鋰離子電池的快充技術研究

陳 杰

(西安航空學院 電子工程學院，西安 710077)

鋰離子電池的快充技術研究

陳 杰

(西安航空學院 電子工程學院，西安 710077)

介紹了鋰離子可充電電池的優(yōu)點和市場應用情況，研究了鋰離子電池充電的恒流法、恒壓法和智能充電方法。通過分析充電過程中各種方法的優(yōu)缺點和需要解決的問題，探討研究了快充技術的特點、原理和解決方案。

鋰離子電池；馬斯曲線；過充；快充

隨著綠色經(jīng)濟的發(fā)展和便攜式電子設備的快速普及，可充電電池，尤其是鋰離子電池在各行各業(yè)得到了普遍應用，社會對鋰離子電池的需求正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢。代表綠色經(jīng)濟的新能源汽車、電動工具、輕型電動車和混合動力汽車的市場規(guī)模逐年擴大，帶動了鋰電池技術的成熟。

當今社會，由于便攜式可移動電子產(chǎn)品的功能越來越強大，電能消耗越來越快，因此，需要續(xù)航能力更強、容量更大的可充電電池為其提供電力能源。為了解決這一問題，開發(fā)者一方面增加電池的容量；另一方面，研究快速充電的方法使可充電電池的使用方便快捷，適應電子產(chǎn)品快速發(fā)展的需要。當前，獲得行業(yè)廣泛關注的超級電池技術采用石墨烯做為電極材料,極大地降低了電池體積和重量，同時大幅提高了電池容量，其充電速度可達鋰離子電池的1000倍。但是石墨烯技術的應用至今仍處于初級階段，距離實際應用尚待時日。鋰離子電池已被證明是目前階段最好的可充電電池。鋰離子電池的快充技術在最近幾年獲得了快速發(fā)展，正在迅速走向應用。

1 鋰離子電池的優(yōu)點

目前，常見的正離子類電池包括鋰離子電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘電池和鎳氫電池。和其它電池相比，鋰離子電池有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在下述方面：首先是能量密度高。鋰離子電池所采用的電極材料和電解質對能量密度有較大影響，一般來說，能量密度為540kJ/kg至720kJ/kg或0.9kJ/cm3至1.9kJ/cm3，這一能量密度是鎳鎘電池能量密度的三到四倍，是鎳氫電池能量密度的兩到三倍。顯而易見，如果電能容量相同，鋰離子電池體積更小，質量更輕，更加便攜輕薄。其次，鋰離子電池的開路電壓可達3.3V-4.2V，高于其他正離子電池。鋰離子電池的使用壽命可達6年以上，常見的磷酸鐵鋰電池可充放電2000次，遠遠高于其他的正離子電池。另外，鋰離子電池自放電小，工作溫度范圍寬。常溫下，鋰電池自放電率為每月5%-10%，而鎳鎘電池自放電率為每月25%-30%，鎳氫電池自放電率為每月30%-35%，鋰離子電池優(yōu)勢明顯。目前，鋰離子電池正常工作的溫度范圍為-20℃至60℃。隨著未來鋰離子電池材料的不斷改進，這一范圍有望擴大到-40℃至70℃。最后，鋰離子電池可以用大電流充電，這一特點為快速充電提供了可能。此外，常用的鋰離子電池無記憶效應，電池在充電前無需放掉剩余電荷，可隨時充電，使用維護簡單易行。

2 鋰離子電池充電原理

鋰離子電池的快充技術目前有三種基本方式： 一是保持充電電壓不變，增大充電電流；二是保持充電電流不變，提高充電電壓；三是同時提高充電電壓，增大電流。不管采用哪種快充方式,都需要對整個充電過程實時精確控制[1-6]。

2.1 恒流充電方式

恒流充電，即以固定大小的電流為可充電電池充電，充電時只用一個恒流源就可以實施充電，簡單易行。但這種充電方式并不實用，原因是可充電電池的充電過程要遵守馬斯曲線[1]，如圖1所示。

圖1 充電過程的馬斯曲線

圖1中，橫坐標為充電時間，縱坐標為電流，曲線為最佳充電過程曲線，其充電電流與充電時間按指數(shù)規(guī)律變化，充電電流沿著最佳充電曲線變化是最理想的充電過程。大量實驗證明，充電過程中充電電流按最佳充電曲線變化，可以在最短的時間內完成充電過程，并且對電池的容量和壽命無影響。若充電電流工作在最佳充電曲線上方，則充電電流過大，超過最佳曲線的電流會以熱能的形式耗散，導致充電電池的電解質溫度升高，電解質會析出氣體，對電池造成損壞或者爆炸。當充電電流低于最佳充電曲線時，充電過程能正常進行，但充電過程耗費時間將會延長。

