疯狂守寡多年的的肥岳

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      解析不同種類功率型18650電池循環的影響

      來源:www.eternalphase.net 發布時間:2019年09月30日

        18650作為鋰電池中大型且比較很受消費者的喜歡,它的充電原理和充電原理是消費者不愛到的,昆明鋰電池,那么讓我們看看哪種充電方式對18650鋰電池影響最大?首先我們來分析一下常見的幾種充電策略。
       


      1.恒流恒壓(CCCV)
       
        恒流恒壓充電是最為常見也是最為普通的充電方式,充電開始的階段采用恒流充電的模式對鋰離子電池進行充電,當達到設置電壓后轉而控制電壓不變而不斷降低充電電流直到電流達到設置值或者時間達到設定值(如下圖a所示)。這種充電策略充電時間主要受到恒流充電電流Icc大小的影響,充電容量則主要受到充電截止電壓Vch和恒壓充電截止電流Iend的影響,而相關的研究也表明高的充電截止電壓Vch和大的充電電流Icc會導致鋰離子電池的壽命顯著劣化。
       
      2.多步恒流充電法(MSCC)
       
        在這種充電策略中不再使用恒壓充電,而是采用了多步的充電電流遞減的恒流充電策略,例如采用I1恒流充電到截止電壓后,繼續采用更小的電流I2充電到截止電壓,依次類推直到電流降低到最終截止電流。
       
      3.脈沖充電法(PC)
       
        這種充電方法可以在一些相關的文獻報道中發現,在這種充電策略中充電的過程中可能會采用一系列的調整充電電流甚至是充電方向(放電)的短時間脈沖構成,常見的脈沖充電策略有兩種,一種是僅將CCCV充電中的恒壓充電部分替換為脈沖充電(如下圖c所示),另外一種是將整個過程都替換為脈沖充電。
       
      4.加速充電(BC)
       
        所謂的加速充電模式是在CCCV充電模式的基礎上增加了一個大電流的CC或者恒功率充電過程,從而達到降低充電時間的目的(如下圖e所示),有研究表明加速充電模式能夠有效的提升鋰離子電池的充電效率,同時又不會對鋰離子電池的循環壽命產生顯著的影響。
       
        實驗中作者選擇了來自三洋、索尼和A123的三款功率型18650鋰離子電池,電池的額定容量為1A左右,三款電池的信息如下表所示,下圖a為A、B和C三種電池在小電流下的放電曲線。實驗中共采用了四種充電制度,CCCV(恒流恒壓)、CCPC(恒流脈沖)、PC(脈沖)和BC(加速充電)。
       
        由于CCCV充電策略是最為常見的充電方式,因此在該試驗中也是將CCCV充電方式作為基線進行參考,表2為CCCV充電所采用的策略,主要考察了不同的充電電流(1A、3A和5A)和充電截止電壓的影響。表3為CCPC(恒流脈沖)充電的策略,以3A作為充電電流。表4為PC(脈沖)充電的策略,其中高電流為5A,低電流為1A,高低電流的持續時間相同,主要測試了不同的頻率對電池的影響。表5為BC(加速充電)充電策略,主要測試了不同SoC范圍內進行加速充電對于電池性能的影響。

      1.恒流恒壓充電(CCCV)
       
      1.1充電電流的影響
       
        CCCV充電策略中采用不同充電電流時電池充電所需要的時間,從圖中能夠看到電池A和C大部分容量都是在恒流充電的過程中完成的,而恒壓充電容量僅占非常小的一部分,而對于電池B恒壓充電的時間占比較大。
       
        對于電池充電時間影響最大的還是充電電流,例如我們將充電電流從1A增加到3A,則充電時間能夠縮短50%,繼續將充電電流提高到5A只有電池A和C的充電時時間縮短了1/3,而電池B由于恒壓充電時間較長,所以將充電電流提高到5A后充電時間相比于3A并沒有顯著的縮短。

        采用CCCV充電策略時不同的充電電流對于電池循環壽命的影響,從圖中能夠看到對于電池A,大充電電流會造成電池壽命的顯著下降,例如1A充電時電池的壽命可達1000次,3A充電時電池的壽命就會下降到800次,而充電電流達到5A時電池的壽命則僅為600次左右。但是對于電池B不同的充電電流對于電池的循環壽命并沒有顯著的影響。對于電池C在1A充電時電池循環1200次后容量保持率仍然可以達到97%,3A充電時電池循環1200次后容量保持率為95%,但是在5A充電時電池壽命會發生快速衰降,壽命不足700次。
       
