鋰離子電池管理系統充電策略及其溫度影響

劉紅兵，郭　輝

(1.湖南科技大學，湖南湘潭411201；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412001)

鋰離子電池管理系統充電策略及其溫度影響

劉紅兵1,2，郭輝2

(1.湖南科技大學，湖南湘潭411201；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412001)

對鋰離子電池管理系統充電策略與溫度的關系進行了研究。在介紹鋰離子電池特性的前提下，對鋰離子電池的保護方法進行了闡述。根據鋰離子電池的保護方法，對其充電策略進行了闡述，并研究了溫度對充電策略的影響，較好地闡釋了鋰離子電池管理系統中充電策略的選取和溫度控制對鋰離子電池保護的重要性，為具體電池管理系統的研究與開發提供了一定的理論基礎和思路。

鋰離子電池；電池管理系統；充電策略；溫度影響

鋰離子電池是以鋰合金的金屬氧化物為陽極材料、以石墨為陰極材料、使用非電解質的可充電電池。根據陽極材料的不同，鋰離子電池表現出不同的特性，最明顯的電特性差異表現在公稱電壓的不同上，與之相應的充電終止電壓與放電截止電壓也不相同。鋰作為電池材料具有很多的優點，同時也具有非常活躍的特性，極易燃燒，而燃燒帶來的高溫以及體積膨脹往往會造成災難性的后果，因此，除了鋰離子電池本身在制作、保存、運輸、操作上要執行嚴格的規范外，充放電的管理及其策略的選取也極其重要，此外，溫度在電池管理系統中的影響亦不可忽視。

1　鋰離子電池的保護

鋰離子電池在使用中最重要的是確保其不會被過度充電和放電。過度充電和放電對鋰離子電池的影響是不可修復的，甚至是危險的，過度的充放電可能破壞其內部結構，燃燒或者爆炸都有可能發生，因此鋰離子電池的保護非常重要。鋰離子電池的保護電路主要是確保其不會過度的充放電，目前鋰離子電池的保護主要采用立琦科技的RT9454，其功能主要是防止過流過壓，實現過充過放保護，其保護電路如圖1所示。

圖1　鋰離子電池保護電路

在保護電路中，由于存在寄生二極管的緣故，充電和放電的保護開關沒辦法僅用一個管子就可以實現雙向保護，因此在電路中采用兩個MOSFET Q1和Q2用于充電和放電時的保護開關，同時也可實現過流檢測。當IC在開關兩端檢測到過大的電壓降時，就會強制MOSFET進入截止狀態，從而關閉流過電池的電流，起到保護電池的目的。由于電流偵測是通過MOSFET兩端電壓差的偵測來實現的，因此在選擇MOSFET時，其導通電阻的參數同樣至關重要。

過壓和欠壓狀態的偵測是通過對VDD和VSS之間的電壓偵測而完成的，大部分鋰離子電池選擇4.35和2.50 V作為過充保護電壓和過放保護電壓。

2　鋰離子電池充電策略

2.1電池容量和循環壽命與充電截止電壓的關系

圖2是一種容量為950 mAh鋰離子電池容量和循環壽命與充電截止電壓的關系圖。從圖中可以看出，僅靠鋰離子電池保護電路提供的4.35 V作為充電截止電壓，那么它的初始容量是比較大的，但循環壽命極短，容量下降速度極快。

圖2　鋰離子電池容量和循環壽命與充電截止電壓的關系圖

2.2電池容量和循環壽命與放電電流的關系

圖3是鋰離子電池容量和循環壽命與放電電流的關系圖。從圖可以看出，對900 mAh鋰離子電池，以1.0C的速率進行充電，500個循環后的容量大概是780 mAh，若單以2.0C的速率進行充電，500個循環后的容量大概是500 mAh。從圖中曲線的變化趨勢可以看出，隨著充電速率的提升，其容量衰減的速率基本上是按指數遞增。

圖3　鋰離子電池容量和循環壽命與放電電流的關系圖

2.3鋰離子電池充電策略

在充電過程中，在充電器施加外電場作用下，Li+從正極LiCoO2中脫出進入電解液并向負極移動，依次進入石墨組成的負極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會使得Li+來不及進入負極柵格，在負極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近負極的Li+很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續的金屬鋰生成會在負極附近堆積，長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形是，隨著負極的充滿程度越來越高，LiC晶格留下的空格越來越少，從正極移動過來的Li+找到空格的機會也越來越少，所需時間越來越長，如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部Li+的堆積，因此，在充電的后半段，必須逐漸縮小充電電流，枝晶的長大最終會刺破正負極之間的隔膜，形成短路。可以想象，充電速度越快越危險，充電截止電壓越高越危險，充電的時間越長越危險。