圖1中的陰影是采用恒流源的充電曲線，恒流源的電流為I1。很明顯，在時段0-t1,電流小于最佳充電曲線電流，充電過程可以正常進行。在時間t1之后，恒流源的電流將大于最佳曲線電流，充電過程會對電池造成損壞，甚至可能爆炸?；诖嗽?，恒流源充電法的應用受到限制。

2.2 恒壓充電方式

恒壓充電是指以恒定電壓對可充電電池進行充電。充電時只用一個恒壓源就可以實施充電，簡單易行。在充電過程中，隨著充電時間的推進，電池內部電壓逐漸升高，充電電流會相應地逐漸減小。如果恒定的電壓值設定合適，充電過程的充電電流將始終不超過馬斯曲線，充電過程可以順利實施。其缺點是：充電過程的開始階段充電電流較大，可能會超過馬斯曲線，對電池造成損害；而充電過程的最后階段電流較小，充電較慢。采用這種方式充電時，恒定電壓的最大值應和充電電壓最高值持平或略低，避免使電池過充電。

2.3 智能充電方式

在充電過程中，可充電電池可以等效為一個可變直流電壓源e和一個電阻r的串聯(lián)，充電過程的電路圖如圖2所示。

圖2 充電過程等效電路圖

圖2中，U為充電器的恒定電壓源，e代表了可充電電池的內部電壓，范圍一般為0V-MV。0對應電池的0%充電狀態(tài)的電壓值，M對應電池的100%充電狀態(tài)的電壓值，r代表電池的內阻，R為可調電阻，I為充電電流，易知

I=(U-e)/(r+R)

(1)

在充電過程中，隨著充電過程的推進，e逐漸增大，最后達到M伏，充電過程結束。智能快速充電技術在整個充電過程中動態(tài)跟蹤電池最佳充電曲線，對電池的內部電壓e進行檢測，然后按方程(1)不斷調節(jié)可變電阻R的大小，使實際的充電電流I值自始至終保持在最佳充電曲線附近。充電過程中要實時監(jiān)測電池的溫度，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對充電電流進行調整。智能快充充電過程曲線如圖3所示。智能快充充電技術保證了充電速度最快且安全，是當前移動終端普遍采用的充電方法[1]。

圖3 智能快速充電曲線圖

3 快充技術控制原理

鋰離子電池以小時率電流來描述電池的充電速率。設電池的額定容量為C，單位為Ah，充電時間為t，單位為h，則小時率電流值等于C/t。一般快速充電技術常用的充電電流值為0.3-2小時率電流，慢速充電電流小于10小時率電流。例如，對5號鋰電池充電，其額定容量C為0.5Ah，若采用慢速充電，以10小時率電流充電，則充電電流為0.5Ah/10h=50mA。若采用快速充電，以1小時率電流充電，則充電電流為0.5Ah/1h=500mA。

充電時，鋰離子電池端電壓的變化曲線如圖4所示。需要充電的電池普遍處于AB之間，充電可分作兩個過程：一個是AB段，另一個是BC段，C點之后電壓基本不變。

圖4 鋰離子電池端電壓隨充電時間的變化曲線

如圖4所示，在AB段，電池的電量己基本耗盡，電池端電壓變化很小，此時采用恒定的電流充電。進入BC段后，根據(jù)馬斯曲線，若采用恒流充電，電流過大會超過最佳電流曲線，使電池損壞；電流過小又會使充電時間過長，所以要根據(jù)電壓變化情況控制充電電流保持在最佳電流曲線附近。當電池電壓接近飽和電壓時自動進入恒壓充電狀態(tài)，恒壓充電時，保持充電電壓不變。由于電池電壓和內阻不斷變大，導致充電電流不斷下降，當充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時，終止恒壓充電，進入浮充維護充電階段。

電池在充滿電后，若充電電壓高于電池的端電壓，此時要及時控制停止充電，否則，電池的溫度將迅速上升，這就是過充電。其原因是在電池充滿電后，過充的電能幾乎全部轉換為熱能，使電池溫度迅速上升，溫度的升高會加速電極腐蝕速度和電解液的分解，從而縮短電池壽命，使電池容量下降，還可能引起爆炸。

