动力电池应用 | 超快充(XFC)要求及开发策略

近来，尽管动力电池快充技术在快速发展，但充电时间，效率和寿命焦虑依然是全球范围内使用电动车的主要焦虑。锂离子电池以高能量密度和长寿命成为电动车的主要能源。当前，有几种方式来控制快充条件下的电池健康状态。本文提出了充电协议的清晰分类，将快充协议分为功率管理协议，依赖于对电流，电压和电池温度控制的热管理协议，以及依赖于锂离子电池材料物理修饰和化学结构的材料层面的充电协议。并分析了每种快充协议的要求，优势和劣势。

​Fig 1 电动汽车(EV)研究路线图

锂离子电池不同层级对快充的影响

​材料-电极-电池层级对快充的影响

锂离子电池快充协议

快充协议的目的是降低充电时间，优化效率和循环寿命，降低充电损失。消除大倍率充电和深度放电所导致的活性物质损失，电极表面的SEI膜重整，内部温度变化和减小容量损失。

Fig 2 锂离子电池主要快充充电协议类型

​Fig 3主要快充协议的优势及劣势

恒电流恒电位充电协议

CC-CV 作为传统的充电协议，其示意图如Fig 4 所示，即恒电流充到指定电位后，在截止电压下持续恒压充电至电流降低为0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要问题是充电时间较长，且CV恒压过程会导致电池内部发生化学反应。

​Fig 4 恒电流-恒电位充电(CC-CV)示意图

多步恒电流(MCC) 充电协议种类

​Fig 5 多步恒电流(MCC) 充电协议种类(a) 充电电流多步变换(b) 混合技术(HT) (c) 条件随机变化技术 (CRT)(d) 多步恒电流超快充技术 (ML MCC-CV)

MCC充电协议是通过多步的变换的恒电流进行充电，作为目前最具潜力的超快充技术，有利于缩短充电时间，同时降低电池的衰减和能量损失，并提高效率，降低产生的热，避免析锂和过充等，但是，MCC充电协议需要对电池内部的电路进行全面准确评估后才能有效进行开发。因此，MCC的开发需要直流和交流阻抗技术组合使用。

热管理协议

​Fig 6 热管理协议恒温-恒压充电协议示意图

热管理充电协议依赖于对环境温度和电池温度的控制，温度作为影响电池老化非常重要的因素, 一种新的快充协议基于恒温很恒压(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于施加2C电流，然后电流指数衰减至1C ,当电压到达4.2V时，电流开始衰减至0.1C。为了维持温度恒定，采用PID进行温度控制。

脉冲电流充电协议(PCC)

Fig 7 脉冲充电电流示意图

​Fig 8 脉冲电流充电协议

(a) 标准协议-固定占空比

(b) 标准协议-变化占空比

(c) 标准协议-衰减电流

(d) 标准协议高-低电流变化

(e) 不同的电压脉冲

PCC 协议依赖于控制负载的循环，频率和充电脉冲的幅值等，PCC有利于缩短充电时间，低温条件下加热电池，抑制锂析出，增加功率转换，有利于消除浓差极化。缺点是控制器要求极其复杂，难度很高。

结论

经过以上分析，功率控制协议，由于充电时间短，发热量低，效率高，避免锂析出等优势，成为目前锂离子电池快充最具潜力的方法之一，由于其波形的复杂性，对于温度的监测，析锂的有效评价等以及锂离子电池内部等效电路的全面分析，对于所使用的开发设备提出巨大挑战。多步电流法及脉冲电流快充协议，测试设备需要具备以下能力。

参考文献

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Future Transp. 2022, 2, 281–299.https://doi.org/10.3390/

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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