鋰離子電池充電簡介

1、鋰離子電池充電簡介1. 充電原理美國學(xué)者指出，鋰電池在充電過程中，如果充電電流大于接受曲線的電流時，充電速率不上升，其析氣量反而會增加；如果其充電電流小于電流的接受曲線，這時的充電電流不會對電池造成傷害，在這個條件下的充電方式是允許的，如圖1。圖1 鋰電池的充電曲線同時指出，通過大電流放電或者瞬間停止對其充電，如圖2，可以消除極化現(xiàn)象，使電池可接受的充電曲線漸漸向右移動，從而大大提高充電速度和效率，縮短充電時間。在電池充電接受能力處在下降階段時，可以采用對電池放電的方法，在充電過程中來提供電池接受電流的能力。這就是快速充電的基本理論。圖2 鋰電池的瞬時放電曲線2. 充電方法1） 恒壓充電恒壓充

2、電是指單體電池以一恒定電壓進(jìn)行充電。其優(yōu)點(diǎn)是隨著電池的荷電狀態(tài)的變化，自動調(diào)整充電電流，如果規(guī)定的電壓恒定值適宜，就能保證電池完全充滿。圖3時電池恒壓充電的充電曲線，從圖中可以看出其缺點(diǎn)是鋰電池充電開始的初始階段，流過電池的充電電流太大，它對鋰電池的壽命會產(chǎn)生負(fù)面作用。圖3 恒壓充電曲線2） 恒流充電恒流充電，即電流維持在恒定值的充電，多采用恒流或分階段恒流。按照所選充電電流大小不同，將恒流充電分為快速充電、浮充充電（又叫涓流充電）和標(biāo)準(zhǔn)充電。如圖4為恒流充電的充電曲線。這種充電方法操作簡單，對于多個電池串聯(lián)的電池組來說，十分適合。但是在充電后期，由于鋰電池的可接受電流能力下降，如果恒定大小的

3、充電電流繼續(xù)作用于電解液，會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡。這種情況不僅會使電池容量降低，還會造成電池的物理性損傷，使電池壽命隨之變短。圖4 恒流充電曲線根據(jù)曲線，當(dāng)電池以一恒定電流I1充電時，到達(dá)時間t1，電池開始析氣，如果電池繼續(xù)以電流I1充電，不僅不能充滿，還會損壞電池，如圖5。圖5 恒流充電曲線3） 恒流恒壓充電采用恒壓、恒流相結(jié)合的充電方式，可以分為恒流充電周期和恒壓充電周期兩個部分。當(dāng)電池接入充電器后，首先以C/15（C為單體電池的容量）量級的小電流進(jìn)行充電，當(dāng)其電壓上升到恒流門限（2.5V）時，則進(jìn)入恒流充電階段，以較高的恒定速率（1C）對電池進(jìn)行快速充電。此階段容易對電池過度充電，因

4、此需要進(jìn)行端電壓檢測，當(dāng)電池電壓到達(dá)恒壓門限（4.2V）時，轉(zhuǎn)入恒壓充電階段，充電電流不斷減小，當(dāng)充電電流降到C/10或C/15時，終止充電。如圖6，該方法彌補(bǔ)了前兩種方法的不足，但是不能消除電池充電時的極化現(xiàn)象，影響充電效果。圖6 恒流恒壓充電曲線4） 脈沖充電圖7時脈沖充電示意圖，在小電流、恒流區(qū)和恒壓恒流充電方法是一樣的，當(dāng)電壓到達(dá)恒壓門限（4.2V）時，脈沖充電模式開始。在脈沖區(qū)，充電電源間歇性地對電池以恒定電流充電，根據(jù)的理論，目的是消除極化現(xiàn)象，隨著電池逐漸充滿，充電時間越來越短，停充時間越來越長，占空比越來越小，當(dāng)占空比低于5%至10%，終止充電。圖7 恒脈沖充電曲線5） 智能充