為了保證電池充電過程的順利進行并有效防止過充電，可以采用定時控制、電壓控制和溫度控制等多種方法對充電過程進行管控。

3.1 定時控制

定時控制針對恒流充電方式，在不同的時間段內采用不同的充電電流，由于電池的容量是事先設定的，所以可以很容易的確定所需的充電電流和充電時間。這種控制方法較為簡單，但其缺點也很明顯。其一，電池的容量是人為設定的，可能和實際使用的電池容量不符；其二，電池和元器件的特性存在溫漂效應，使充電電流有一定的起伏，實際的充電時間和事先確定的充電時間可能不符，并且不能根據(jù)實際情況自動調整，結果會造成不能充分充電或過充電的情況出現(xiàn)。因此，為避免這些弊端，只有充電速率小于0.3C時，才采用這種方法。

3.2 電池端電壓增量控制

這是一個防止過充電的有效方法。從充電過程電壓變化曲線可以看出，電池在充電完成時端電壓達到最大值，檢測此最大值并停止充電即可防止過充電。具體的方法是檢測一段時間內電池端電壓的變化ΔV，若ΔV接近0則認為充電完成，停止充電，這種方法稱為電池端電壓增量控制法或ΔV法。有的可充電電池在充足電后，端電壓會小幅下降，檢測電池電壓出現(xiàn)峰值之后的下降量-ΔV，用其作為判斷控制充電結束的條件，這種方法被稱為-ΔV法。

3.3 電池溫度控制

實時監(jiān)測電池溫度，當其上升到規(guī)定數(shù)值后，停止充電。采用溫度控制法時，一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，易受環(huán)境溫度的影響，因此，實際使用時要進行溫度補償和校準。

3.4 綜合控制法

綜合各種控制方法的優(yōu)缺點，同時采用定時控制、溫度控制和電池端電壓增量控制相結合的控制法，保證充電過程的可靠高效。首先檢測端電壓增量，同時監(jiān)測判斷充電時間、電池溫度及端電壓是否正常。在充電過程中，系統(tǒng)會一直判斷充電時間、電池溫度及端電壓是否己到達或超過了充電保護條件，若其中有一個條件滿足，系統(tǒng)會終止現(xiàn)有充電方式。

4 結論

智能充電過程中，實際充電電流I值自始至終保持在最佳充電曲線附近，保證了充電速度最快且安全，所以智能充電方式是當前應用最廣泛的鋰離子電池的充電方式。充電過程的綜合控制法采用定時控制、溫度控制和電池端電壓增量控制相結合的控制法保證充電過程的可靠高效。相對于其他方法，綜合控制法對充電過程的監(jiān)測控制相對復雜，但由于監(jiān)測控制過程比較全面，所以更能保證充電過程的安全實施。

[1] 何秋生,徐磊,吳雪雪.鋰電池充電技術綜述[J].電源技術,2013,37(8):1464-1466.

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[3] 楊毅.基于脈沖變壓器的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)研究[J].電力電子技術,2014,48(9):23-25.

[4] 汪秋婷,戚偉,肖鐸.基于SOC的鋰離子電池組主動均衡系統(tǒng)設計[J].電子技術應用,2015,41(7):118-120.

[5] 王林濤,陳德榮.鋰離子電池均衡充電的設計[J].電工技術,2007(9):72-73.

[6] 王彪,基于分時復用技術的鋰離子電池組均衡充電電源[J].儀器儀表學報,2013(S1):83-86.

[責任編輯、校對：東艷]

Abstract：Market application and advantage of lithium-ion battery are introduced in this article.A charging circuit model is put forward.Constant current charging,constant voltage charging,and smart charging approach are presented.After elaborating charging process, all methods are analyzed in detail to illustrate the problems to be tackled.Fast charging techniques′characteristic,theory and solution scheme are researched.In analysis of charging process,the control methods are studied and discussed,including time set control,battery end voltage increment control,temperature control,and comprehensive control.

Keywords：lithium-ion battery;Mas curve;over-charging;fast charging

AReviewonFastChargingTechniquesofLithium-ionBattery

CHENJie

(School of Electronic Engineering,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

TM912.9

A

1008-9233(2017)05-0061-04

2017-08-09

陜西省教育廳專項科研計劃項目 (17JK0397)

陳杰(1974-)，男，陜西西安人，博士，副教授，主要從事信號處理、無線通信、電子系統(tǒng)研究。