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    锂离子电池充电理论与方法

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    •   对于锂电池来说,充电方法对其性能影响很大,合理的充电方法可延长锂电池的寿命、提高充电效率。本文分析了锂电池的各种充电方法,并在充电速度、使用寿命和实现成本上对各自的优缺点进行了比较,供大家参考交流。

        一、理论基础

        1972年美国科学家J.A.Mas提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线:I=I0e-αt,式中;I0为电池初始充电电流;α为充电接受率;t为充电时间。I0和α的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

        现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如图1所示,如果充电电流超过这条最佳充电曲线,不但不能提高充电速率,而且会增加电池的析气量;如果小于此最佳充电曲线,虽然不会对电池造成伤害,但是会延长充电时间,降低充电效率。

      锂离子电池充电理论与方法

        图1 锂电池充电特性

        二、充电方法

        锂电池的充电方法有很多种,按充电效率可分为常规充电和快速充电。其中常规充电方法包括:恒流充电、恒压充电、阶段充电和间歇充电,而快速充电包括脉冲充电和Reflex充电,最后还对智能充电进行了分析。

        1. 恒流充电

        按充电电流的大小恒流充电又可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在整个充电过程中,一般采用调整电源充电电压或改变与电池串联的电阻值,来维持电池的充电电流大小不变。

        这种方法优点是控制简单,适用于对多个电池串联的电池组进行充电。缺点是锂电池的可接受充电的能力会随着充电的进行逐渐降低,在充电后期过大的充电电流会使电池内部产生气泡,对电池造成损坏。因此恒流充电,常常是作为阶段充电中的一个环节。

        2. 恒压充电

        恒压充电就是在整个充电过程中,充电电压保持恒定,充电电流的大小随着电池状态的变化自动调整。随着充电的进行,充电电流逐渐减小。与恒流充电相比,其充电过程更加接近最佳充电曲线,控制简单、成本低。缺点是充电时间较长,并且在充电初期电池充电电流过大,直接影响锂电池的寿命和使用质量。所以恒压充电方法很少单独使用,只有在充电电源电压低而电流大时采用。

        3. 恒流恒压充电

        如图2为恒流恒压充电曲线。在开始充电之前,首先检测电池电压,若电池电压低于门限电压(2.5V左右),则以C/10的小电流对电池进行涓充充电,使电池电压缓慢上升;当电池电压达到门限电压时,进入恒流充电,在此阶段以较大的电流(0.5C~1C)强度对电池进行快速充电,电池电压上升较快,电池容量将达到其额定值的85%左右;在电池电压上升到上限电压(4.2V)后,电路切换到恒压充电模式,电池电压基本维持在4.2V,充电电流逐渐减小,充电速度变慢,这一阶段主要是保证电池充满,当充电电流降到0.1C或 0.05C时,即判定电池充满。

      锂离子电池充电理论与方法

        图2 恒流恒压充电曲线

        恒流恒压充电避免了恒压充电开始时充电电流过大的问题,又克服了恒流充电后期容易出现过充的现象,结构简单,成本较低,目前在锂电池的充电方法被广泛使用。但它不能消除电池充电时的极化现象,影响充电效果。

        4. 脉冲充电

        如图3所示,为脉冲充电曲线,主要包括三个阶段:预充、恒流充电和脉冲充电。

      锂离子电池充电理论与方法

        图3 脉冲充电曲线

        在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电,大部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压(4.2V)时,进入脉冲充电模式:用1C的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高,充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压(4.2V)后,以同样的电流值对电池充电,开始下一个充电周期,如此循环充电直到电池充满。

        在脉冲充电过程中,电池电压下降速度会渐渐减慢,停充时间T0会变长,当恒流充电占空比低至5%~10%时,认为电池已经充满,终止充电。与常规充电方法相比,脉冲充电能以较大的电流充电,在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除,使下一轮的充电更加顺利地进行,充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小,因而目前被广泛使用。但其缺点很明显:需要一个有限流功能的电源,这增加了脉冲充电方式的成本。

        C.K.Leong等研究的脉冲充电,每个充电周期持续大约1s,首先对电池进行正向充电,然后停充和反向放电各20~30ms。正向脉冲电流给电池充电,而负向脉冲电流减少气体从电极中析出,可对电池采用较大电流实现快速充电。

        5. 间歇充电法

        锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。

        变电流间歇充电法

        变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的,它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。如图4(a)所示,变电流间歇充电法的第一阶段(也是主要阶段),先采用较大电流值对电池充电,在电池电压达到截止电压V0时停止充电,此时电池电压急剧下降。

      锂离子电池充电理论与方法

        图4 间歇充电曲线

        保持一段停充时间后,采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电,如此往复数次(一般约为3~4次)充电电流将减小设定的截止电流值。然后进入恒电压充电阶段,以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值,充电结束。变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下,采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流,即加快了充电过程,缩短了充电时间。但是这种充电模式电路比较复杂、造价高,一般只有在大功率快充时才考虑采用。

        变电压间歇充电

        在变电流间歇充电法的基础上,有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程,将间歇恒流换成间歇恒压。比较图4(a)和图4(b),可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。在每个恒压充电阶段,由于电压恒定,充电电流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

        6. Reflex 快速充电法

        Reflex快速充电方法,又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3个阶段。它在很大的程度上解决了电池极化现象,加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

        Sheng-Yuan Ou和Jen-Hung Tian对Reflex快速充电方法进行了研究,充电曲线如图5所示,在每个充电周期中,先采用2C的电流充电时间为10s的Tc,然后停充时间为0.5s的Tr1,反向放电时间为1s的Td,停充时间为0.5s的Tr2,每个充电循环时间为12s。随着充电的进行,充电电流会逐渐变小。实验证明,这种充电方法可以使单体锂电池的充电时间提升到40min,电池温度仅仅升高1.1℃,充电效率达到87.51%。

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        图5 Reflex 充电曲线

        7. 智能充电法

        智能充电是目前较先进的充电方法,如图6(a)所示,其主要原理是应用du/dt和di/dt控制技术,通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态,动态跟踪电池可接受的充电电流,使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。这样电池能在很少析气的状态下快速将电充满。

      锂离子电池充电理论与方法

        图6 智能充电

        如图6(b)所示,将神经网络与模糊控制相结合,研究出了模糊神经网络控制器、神经网络模型,设计了智能充电控制系统。它既具有模糊控制器的善于表达人类的经验知识、推理能力强等特点,又具有神经网络控制器的直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特点。实验验证,智能充电法在充电过程中电压变化平稳,充电时间短,因此它作为模糊自适应控制方案中的一种,未来将受到愈来愈多的重视。

        参考:《锂电池充电技术综述》来源: |锂电联盟会长 ID:Recycle-Li-Battery

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