12種鋰電池充放電方式曲線對比分析

作為一種“化學能-電能”相互轉換的能量裝置,鋰電池在使用過程中必然會進行充電和放電,合理的充放電方式既能減輕鋰電池的損傷程度,又能充分發(fā)揮鋰電池的性能,具有重要的應用價值。

如《GB/T 31484-2015:電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》中規(guī)定的鋰電池循環(huán)壽命測試充放電流程是:1)充電:以1C恒流充電至終止電壓,然后恒壓充電至0.05C;2)放電:以1C恒流放電至終止電壓。

附圖1:GB/T 31484-2015循環(huán)壽命測試方法

又如《GB/T 18287-2013:移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》中規(guī)定的鋰電池循環(huán)壽命測試充放電流程是:1)充電:以恒定電流充電至限制電壓,然后恒壓充電至0.1C;2)放電:以0.2C恒流放電至終止電壓。

附圖2:GB/T 18287-2013循環(huán)壽命測試方法

由此可見,無論是動力電池還是消費電池,行業(yè)和標準建議的鋰電池充電方式為恒流恒壓充電,放電方式為恒流放電。

第一部分:充電方式(Charge Methods)

除了標準要求的CC-CV充電方式外,鋰電池還可以進行CC充電、CV充電、CP充電、CP-CV充電等。

1恒流充電 (CC)

恒流充電(Constant Current Charge,簡稱CC Charge),充電全過程中電流恒定不變,電壓逐漸升高。

2恒壓充電 (CV)

恒壓充電(Constant Voltage Charge,簡稱CV Charge),充電瞬間電壓達到設定值,電流處于峰值狀態(tài)。如下圖,鋰電池放電至3.0V后,4.2V恒壓充電瞬間電流達到17.5C左右,隨后電流逐漸降低,達到設定值后充電結束。

3恒流恒壓充電 (CC-CV)

恒流恒壓充電(Constant Current and Constant Voltage Charge,簡稱CC-CV Charge),這種充電方式就是CC充電和CV充電的結合,充電過程中電流先保持恒定不變,當電壓充電至上限電壓后,再保持電壓恒定不變,最后電流逐漸減小至設定值后充電結束。

4恒功率充電 (CP)

恒功率充電(Constant Power Charge,簡稱CP Charge),在充電過程中保持功率不變,由于充電時電壓逐漸增加,因此電流會逐漸降低。

5恒功率恒壓充電 (CP-CV)

恒功率恒壓充電(Constant Power and Constant Voltage Charge,簡稱CP-CV Charge),是恒功率充電和恒壓充電的組合方式,先以恒功率充電至終止電壓,然后保持電壓恒定,當電流減小至設定值后充電結束。

第二部分:放電方式(Discharge Methods)

除了標準要求的CC放電方式外,鋰電池還可以進行CV放電、CC-CV放電、CP放電、CP-CC-CV放電、CR放電、CR-CV放電等。

1恒流放電 (CC)

恒流放電(Constant Current Discharge,簡稱CC Discharge)是鋰電池最常見的放電方式,放電全過程中電流保持恒定不變,電壓逐漸減小至終止電壓,放電結束。

2恒壓放電 (CV)

恒壓放電(Constant Voltage Discharge,簡稱CV Discharge),放電瞬間電壓達到設定值,電流處于峰值狀態(tài)。如下圖,設定鋰電池恒壓放電至3.0V,放電瞬間電流達到30C-35C,隨后電流逐漸降低,達到設定值后放電結束。

3恒流恒壓放電 (CC-CV)

恒流恒壓放電(Constant Current and Constant Voltage Discharge,簡稱CC-CV Discharge)是CC放電和CV放電的組合方式,先以恒定電流放電至終止電壓后,保持電壓不變,然后電流逐漸減小至設定值,放電結束。

4恒功率放電 (CP)

恒功率放電(Constant Power Discharge,簡稱CP Discharge),在放電過程中保持功率不變,由于放電時電壓逐漸減小,因此電流會逐漸增加。

5恒功率恒流恒壓放電 (CP-CC-CV)

恒功率恒流恒壓放電(Constant Power and Constant Current and Constant Voltage Discharge,簡稱CP-CC-CV Discharge)是CP、CC和CV三階組合放電模式,即先以恒功率放電至終止電壓,當CP結束時電流大于下一階段CC電流時,此時CC放電電壓會先回升再減小至終止電壓,然后電壓恒定至電流減小至設定值,放電結束。

6恒阻放電 (CR)

恒阻放電(Constant Resistance Discharge,簡稱CR Discharge)相當于外接一個電阻,根據(jù)U=I*(R外+DCR),由于外接電阻足夠大,恒阻放電過程中電流值隨著電壓減小而逐漸降低。

7恒阻恒壓放電 (CR-CV)

恒阻恒壓放電(Constant Resistance and Constant Voltage Discharge,簡稱CR-CV Discharge),是CR放電和CV放電的組合方式,即先以恒電阻放電至終止電壓,然后保持電壓恒定不變,當電流減小至設定值后放電結束。

綜上所述,鋰電池的充放電方式具有多樣性,但歸根結底是以CC(恒流)、CV(恒壓)、CP(恒功率)或CR(恒阻)作為基礎的單步式或組合式流程,這些充放電方式電流電壓變化情況參考下表。

附表1:不同充放電方式電流電壓變化情況對比

目前,鋰電池主流的充電方式仍然以CC-CV方式為主,這是因為鋰電池存在極化現(xiàn)象(即時電壓并非穩(wěn)態(tài)電壓),在CC階段,電流較大,充電速度快,電壓上升到上限電壓后,保持恒定電勢,外電路電子與Li+在負極匯集反應,隨著負極嵌鋰進行,活性位點減少,參與反應的電子數(shù)量變少,電流逐漸降低,當電流降低為0時(理想情況),極化完全消除,鋰電池為滿電狀態(tài)。但在放電過程中鋰電池通常采用CC模式,可能是為了更方便計算容量或估算SOC,實際工況下以恒功率放電居多。

總 結

鋰電池充放電方式選擇應考慮數(shù)據(jù)處理的便捷性、充/放效率以及對鋰電池內部損傷風險,既要充分發(fā)揮鋰電池的性能,又要快速、準確的檢測。目前,鋰電池以CC-CV充電模式和CC放電模式檢測為主,但在終端實際使用工況下,以CP模式為主。

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