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充電多快可以叫“快充”？

我們充電的基本訴求：

1）充電要快；

2）不要影響電芯壽命；

3）盡量省錢，充電機(jī)放出來多少電，盡量都充到我的電池里。

那么多快就可以叫快充了呢？并沒有什么標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)給出具體數(shù)值，我們暫且參考知名度最高的補(bǔ)貼政策中提及的數(shù)值門檻。

下表是新能源客車2017年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。可以看到，快充的入門級(jí)是3C。實(shí)際上，在乘用車的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中，沒有提及快充的要求。

從一般乘用車的宣傳資料中，可以看到，大家一般認(rèn)為30分鐘充滿80%已經(jīng)可以作為快充的噱頭，拿出來宣傳了，那么姑且認(rèn)為乘用車的1.6C就可以是入門級(jí)快充參考值。

按照這個(gè)思路，宣傳15分鐘充滿80%的，相當(dāng)于3.2C。

快充的瓶頸在哪里？

在快充這個(gè)語境里，相關(guān)方按照物理主體分，包括電池、充電機(jī)、配電設(shè)施。

我們討論快充，直接的想到電池會(huì)不會(huì)有問題。

實(shí)際上，在電池有問題之前，首先是充電機(jī)，配電線路的問題。

我們提到特斯拉的充電樁，其名曰超級(jí)充電樁，它的功率是120kW。

按照特斯拉ModelS85D的參數(shù)，96s75p，232.5Ah，最高403V計(jì)算，其1.6C對(duì)應(yīng)最大需求功率為149.9kW。

從這里就可以看到，關(guān)于長續(xù)航純電動(dòng)汽車型，1.6C或者說30分鐘充滿80%已經(jīng)對(duì)充電樁構(gòu)成考驗(yàn)。

在國家標(biāo)準(zhǔn)中，不允許在原來的居民用電網(wǎng)絡(luò)中直接直接設(shè)置充電站。1臺(tái)快充樁的用電功率就已經(jīng)超出幾十戶居民的用電量。

因此，充電站都要單獨(dú)設(shè)置10kV變壓器，而一個(gè)區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)并非都有余量新增更多的10kV變電站。

然后說道電池。電池是否能夠承載1.6C或者3.2C的充電要求，可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度來看待。

宏觀上的快速充電理論

之所以這節(jié)的題目叫做“宏觀上的快速充電理論”，是因?yàn)橹苯記Q定電池快速充電能力的是鋰離子電池內(nèi)部正負(fù)極材料性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)，電解液成分、添加劑，隔膜性質(zhì)等等，這些微觀層面的內(nèi)容，我們暫時(shí)放在一邊，站在電池外邊，看鋰離子電池快速充電的方法。

1.鋰離子電池存在最優(yōu)充電電流

1972年美國科學(xué)家J.A.Mas提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律，要注意的是，這個(gè)理論是針對(duì)鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應(yīng)氣體的出現(xiàn)，顯然這個(gè)條件與具體的反應(yīng)類型有關(guān)。

但系統(tǒng)存在最優(yōu)解的思想，卻是放之四海而皆準(zhǔn)的。

具體到鋰離子電池，界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新含義。

基于一些研究文獻(xiàn)的結(jié)論，其最優(yōu)值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢。

值得注意的是，鋰離子電池的最大可接受充電電流的邊界條件，除了要考慮鋰離子電池單體的因素，還要考慮系統(tǒng)級(jí)別的因素，比如散熱能力不同，系統(tǒng)的最大可接受充電電流是不同的。

然后我們暫且以這樣的基礎(chǔ)繼續(xù)向下討論。

馬斯定理的公式描述：

I=I0*e^αt

式中；I0為電池初始充電電流；α為充電接受率；t為充電時(shí)間。I0和α的值與電池類型、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關(guān)。

現(xiàn)階段對(duì)電池充電方法的研究重要是基于最佳充電曲線來開展的。

如下圖所示，假如充電電流超過這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會(huì)新增電池的析氣量；

假如小于此最佳充電曲線，雖然不會(huì)對(duì)電池造成傷害，但是會(huì)延長充電時(shí)間，降低充電效率。

對(duì)這個(gè)理論的闡述包含三個(gè)層次，是為馬斯三定律：

①關(guān)于任何給定的放電電流，蓄電池充電時(shí)的電流接受比α與電池放出的容量平方根成反比；

②關(guān)于任何給定的放電量，α與放電電流Iｄ的對(duì)數(shù)成正比；

③蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個(gè)放電率下的允許充電電流的總和。

以上定理，也是充電接受能力這個(gè)概念的來源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈，沒有看到統(tǒng)一官方的含義。

按照自己的理解，充電接受能力就是在特定環(huán)境條件下，具備一定荷電量的可充電電池充電的最大電流。

可以接受的含義是不會(huì)出現(xiàn)不應(yīng)有的副反應(yīng)，不會(huì)對(duì)電芯的壽命和性能造成不良影響。

進(jìn)而理解一下三定律。第一定律，在電池放出一定電量以后，其充電接受能力與當(dāng)前荷電量有關(guān)，荷電量越低，其充電接受能力越高。

第二定律，充電過程中，出現(xiàn)脈沖放電，有助于幫助電池提高實(shí)時(shí)的可接受電流值；

第三定律，充電接受能力會(huì)受到充電時(shí)刻以前的充放電情況的疊加影響。

假如馬斯理論也適用于鋰離子電池，則反向脈沖充電（下文中具體名稱為Reflex快速充電法）除了可以用去極化的角度解釋其對(duì)溫升抑制有幫助以外，馬斯理論也作為對(duì)脈沖方法的支撐。

