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充電多快可以叫"快充"？

我們充電的基本訴求：

1）充電要快；’

2）不要影響我電芯壽命；

3）盡量省錢，充電機放出來多少電，盡量都充到我的電池里。

那么多快就可以叫快充了呢？并沒有什么標準文獻給出具體數值，我們暫且參考知名度最高的補貼政策中提及的數值門檻。下表是新能源客車2017年補貼標準。可以看到，快充的入門級是3C。實際上，在乘用車的補貼標準中，沒有提及快充的要求。

從一般乘用車的宣傳資料中，可以看到，大家一般認為30分鐘充滿80%已經可以作為快充的噱頭，拿出來宣傳了，那么姑且認為乘用車的1.6C就可以是入門級快充參考值。按照這個思路，宣傳15分鐘充滿80%的，相當于3.2C。

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快充的瓶頸在哪里？

在快充這個語境里，相關方按照物理主體分，包括電池、充電機、配電設施。

我們討論快充，直接的想到電池會不會有問題。實際上，在電池有問題之前，首先是充電機，配電線路的問題。我們提到TSLA的充電樁，其名曰超級充電樁，它的功率是120kW。按照TSLAModelS85D的參數，96s75p，232.5Ah，最高403V計算，其1.6C對應最大需求功率為149.9kW。從這里就可以看到，關于長續航純電動汽車型，1.6C或者說30分鐘充滿80%已經對充電樁構成考驗。

在國家標準中，不允許在原來的居民用電網絡中直接直接設置充電站。1臺快充樁的用電功率就已經超出幾十戶居民的用電量。因此，充電站都要單獨設置10kV變壓器，而一個區域的配電網絡并非都有余量新增更多的10kV變電站。

然后說道電池。電池是否能夠承載1.6C或者3.2C的充電要求，可以從宏觀和微觀兩個角度來看待。

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宏觀上的快速充電理論

之所以這節的題目叫做"宏觀上的快速充電理論"，是因為直接決定電池快速充電能力的是鋰離子電池內部正負極材料性質、微觀結構，電解液成分、添加劑，隔膜性質等等，這些微觀層面的內容，我們暫時放在一邊，站在電池外邊，看鋰離子電池快速充電的方法。

鋰離子電池存在最優充電電流

1972年美國科學家J.A.Mas提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律，要注意的是，這個理論是針對鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應氣體的出現，顯然這個條件和具體的反應類型有關。

但系統存在最優解的思想，卻是放之四海而皆準的。具體到鋰離子電池，界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新含義。基于一些研究文獻的結論，其最優值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢。

值得注意的是，鋰離子電池的最大可接受充電電流的邊界條件，除了要考慮鋰離子電池單體的因素，還要考慮系統級別的因素，比如散熱能力不同，系統的最大可接受充電電流是不同的。然后我們暫且以這樣的基礎繼續向下討論。

馬斯定理的公式描述：

I=I0*e^αt

式中；I0為電池初始充電電流；α為充電接受率；t為充電時間。I0和α的值和電池類型、結構和新舊程度有關。

現階段對電池充電方法的研究重要是基于最佳充電曲線來開展的。如下圖所示，假如充電電流超過這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會新增電池的析氣量；假如小于此最佳充電曲線，雖然不會對電池造成傷害，但是會延長充電時間，降低充電效率。

對這個理論的闡述包含三個層次，是為馬斯三定律：

①關于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比α和電池放出的容量平方根成反比；

②關于任何給定的放電量，α和放電電流Iｄ的對數成正比；

③蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個放電率下的允許充電電流的總和。

以上定理，也是充電接受能力這個概念的來源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈，沒有看到統一官方的含義。按照自己的理解，充電接受能力就是在特定環境條件下，具備一定荷電量的可充電電池充電的最大電流。可以接受的含義是不會出現不應有的副反應，不會對電芯的壽命和性能造成不良影響。

進而理解一下三定律。第一定律，在電池放出一定電量以后，其充電接受能力和當前荷電量有關，荷電量越低，其充電接受能力越高。第二定律，充電過程中，出現脈沖放電，有助于幫助電池提高實時的可接受電流值；第三定律，充電接受能力會受到充電時刻以前的充放電情況的疊加影響。

假如馬斯理論也適用于鋰離子電池，則反向脈沖充電（下文中具體名稱為Reflex快速充電法）除了可以用去極化的角度解釋其對溫升抑制有幫助以外，馬斯理論也作為對脈沖方法的支撐。而更進一步的，真正將馬斯理論全盤運用的，是智能充電方法，即跟蹤電池參數，使得充電電流值始終因循鋰離子電池的馬斯曲線變化，使得在安全邊界以內，充電效率達到最大化。

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常見快速充電方法

鋰離子電池的充電方法有很多種，針對快速充電的要求，其重要方法包括脈沖充電、Reflex充電，和智能充電。不同的電池類型，其適用的充電方式也不完全相同，在方法這節不做具體區分。

脈沖充電

這是來自文獻中的一個脈沖充電方式，其脈沖階段設置在充電觸及上限電壓4.2V以后，并在4.2V以上持續進行。暫且不提其具體參數設置的合理性，不同類型電芯存在差異。我們關注一下脈沖實行過程。

