12种锂电池充放电方式曲线对比分析

作为一种“化学能-电能”相互转换的能量装置,锂电池在使用过程中必然会进行充电和放电,合理的充放电方式既能减轻锂电池的损伤程度,又能充分发挥锂电池的性能,具有重要的应用价值。

如《GB/T 31484-2015:电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》中规定的锂电池循环寿命测试充放电流程是:1)充电:以1C恒流充电至终止电压,然后恒压充电至0.05C;2)放电:以1C恒流放电至终止电压。

附图1:GB/T 31484-2015循环寿命测试方法

又如《GB/T 18287-2013:移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》中规定的锂电池循环寿命测试充放电流程是:1)充电:以恒定电流充电至限制电压,然后恒压充电至0.1C;2)放电:以0.2C恒流放电至终止电压。

附图2:GB/T 18287-2013循环寿命测试方法

由此可见,无论是动力电池还是消费电池,行业和标准建议的锂电池充电方式为恒流恒压充电,放电方式为恒流放电。

第一部分:充电方式(Charge Methods)

除了标准要求的CC-CV充电方式外,锂电池还可以进行CC充电、CV充电、CP充电、CP-CV充电等。

1恒流充电 (CC)

恒流充电(Constant Current Charge,简称CC Charge),充电全过程中电流恒定不变,电压逐渐升高。

2恒压充电 (CV)

恒压充电(Constant Voltage Charge,简称CV Charge),充电瞬间电压达到设定值,电流处于峰值状态。如下图,锂电池放电至3.0V后,4.2V恒压充电瞬间电流达到17.5C左右,随后电流逐渐降低,达到设定值后充电结束。

3恒流恒压充电 (CC-CV)

恒流恒压充电(Constant Current and Constant Voltage Charge,简称CC-CV Charge),这种充电方式就是CC充电和CV充电的结合,充电过程中电流先保持恒定不变,当电压充电至上限电压后,再保持电压恒定不变,最后电流逐渐减小至设定值后充电结束。

4恒功率充电 (CP)

恒功率充电(Constant Power Charge,简称CP Charge),在充电过程中保持功率不变,由于充电时电压逐渐增加,因此电流会逐渐降低。

5恒功率恒压充电 (CP-CV)

恒功率恒压充电(Constant Power and Constant Voltage Charge,简称CP-CV Charge),是恒功率充电和恒压充电的组合方式,先以恒功率充电至终止电压,然后保持电压恒定,当电流减小至设定值后充电结束。

第二部分:放电方式(Discharge Methods)

除了标准要求的CC放电方式外,锂电池还可以进行CV放电、CC-CV放电、CP放电、CP-CC-CV放电、CR放电、CR-CV放电等。

1恒流放电 (CC)

恒流放电(Constant Current Discharge,简称CC Discharge)是锂电池最常见的放电方式,放电全过程中电流保持恒定不变,电压逐渐减小至终止电压,放电结束。

2恒压放电 (CV)

恒压放电(Constant Voltage Discharge,简称CV Discharge),放电瞬间电压达到设定值,电流处于峰值状态。如下图,设定锂电池恒压放电至3.0V,放电瞬间电流达到30C-35C,随后电流逐渐降低,达到设定值后放电结束。

3恒流恒压放电 (CC-CV)

恒流恒压放电(Constant Current and Constant Voltage Discharge,简称CC-CV Discharge)是CC放电和CV放电的组合方式,先以恒定电流放电至终止电压后,保持电压不变,然后电流逐渐减小至设定值,放电结束。

4恒功率放电 (CP)

恒功率放电(Constant Power Discharge,简称CP Discharge),在放电过程中保持功率不变,由于放电时电压逐渐减小,因此电流会逐渐增加。

5恒功率恒流恒压放电 (CP-CC-CV)

恒功率恒流恒压放电(Constant Power and Constant Current and Constant Voltage Discharge,简称CP-CC-CV Discharge)是CP、CC和CV三阶组合放电模式,即先以恒功率放电至终止电压,当CP结束时电流大于下一阶段CC电流时,此时CC放电电压会先回升再减小至终止电压,然后电压恒定至电流减小至设定值,放电结束。

6恒阻放电 (CR)

恒阻放电(Constant Resistance Discharge,简称CR Discharge)相当于外接一个电阻,根据U=I*(R外+DCR),由于外接电阻足够大,恒阻放电过程中电流值随着电压减小而逐渐降低。

7恒阻恒压放电 (CR-CV)

恒阻恒压放电(Constant Resistance and Constant Voltage Discharge,简称CR-CV Discharge),是CR放电和CV放电的组合方式,即先以恒电阻放电至终止电压,然后保持电压恒定不变,当电流减小至设定值后放电结束。

综上所述,锂电池的充放电方式具有多样性,但归根结底是以CC(恒流)、CV(恒压)、CP(恒功率)或CR(恒阻)作为基础的单步式或组合式流程,这些充放电方式电流电压变化情况参考下表。

附表1:不同充放电方式电流电压变化情况对比

目前,锂电池主流的充电方式仍然以CC-CV方式为主,这是因为锂电池存在极化现象(即时电压并非稳态电压),在CC阶段,电流较大,充电速度快,电压上升到上限电压后,保持恒定电势,外电路电子与Li+在负极汇集反应,随着负极嵌锂进行,活性位点减少,参与反应的电子数量变少,电流逐渐降低,当电流降低为0时(理想情况),极化完全消除,锂电池为满电状态。但在放电过程中锂电池通常采用CC模式,可能是为了更方便计算容量或估算SOC,实际工况下以恒功率放电居多。

总 结

锂电池充放电方式选择应考虑数据处理的便捷性、充/放效率以及对锂电池内部损伤风险,既要充分发挥锂电池的性能,又要快速、准确的检测。目前,锂电池以CC-CV充电模式和CC放电模式检测为主,但在终端实际使用工况下,以CP模式为主。

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