要想充电充得快学点公式不可少(上)

原创 2020-02-04 18:44  阅读

  电动车发展的主要矛盾是什么?在不久之前,是续航里程,单次充电NEDC续航200/300km确实不太够用。但随着时间的车轮向2020年碾去,大部分新车的续航已经来到500km以上,主要矛盾已经逐渐切换为了充电问题。

  500km的NEDC续航上高速一般也可以达到300km的续航能力,差不多2小时多的连续行驶之后,进服务区休整一下也合适,如果车辆能够在30分钟内完成补能,那么就不会对整个行程造成压力。如果进一步,充电能够在5-10分钟左右完成,那么体验和燃油车就不会有太多的差别。而且充电快了之后,同一个充电桩/充电车位的利用率也会改善。

  那么10分钟完成充电离我们有多远?说远不远,宾夕法尼亚州立大学的研究人员10月30日在《焦耳》杂志上发表的研究表明,新开发的锂电池已经能够实现10分钟补充200英里(320公里)续航,充电功率高达400kW,循环寿命也能够达到1700次。

  试验人员将电池加热到60℃进行短时间的大功率充电,并在较低温度下放电,从而避开了低温高电流充电造成的析锂现象(阳极周围的锂离子被大电流不可逆地还原为锂金属,电镀在电极表面,从而造成可用锂离子减少容量降低,并且电极反应面积减小,更危险的是会形成如树枝状的锂枝晶,刺穿隔膜,造成电池内部短路)。

  这项技术的核心在于极为迅速地加热电池以及快速的降温,从而避免电池长时间工作于高温环境,宾夕法尼亚州立大学机械工程师王朝阳(Chaoyang Wang)称,他们改进了电池设计,增加了自加热的镍箔结构,可在不到30秒的时间内预热。“这项研究表明,在有限的暴露时间下,在高温下减轻析锂的好处远远超过了高温加剧副反应带来的负面影响。”

  除此之外,这种新型的能接受大功率充电的电池还需要高度稳定的电解质和活性材料。怎么制备这种材料也是个看着就让人头大的大学问。

  有多头大?随便给你找两个研究案例:Toshiki Nokami等人通过密度泛函理论计算,设计出了有机芘-4,5,9,10-四酮接枝PMMA(Polymer-Bound Pyrene-4,5,9,10-tetraone)锂离子正极材料,这种材料可作为优秀的正极骨架结构,具有卓越的快速充放电能力。

  看不懂?没事,我也看不懂。好吧,把锂电池材料工艺的进化交给研究者,那么,在现有的锂电池条件下,有什么手段可以加快充电速度吗?有,并非单纯的加大充电电流,如今的快充技术通过控制充电的方式,同样可以起到加速充电的作用。

  制约充电速度的因素主要出于安全与寿命考虑,要提高充电速度,首先我们必须要知道,在安全的前提下,电池充电电流最大能达到多少?美国科学家马斯以蓄电池充电时产生气体最少(不对电池产生危害)为前提,研究蓄电池能够接受的最大充电电流(使充电速度最快),从而获得了一条最优曲线:马斯理想充电曲线,可以用以下公式来表达:

  马斯三定律用来描述两个未知数α和I_0。虽然当年马斯的研究对象是铅酸蓄电池,但其基本原理却是放诸四海而皆准,不能定量却可以定性指导锂电池快充技术的发展。

  用白话文来说,第一定律表明如果以同样电流放电,放电越多,充电越快,这也可以解释了为什么充电时,电量低充电快,而电量足的时候充电慢。第二定律指的是放电时候电流越大,充电时候的电流也可以更大,充电越快;第三则表明充电电流不是由某一个放电阶段决定的,而是整个过程共同影响的叠加,带负脉冲的脉冲充电法便可以用马斯三定律进行解释:在充电之前或者过程中适当(快速)放电可以提高充电电流接受比。

  下面介绍三种充电的基本控制方法,其他的基本可以视为这几种方法的组合与拓展。

  1.恒流充电法。通过调整充电装置的电压或者改变蓄电池串联电阻的方式是充电电流保持不变的充电方法,由于电池可接受电流能力随着充电过程逐渐下降,因此如果始终保持较高电流恒电流充电的话,电池无法接受的电流被用于电解水,产生气体,一方面浪费的能源,降低了效率,另一方面,也会造成电池的不可逆损耗并发生危险。因此,恒流充电一般只作为充电的一个阶段。

  2.恒压充电。恒流充电控制电流,而恒压充电则控制施加在电池两端的电压。申博真人网随着充电的进行,电池电动势增加,充电电流会逐渐减小,因而恒压充电在充电中后期对电池较为友好,但充电初期,由于电池电动势很小,充电电流就会显得很大,危害电池安全。另外在充电末期,由于各种活化过电压的存在,充电电流过小,可能会造成充电不足。前期电流过大而末期过小,试验结果显示会影响电池使用寿命。

  3.阶段充电法。由于恒压和恒流单独使用存在各种问题,因此要将他们组合起来使用。如多段恒流、充电初期用大电流恒流,当达到一定电压后改用较小的电流;多段恒压;当前最常用的恒流恒压充电法,在充电初期采用恒电流充电,电流较大,充电速度较快,后期用恒压充电,结合了两者的优点;以及阶段更多的恒流恒压涓流充电等等。

  这几种充电方法共同的特征是连续充电,他们没有考虑到电池在充电过程中必然发生的极化现象。电池循环初期还好,随着循环测试增加,电池老化,极化现象会越发明显。从而使电池电压在恒流充电快速上升,达到临界值而切换为恒压充电,充电速度降低。

  极化现象是什么?简单来说,电池在充电过程中的极化就像倒可乐,倒的越快,越多,杯中产生的泡沫越多,很快就倒满,乃至溢出了,但此时杯中实际上只有半杯可乐,剩下半杯都是泡沫。对应于充电,那就是虚电。关于极化的具体内容,我们下期讲堂继续。

  最后做一个总结:快充技术的发展一方面需要电池制造技术的支持(提高天花板),而另一方面也需要摸索出现有电池的极限(天花板之下搭尽可能高的梯子),单纯搭梯子(充电)很简单,但如何又好又快地搭梯子,让搭的梯子更加坚固(电量“实”),就需要遵循这期讲的马斯三定律。

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