5、電 智能充電是目前比較先進(jìn)的充電方法，其原理是在整個充電過程中動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，使充電電流始終保持在可接受的最大充電曲線附件，使電池在很少氣體析出狀態(tài)下快速充滿電，如圖8所示。該方法的缺點(diǎn)是電池在使用一段時間以后，可接受的理想充電曲線會發(fā)生變化，其充電參數(shù)也需要調(diào)整。圖8 智能充電曲線3. 均衡充電原因?qū)嶋H使用中，單節(jié)鋰電池電壓較低，一般會串聯(lián)起來使用。整個電池組的容量主要由單體電池的最小容量來決定，但是由于各個單體電池之間存在容量大小上的差異，這些差異對于電池組的使用壽命有很大影響。電池組出現(xiàn)不均衡的主要原因：其一，電池本身在制造過程中存在容量差異；其二，電池在組裝過程中沒有匹配

6、好。在充電過程中，為了減少不平衡對電池組帶來的影響，需要采用均衡電路來控制。通常說的電池均衡是對電池荷電狀態(tài)的均衡，常用方法是以單體鋰電池電壓為參數(shù)進(jìn)行控制。在充電過程中主要影響電池充電的因素有：1） 電壓方面。充電過程中充電電壓超過鋰電池限制電壓，稱為過充。多次出現(xiàn)輕微過充會使電池容量降低，進(jìn)而電池發(fā)生局部變形，嚴(yán)重過充可能會使電池發(fā)生爆炸。充電時，電池充電電壓盡量靠近滿充電壓值，這樣電池容量不會發(fā)生降低。2） 電流方面。鋰電池充電電流不是無限的，如果充電電流高于鋰電池承受上限時，會造成電池中電解液出現(xiàn)析氣反應(yīng)，使電池產(chǎn)生大量熱量。3） 溫度方面。當(dāng)鋰電池溫度過高時，電池內(nèi)部會發(fā)生一系列反應(yīng)

7、，甚至電池可能出現(xiàn)爆炸。因此充電時，需要對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控并加以控制。4. 均衡充電方法1）電阻消耗均衡法圖9是電阻消耗均衡法的電路拓?fù)?，每個單體電池都需要并聯(lián)一個帶MOSFET開關(guān)的支路。當(dāng)單體電池電壓達(dá)到設(shè)定的基準(zhǔn)電壓時控制開關(guān)開通或關(guān)斷，分流部分充電電流。當(dāng)所有電池達(dá)到最大充電電壓或者任意一個電池的充電電壓有下降趨勢時，電流開始減少。該方法電路簡單、可靠性高，但是功率損耗大，只能對單體進(jìn)行放電不能充電而且其他電池要以最低單體為標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)均衡，效率低。不宜用于對電池工作環(huán)境溫度和充電時間由嚴(yán)格要求的場合。圖9 電阻消耗均衡法2）電容傳輸能量均衡法該均衡方法屬于能量搬遷式均衡，電池組中容量

8、較低的電池單體在充電過程中端電壓上升較快，于是控制開關(guān)將電壓上升較快的電池單體中多余的能量轉(zhuǎn)移到電容中，然后再將電容中的能量回饋到充電回路中。電路拓?fù)湟妶D10。該方法是容量低的電池向容量高的電池補(bǔ)充能量，不斷不能縮小電池單體之間的容量差距反而加大電池單體之間的容量差距，同時無法有效解決電池單體電壓不平衡問題。缺點(diǎn)是控制電路復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。圖10 電容傳輸能量均衡法3） 多繞組變壓器均衡法該方法是利用回掃變壓器能將能量存儲在磁場中的原理，變壓器的初級線圈與整個電池組相連，次級線圈與每個電池單元相連。由于變壓器可以雙向工作，該電路可以采用兩種不同的平衡方法。在對所有電池進(jìn)行電壓掃描后，計算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法，