近來(lái)，盡管動(dòng)力電池快充技術(shù)在快速發(fā)展，但充電時(shí)間，效率和壽命焦慮依然是全球范圍內(nèi)使用電動(dòng)車的主要焦慮。鋰離子電池以高能量密度和長(zhǎng)壽命成為電動(dòng)車的主要能源。當(dāng)前，有幾種方式來(lái)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(duì)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(shì)和劣勢(shì)。

Fig 1 電動(dòng)汽車(EV)研究路線圖

鋰離子電池不同層級(jí)對(duì)快充的影響

材料-電極-電池層級(jí)對(duì)快充的影響

鋰離子電池快充協(xié)議

快充協(xié)議的目的是降低充電時(shí)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(shì)及劣勢(shì)

恒電流恒電位充電協(xié)議

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(wèn)題是充電時(shí)間較長(zhǎng)，且CV恒壓過(guò)程會(huì)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

多步恒電流(MCC) 充電協(xié)議種類

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(guò)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(shí)間，同時(shí)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(guò)充等，但是，MCC充電協(xié)議需要對(duì)電池內(nèi)部的電路進(jìn)行全面準(zhǔn)確評(píng)估后才能有效進(jìn)行開(kāi)發(fā)。因此，MCC的開(kāi)發(fā)需要直流和交流阻抗技術(shù)組合使用。

熱管理協(xié)議

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(duì)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(shí)，電流開(kāi)始衰減至0.1C。為了維持溫度恒定，采用PID進(jìn)行溫度控制。

脈沖電流充電協(xié)議(PCC)

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(shí)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(diǎn)是控制器要求極其復(fù)雜，難度很高。

結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上分析，功率控制協(xié)議，由于充電時(shí)間短，發(fā)熱量低，效率高，避免鋰析出等優(yōu)勢(shì)，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(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)，析鋰的有效評(píng)價(jià)等以及鋰離子電池內(nèi)部等效電路的全面分析，對(duì)于所使用的開(kāi)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(cè)試設(shè)備需要具備以下能力。

參考文獻(xiàn)

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