2023 01月13日
作者: 小白哥
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锂电池充电方案

1940年,根据国际公认的经验法则提出了常规的电池充电方法,通常分为恒压充电法、恒流充电法、恒流恒压充电法三种。恒压、恒流充电法即在充电过程当中,充电电压、电流保持不变。恒流恒压充电法通常将电池充电分为2个充电阶段:恒流充电(CC)和恒压充电(CV)。CC 阶段,电池以设定的电流进行充电,直到电池端电压达到一定的上限电压,再切换到CV阶段,上限电压由制造商预先设定,用于避免过高的充电电压对电池造成损伤,确保电池的使用寿命。在CV阶段,电池以恒定电压充电,此时充电速度较慢,充电电流不断减小,直到达到充电截止电压,整体充电时间的长短取决于CC阶段的充电速度。常规的充电方法由于其控制方式简单,实现容易,时至今日仍被广泛地使用,但是由于充电时间过于漫长,充电效率十分低下等原因,常规充电法已经不能满足人们的日常需求。

上个世纪60年代,美国科学家J.A.Mas通过大量的电池充放电实验,提出了著名的马斯三定律并得到了蓄电池可接受充电电流曲线,如下图所示。随着充电的进行,最大可接受充电电流逐渐减小,当充电电流在最大可接受充电曲线上侧时,电池析气量增加;当充电电流在最大可接受电流曲线下侧时,避免了对电池造成损害,但是充电速度过慢,不能满足快速充电要求。当时用于实验的电池为铅酸电池,随着锂电池的出现,该定律也逐渐被证明适用于锂电池。

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马斯三定律主要分为:

第一定律:电池在放电后再次充电时的电流接受比与电池放出的电量的平方根成反比。

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其中K1为放电电流常数,C为电池放出的电量。

由于电池可接受电流比a=I0/C,因此:

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其中,I0为电池最大可接受充电电流。

第二定律:电池以任意放电量放电后,充电时的电流接受比与放电电流的对数成正比。

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其中K2为放电量常数,k为常数。

第三定律:电池以不同放电率放电后,最大可接受的充电电流是各个放电率下最大可接受充电电流的和。

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1.恒流恒压充电法

如下图所示。整个充电过程分为3个部分:第一阶段为预充区,即在充电之前对电池电压进行检测,若低于其阈值电压(若高于阈值电压,则直接进入恒流充电阶段),则以小电流(0.1C)对电池进行预充电,避免突然的大电流对电池造成伤害;电池电压逐渐上升至阈值电压后,进入恒流充电区,充电电流较大,一般为0.5C到1C区间,充电速度较快,电池容量短时间内将充至总容量的80%以上;当电池电压达到其上限电压,结束恒流充电,转入恒压充电区,当充电电流缓慢减小到0.1C以下时,即停止充电。

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2.分段恒流充电法

分段恒流充电方法即以阶段性的恒定电流对电池进行充电,如下图所示。充电初期,施加较大电流对电池充电,短时充入较大容量,当电池端电压升至预定值Up时,减小充电电流转入下一恒流阶段,直到充电电流减小为0,完成充电。分段恒流充电方法更符合电池实际充电过程中充电电流变化情况。

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3.脉冲充电法

脉冲充电法包括间歇充电法和Reflex充电法。间歇充电方法是将恒流恒压充电和脉冲充电的特点结合起来,在充电过程中加入短时停充,可以极大缓解电池极化效应。如下图所示。

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Reflex充电法又称负脉冲充电法,即在脉冲充电的间歇过程中加入负脉冲进行放电。随着充电的发生,电池内部极化效应逐渐严重,将大大降低充电效率。而适时暂时停止充电,使充电电流突变为零,可瞬间消除欧姆极化效应,并且由于电解液的扩散作用,也可适当降低浓差极化和电化学极化,这种方式称为自然去极化。比自然去极化更有效的方式是强制去极化,即在正向充电过程中,增加一个逆向充电电流,适当地对电池进行瞬时深度放电,使电池内部产生化学逆变化,从而抑制极化。这种方法即为负脉冲充电法。

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