脉冲充电

脉冲充电是减少充电时间同时保持循环寿命的几种充电方法之一，由重复的高电流脉冲组成，由低电流或短弛豫周期分隔，如图 2 所示。仍需要较长的 CV 阶段才能在尽管一项研究表明初始 CC 阶段也可用于捕获部分这种容量

图 2： (a) 用于为锂离子电池充电的脉冲 CV 曲线图

图 2： (b) 脉冲充电中使用的电流脉冲曲线示意图，其中Ip指峰值脉冲电流，Iavg 指等效恒定电流，Δt 指脉冲宽度，T 指周期。

脉冲充电的常见参数包括频率、脉冲宽度和弛豫，一些协议甚至在弛豫期间脉冲负电流。脉冲频率通常在 200 mHz 至 13 kHz 范围内，占空比在 25% 至 75% 之间。平均电流IAvg是峰值电流Ipk和占空比D的乘积：

冲充电对锂离子电池的影响

如果实施得当，脉冲充电可以提供一些优于传统 CC-CV 充电的优势。大多数研究表明，脉冲充电可以将充电时间缩短 5-20%，而对循环寿命没有影响或仅略有缩短。一些文献表明，脉冲充电对于能够进行更高 C 倍率充电的化学物质（例如 LFP 和 LTO）更为有利。尽管这些电池化学物质已经可以以更高的 C 倍率充电，但一项研究称，脉冲充电具有提高往返效率的额外好处，因为与 CC 充电相比，脉冲充电能够利用更多的活性锂库存。相比之下，较高能量密度的化学物质，例如主要用于电子产品的钴酸锂 (LCO)、镍锰钴氧化物 (NMC) 和镍钴铝氧化物 (NCA)，

电动汽车的脉冲充电是否可行？

简短的回答是否定的，至少现在还没有。实际上，更高的峰值电流和脉冲波形都需要更先进的充电电路，这仍有待优化。此外，与传统的 CC-CV 相比，这些更高的峰值电流可以快速加热电池，因为电阻损耗与电流的平方成正比，并且这些升高的温度可能对电池的寿命产生负面影响。