      1.2充電截止電壓的影響
       
        充電截止電壓會影響正負極的電極電勢,因此對于鋰離子電池的循環壽命會產生顯著的影響。下圖為A、B和C三種電池容量隨充電截止電壓的變化,可以看到電池A和B的充電截止電壓對于電池的容量有顯著的影響,充電截止電壓每降低100mV,電池的容量會衰降10-20%,而電池C由于采用了LFP正極,因此在3.4V以上電池的容量幾乎與電池的充電截止電壓無關。
       
        不同截止電壓下電池的循環性能,整體上來看隨著充電截止電壓升高電池的循環性能是在不斷降低的,對于電池A而言,充電截止電壓的影響就比較小,如果將將充電截止電壓從4.2V降低到4.1V,壽命僅增加100次左右,要顯著增加A電池的壽命需要降低到4.0V,但是這會使得電池的容量降低30%,而提高電池的充電電壓到4.25V則僅僅會使得電池的循環壽命輕微的降低。
       
        電池B則對于充電電壓敏感的多,將充電電壓從4.1V降低到4.0V后,電池在循環800次后容量保持率提高5%,但是進一步降低充電截止電壓到3.9V則對于電池的循環壽命沒有顯著的影響,但是如果將充電截止電壓提高到4.15V則會顯著的加速電池B的衰降速度。
       
        電池C對于充電截止電壓最為敏感,如果將充電截止電壓從3.6V提高到3.65V則會導致電池的循環壽命出現顯著的降低,但是降低充電截止電壓對于電池的循環壽命沒有顯著的影響。


      2.脈沖充電(CCPC/PC)
       
      2.1恒流脈沖(CCPC)
       
        恒流脈沖充電制度與恒流恒壓充電制度接近,只是將恒壓充電階段替換為脈沖充電,在充電時間上CCPC相比于常見的恒流恒壓充電實際上會更長一點,因此在充電時間上CCPC并沒有優勢。
       
      采用CCPC和PC充電策略的三種電池的循環數據,可以看到對于三種電池采用CCPC充電策略時,電池的循環壽命實際上與采用相同充電電流的CCCV充電策略是相同的。
       
      2.2脈沖充電(PC)
       
        與前面的CCPC充電策略不同,PC充電策略在整個充電過程中都采用了脈沖的方式進行,由于在脈沖充電的過程中極化比較大,因此脈沖充電會使得電池的充電容量有所降低,例如電池A在脈沖充電策略下,電池僅能夠沖入80%的容量,電池C能夠沖入95%的容量。在充電時間上PC充電策略與同樣電流的CCCV充電制度幾本相同,從上圖的循環數據能夠看到PC充電策略的電池的循環壽命與同樣電流的CCCV充電策略幾本相同。
       
      3.加速充電(BC)
       
        加速充電策略是在較低的SoC范圍內使用較大的充電電流(5A)進行充電,達到截止電壓后轉而采用小電流(1A)CCCV充電方式進行充電,因此充電時間相對縮短,經過測試電池A采用BC充電策略充電時間為57min,電池C為48min,介于1A和3A電流的CCCV充電時間之間。
       
        電池A和C采用BC充電策略的循環性能,能夠看到對于電池A,如果從0%開始采用加速充電(5A)則會導致電池的衰降速度顯著增加,與5A電流的CCCV充電策略接近。而如果從10%SoC和20%開始加速充電,則循環壽命會大大改善,與3A電流的CCCV充電策略接近。而對于電池C,如果開始加速充電的SoC為0%和10%則會導致電池的衰降速度明顯加速,而如果在20%SoC開始加速充電,則對于電池的循環壽命的影響較小。這也表明在較低的SoC下進行加速充電會導致電池的循環壽命受到顯著的影響。


        PeterKeil的工作表明,對于電池循環壽命影響最大的為充電電流,對于電池A和C在5A大電流下進行充電時會導致鋰離子電池的循環壽命嚴重縮短,但是電池B的循環壽命似乎受充電電流的影響不大。其次是電池的充電截止電壓,高的充電截止會嚴重的縮短鋰離子電池的使用壽命,特別是對于電池B和C將充電截止電壓提高50mV就會嚴重的影響電池的循環壽命。

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