基于對鋰離子電池特性的理解，業界已經形成了對鋰離子電池進行充電時的三階段策略：預充電、恒流充電、恒壓充電。預充電的意義在于對電池狀態進行調整，使之進入可以進行大電流充電的狀態，恒流充電的作用是將電能快速地存儲到電池中，恒壓階段則是最后的調整階段，它使電池的容量最大化，但其進行過程是完全依照電池自身的需要進行的，不像恒流充電那樣對電池具有強大的電場力，任何違背電池本身特性的行為，尤其是超過電池接受能力的過大電流或超過電池過充電壓的操作都會對電池的壽命產生很大的影響，所以任何完善的管理方案都必須按照嚴格的規范來進行設計。

鋰離子電池進行充電時的三階段策略圖如圖4所示。

圖4　鋰離子電池進行充電時的三階段策略圖

預充電(Precharge)發生在電池電壓比較低時，對于大多數鋰離子電池來說，這個電壓一般定義在2.9～3.0 V以下，此時的充電電流容許在C/10以下。恒流充電的電流一般設置在1C左右，在恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，電流減小一定值(通常是C/10)以后，這時電池已經充滿，充電過程將截止。圖4顯示的最后一個階段被稱為補充階段，它實際上是恒流階段和恒壓階段的組合，是為了彌補電池自放電和其他與之相連的負載的消耗而造成的電容量下降，這樣可以確保電池和充電設備分離式總處于盡可能充滿電的狀態。

3　電池所處溫度對充電策略的影響

電池所處溫度對充電策略具有重大影響。由于構成電池的材料在不同溫度下的特性不同，電池的容量，合適的充電電壓也會發生巨大的變化。圖5為溫度對鋰離子電池容量和電壓的影響。

圖5　溫度對鋰離子電池容量和電壓的影響

通常情況下，溫度過低或者溫度過高都應該禁止對鋰離子電池充電，電池充電管理系統一般采用RT9503A來實現，其應用電路圖如圖6所示。圖中虛線處將一個可變電阻與電池連在一起，這個可變電阻是熱敏電阻，把它和電池放一起是為了表示測量的是電池本身的溫度，在實際工作中，RT9503A

圖6　RT9503A應用電路圖

其次根據RT9528的內部電路框圖，專門設有TEMPIN，同時將TEMPIN的信號輸入一組比較器中，這些比較器會根據電壓的高低給出比較結果，分別代表太熱、熱、冷、太冷。控制器會根據這些判斷結果和預先制定的規格進行參數調整。

圖7和圖8分別具體顯示出了溫度由常溫變冷、再變到太冷時充電電流的變化情況和溫度由常溫變熱、再變到太熱時充電電壓的變化情況。

圖7　溫度由常溫變冷、再變到太冷時充電電流的變化情況圖

此外一些設計可以通過外部控制電路或者通訊接口命令以改變充電電流和電壓。而有些器件則僅提供最基本的恒流和恒壓輸出，把所有的設定部分都開放給了硬件設計者，這對于構建完備的電池管理系統，具有積極的意義。

圖8　溫度由常溫變熱、再變到太熱時充電電壓的變化情況圖

4　總結與結論

本文在介紹鋰離子電池特性的前提下，對鋰離子電池的保護方法進行了闡述，根據鋰離子電池的保護方法，對其三階段的充電策略進行詳細的闡述，并研究了溫度對充電策略的影響，較好地闡釋了鋰離子電池管理系統中充電策略的選取和溫度控制對鋰離子電池保護的重要性。此外，在現有IC條件下，開放硬件設定部分權限也給鋰離子電池充電管理系統的開發提供了思考方向。

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Charging strategy of lithium-ion battery management system and its temperature effect

LIU Hong-bing1,2,GUO Hui2
(1.Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou Hunan 412001,China)

The relationship between the charging policies of lithium-ion battery management systems and charging policies and temperature were researched.Based on the introduction of lithium-ion battery characteristics,the lithium-ion battery protection methods were described.According to the lithium-ion battery protection method,its charging policies were introduced and the effect of temperature on charging policies was studied.The lithium-ion rechargeable battery management system strategy selection and temperature control importance of the lithium-ion battery protection was interpreted,providing a theoretical basis and ideas for research and specific battery management system.

lithium-ion battery;battery management system;charging policy;temperature

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1939-02

2016-03-05

劉紅兵(1975—)，男，湖南省人，本科，副教授，主要研究方向為應用電子技術、控制工程等。