動力電池 | 超快充(XFC)要求及開發策略

近來，盡管動力電池快充技術在快速發展，但充電時間，效率和壽命焦慮依然是全球范圍內使用電動車的主要焦慮。鋰離子電池以高能量密度和長壽命成為電動車的主要能源。當前，有幾種方式來控制快充條件下的電池健康狀態。本文提出了充電協議的清晰分類，將快充協議分為功率管理協議，依賴于對電流，電壓和電池溫度控制的熱管理協議，以及依賴于鋰離子電池材料物理修飾和化學結構的材料層面的充電協議。并分析了每種快充協議的要求，優勢和劣勢。

Fig 1 電動汽車(EV)研究路線圖

材料-電極-電池層級對快充的影響

快充協議的目的是降低充電時間，優化效率和循環壽命，降低充電損失。消除大倍率充電和深度放電所導致的活性物質損失，電極表面的SEI膜重整，內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議類型

Fig 3主要快充協議的優勢及劣勢

CC-CV 作為傳統的充電協議，其示意圖如Fig 4 所示，即恒電流充到指定電位后，在截止電壓下持續恒壓充電至電流降低為0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要問題是充電時間較長，且CV恒壓過程會導致電池內部發生化學反應。

Fig 4 恒電流-恒電位充電(CC-CV)示意圖

Fig 5 多步恒電流(MCC) 充電協議種類

(a) 充電電流多步變換

(b) 混合技術(HT) 

(c) 條件隨機變化技術 (CRT)

(d) 多步恒電流超快充技術 (ML MCC-CV)

MCC充電協議是通過多步的變換的恒電流進行充電，作為目前最具潛力的超快充技術，有利于縮短充電時間，同時降低電池的衰減和能量損失，并提高效率，降低產生的熱，避免析鋰和過充等，但是，MCC充電協議需要對電池內部的電路進行全面準確評估后才能有效進行開發。因此，MCC的開發需要直流和交流阻抗技術組合使用。

Fig 6 熱管理協議

恒溫-恒壓充電協議示意圖

熱管理充電協議依賴于對環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，然后電流指數衰減至1C ,當電壓到達4.2V時，電流開始衰減至0.1C。為了維持溫度恒定，采用PID進行溫度控制。

Fig 8 脈沖電流充電協議

(a) 標準協議-固定占空比

(b) 標準協議-變化占空比

(c) 標準協議-衰減電流

(d) 標準協議高-低電流變化

(e) 不同的電壓脈沖

經過以上分析，功率控制協議，由于充電時間短，發熱量低，效率高，避免鋰析出等優勢，成為目前鋰離子電池快充最具潛力的方法之一，由于其波形的復雜性，對于溫度的監測，析鋰的有效評價等以及鋰離子電池內部等效電路的全面分析，對于所使用的開發設備提出巨大挑戰。多步電流法及脈沖電流快充協議，測試設備需要具備以下能力。