而更進(jìn)一步的，真正將馬斯理論全盤運(yùn)用的，是智能充電方法，即跟蹤電池參數(shù)，使得充電電流值始終因循鋰離子電池的馬斯曲線變化，使得在安全邊界以內(nèi)，充電效率達(dá)到最大化。

常見快速充電方法

鋰離子電池的充電方法有很多種，針對(duì)快速充電的要求，其重要方法包括脈沖充電、Reflex充電，和智能充電。

不同的電池類型，其適用的充電方式也不完全相同，在方法這節(jié)不做具體區(qū)分。

1.脈沖充電

這是來自文獻(xiàn)中的一個(gè)脈沖充電方式，其脈沖階段設(shè)置在充電觸及上限電壓4.2V以后，并在4.2V以上持續(xù)進(jìn)行。

暫且不提其具體參數(shù)設(shè)置的合理性，不同類型電芯存在差異。

我們關(guān)注一下脈沖執(zhí)行過程。

下面是脈沖充電曲線，重要包括三個(gè)階段：預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。

在恒流充電過程中以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。

當(dāng)電池電壓上升到上限電壓（4.2V）時(shí)，進(jìn)入脈沖充電模式：用1C的脈沖電流間歇地對(duì)電池充電。

在恒定的充電時(shí)間Tc內(nèi)電池電壓會(huì)不斷升高，充電停止時(shí)電壓會(huì)慢慢下降。

當(dāng)電池電壓下降到上限電壓（4.2V）后，以同樣的電流值對(duì)電池充電，開始下一個(gè)充電周期，如此循環(huán)充電直到電池充滿。

在脈沖充電過程中，電池電壓下降速度會(huì)漸漸減慢，停充時(shí)間T0會(huì)變長，當(dāng)恒流充電占空比低至5%～10%時(shí)，認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，終止充電。

與常規(guī)充電方法相比，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會(huì)被消除，使下一輪的充電更加順利地進(jìn)行，充電速度快、溫度的變化小、對(duì)電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。

但其缺點(diǎn)很明顯：要一個(gè)有限流功能的電源，這新增了脈沖充電方式的成本。

2.間歇充電法

鋰離子電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。

1）變電流間歇充電法

變電流間歇充電法是由廈門大學(xué)陳體銜教授提出來的，它的特點(diǎn)是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。

如下圖所示，變電流間歇充電法的第一階段，先采用較大電流值對(duì)電池充電，在電池電壓達(dá)到截止電壓V0時(shí)停止充電，此時(shí)電池電壓急劇下降。

保持一段停充時(shí)間后，采用減小的充電電流繼續(xù)充電。當(dāng)電池電壓再次上升到截止電壓V0時(shí)停止充電，如此往復(fù)數(shù)次（一般約為3～4次）充電電流將減小設(shè)定的截止電流值。

然后進(jìn)入恒電壓充電階段，以恒定電壓對(duì)電池充電直到充電電流減小到下限值，充電結(jié)束。

變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下，采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流，即加快了充電過程，縮短了充電時(shí)間。

但是這種充電模式電路比較復(fù)雜、造價(jià)高，一般只有在大功率快充時(shí)才考慮采用。

2）變電壓間歇充電

在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上，有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過程，將間歇恒流換成間歇恒壓。

比較上面圖(a)和圖(b)，可見恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。

在每個(gè)恒壓充電階段，由于電壓恒定，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。

3）Reflex快速充電法

Reflex快速充電方法，又被稱為反射充電方法或“打嗝”充電方法。

該方法的每個(gè)工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個(gè)階段。

它在很大的程度上解決了電池極化現(xiàn)象，加快了充電速度。但是反向放電會(huì)縮短鋰離子電池壽命。

如上圖所示，在每個(gè)充電周期中，先采用2C的電流充電時(shí)間為10s的Tc，然后停充時(shí)間為0.5s的Tr1，反向放電時(shí)間為1s的Td，停充時(shí)間為0.5s的Tr2，每個(gè)充電循環(huán)時(shí)間為12s。隨著充電的進(jìn)行，充電電流會(huì)逐漸變小。

4）智能充電法

智能充電是目前較先進(jìn)的充電方法，如下圖所示，其重要原理是應(yīng)用du/dt和di/dt控制技術(shù)，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態(tài)，動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。

這類智能方法，一般結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等先進(jìn)算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化。

5.充電方式對(duì)充電速率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)比較了恒流充電方法和一種反向脈沖充電。恒流充電就是整個(gè)充電過程中以恒定不變的電流對(duì)電池進(jìn)行充電充。

恒流充電初期，可以有大電流充電，但隨著時(shí)間的推移，極化電阻逐漸顯現(xiàn)并新增，造成更多的能量轉(zhuǎn)化成熱量，消耗掉并使得電池溫度逐漸上升。

恒流充電與脈沖充電的比較

脈沖充電方法，是以一段時(shí)間的充電之后，出現(xiàn)短暫的反向充電電流。

其基本形式如下圖所示。充電過程中夾雜短暫的放電脈沖，起到去極化的用途，降低極化電阻在充電過程中造成的影響。

有研究專門比較了脈沖充電與恒流充電的效果差異性。取平均電流為１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ和４Ｃ（Ｃ為電池額定容量數(shù)值），分別做了４組比較實(shí)驗(yàn)，通過電池充完后放出的電量來衡量實(shí)際充入的電量下。

圖為充電電流為２Ｃ時(shí)脈沖充電的電流及電池端電壓波形。表１為恒流脈沖充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。脈沖周期為１ｓ，正脈沖時(shí)間為0.９ｓ，負(fù)脈沖時(shí)間為０.１ｓ。

Ichav為充電平均電流，Qin為充入電量；Qo為放出電量，η為效率。