下面是脈沖充電曲線，重要包括三個階段：預充、恒流充電和脈沖充電。在恒流充電過程中以恒定電流對電池進行充電，部分能量被轉移到電池內部。當電池電壓上升到上限電壓（4.2V）時，進入脈沖充電模式：用1C的脈沖電流間歇地對電池充電。在恒定的充電時間Tc內電池電壓會不斷升高，充電停止時電壓會慢慢下降。當電池電壓下降到上限電壓（4.2V）后，以同樣的電流值對電池充電，開始下一個充電周期，如此循環充電直到電池充滿。

在脈沖充電過程中，電池電壓下降速度會漸漸減慢，停充時間T0會變長，當恒流充電占空比低至5%～10%時，認為電池已經充滿，終止充電。和常規充電方法相比，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會被消除，使下一輪的充電更加順利地進行，充電速度快、溫度的變化小、對電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。但其缺點很明顯：要一個有限流功能的電源，這新增了脈沖充電方式的成本。

間歇充電法

鋰離子電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。

1）變電流間歇充電法

變電流間歇充電法是由廈門大學陳體銜教授提出來的，它的特點是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。如下圖所示，變電流間歇充電法的第一階段，先采用較大電流值對電池充電，在電池電壓達到截止電壓V0時停止充電，此時電池電壓急劇下降。保持一段停充時間后，采用減小的充電電流繼續充電。當電池電壓再次上升到截止電壓V0時停止充電，如此往復數次（一般約為3～4次）充電電流將減小設定的截止電流值。然后進入恒電壓充電階段，以恒定電壓對電池充電直到充電電流減小到下限值，充電結束。

變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下，采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流，即加快了充電過程，縮短了充電時間。但是這種充電模式電路比較復雜、造價高，一般只有在大功率快充時才考慮采用。

2）變電壓間歇充電

在變電流間歇充電法的基礎上，有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過程，將間歇恒流換成間歇恒壓。比較上面圖(a)和圖(b)，可見恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。在每個恒壓充電階段，由于電壓恒定，充電電流自然按照指數規律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。

Reflex快速充電法

Reflex快速充電方法，又被稱為反射充電方法或"打嗝"充電方法。該方法的每個工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個階段。它在很大的程度上解決了電池極化現象，加快了充電速度。但是反向放電會縮短鋰離子電池壽命。

如上圖所示，在每個充電周期中，先采用2C的電流充電時間為10s的Tc，然后停充時間為0.5s的Tr1，反向放電時間為1s的Td，停充時間為0.5s的Tr2，每個充電循環時間為12s。隨著充電的進行，充電電流會逐漸變小。

智能充電法

智能充電是目前較先進的充電方法，如下圖所示，其重要原理是應用du/dt和di/dt控制技術，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態，動態跟蹤電池可接受的充電電流，使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。這類智能方法，一般結合神經網絡和模糊控制等先進算法技術，實現系統的自動優化。

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充電方式對充電速率影響的實驗數據

文獻比較了恒流充電方法和一種反向脈沖充電。恒流充電就是整個充電過程中以恒定不變的電流對電池進行充電充。恒流充電初期，可以有大電流充電，但隨著時間的推移，極化電阻逐漸顯現并新增，造成更多的能量轉化成熱量，消耗掉并使得電池溫度逐漸上升。

恒流充電和脈沖充電的比較

脈沖充電方法，是以一段時間的充電之后，出現短暫的反向充電電流。其基本形式如下圖所示。充電過程中夾雜短暫的放電脈沖，起到去極化的用途，降低極化電阻在充電過程中造成的影響。

有研究專門比較了脈沖充電和恒流充電的效果差異性。取平均電流為１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ和４Ｃ（Ｃ為電池額定容量數值），分別做了４組比較實驗，通過電池充完后放出的電量來衡量實際充入的電量下。圖為充電電流為２Ｃ時脈沖充電的電流及電池端電壓波形。表１為恒流脈沖充電實驗數據。脈沖周期為１ｓ，正脈沖時間為0.９ｓ，負脈沖時間為０.１ｓ。

Ichav為充電平均電流，Qin為充入電量；Qo為放出電量，η為效率

從上表中的實驗結果可以看到，恒流充電和脈沖充電效率近似，脈沖略低于恒流，但充入電池的總電量，脈沖方式明顯多于恒流方式。

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不同脈沖占空比對脈沖充電的影響

脈沖充電中的負電流放電時間對充電快慢有，一定影響，放電時間越長，充電越慢；保持相同平均電流充電時，放電時間越長。從下表可以看出，不同占空比對效率和充入電量有明確的影響趨勢，但數值差異不是很大。和此相關的，還有兩個重要參數，充電時間和溫度沒有顯示。

因此，選擇脈沖充電優于持續恒流充電，具體選擇占空比，則要重點考慮電池溫升和充電時間訴求。

參考文獻

1王飛，磷酸鐵鋰和三元材料和電容炭復合電極倍率性能研究；

2程廣明，電動汽車鋰離子電池快速充電特性的研究；

3何秋生，鋰離子電池充電技術綜述