小型電動無人機鋰離子動力電池的充電策略淺析

焦永磊

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

小型電動無人機鋰離子動力電池的充電策略淺析

焦永磊

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

回顧了鋰離子電池的充電特性和相關理論研究。從充電過程角度對各種充電方法進行詳細介紹，分析了它們對電池性能的影響，并對比了各種方法的優點和缺點，為鋰離子動力電池充電在工程應用提供了較高的參考價值。

無人機；動力電池；充電

小型電動無人機由于其體積小、重量輕、機動靈活、成本低等特點，廣泛應用于軍事和民用方面。蓄電池是小型電動無人機飛行最為關鍵的系統之一，要滿足電動無人機的苛刻性能：高比功率（起飛和爬升階段要求）、高比能量（續航時間的要求）和高充放電效率（使用環境的要求）。鋰離子電池因其具有超長壽命，自放電小，比能量高，無記憶效應，體積小質量輕[1]等諸多優點，成為小型電動無人機的首選動力電源。

鋰離子電池在應用過程中的性能越來越受到關注和重視，其中充電技術是阻礙鋰電池廣泛應用的原因之一[2]。充電方式的差異會對電池性能產生很大的影響，而采用科學的充電方法不僅可以有效地降低電池性能的衰減，而且還能夠延長其循環壽命。本文通過對國內外常用的鋰離子電池充電方式的介紹，詳細分析了各種充電方法對動力電池性能的影響。

1 鋰電池充電特性

20世紀60年代，美國科學家Joseph A．Mas通過多次試驗，獲得了大量數據，并進行了處理分析，從而總結出了蓄電池的最佳充電曲線，該曲線如圖1所示。

圖1 蓄電池的最優充電曲線

蓄電池可以接受的充電電流I和充電時間t之間的關系為：

在上面的公式中，I表示在充電過程中某一時刻電池充電可以接受的電流；IO表示充電過程開始（t=0）時電池可以接受的最大的充電電流；a代表充電過程中電池可以接受電流的衰減常數，它和電池的狀態以及結構有關。充電過程中鋰離子電池存在以下特點：

（1）變量多

鋰離子電池在進行充電時，它的性能受到電壓大小、充電的電流大小、所處環境溫度和充放電頻率等一系列因素的影響。

（2）電化學性能復雜

相同型號的電池在充電進行過程中，不同工況都會影響鋰離子電池的一些相關特性，如果發生過充的情況，會嚴重損壞其內部性能，將會直接對其電特性產生負面影響。

（3）非線性

在充電過程中，鋰離子電池的伏安特性并不表現為線性變化，而是表現出指數變化趨勢。

2 充電方法研究

2.1 恒流－恒壓充電

當開始對鋰離子電池充電時，首先使用設置好的恒定電流對其進行充電。當電壓達到之前設定的數值時，將變換為恒壓方式充電，當充電電流達到預定數值時，充電過程結束。這種方法綜合了恒流充電和恒壓充電這兩種方式的優點，克服了恒流充電方式帶來的充電過充和充電不足的缺點，進而避免了恒壓充電初期由于電流過高對電池所造成的傷害。恒流-恒壓充電是鋰離子電池傳統充電方法，充電曲線如圖2所示。

圖2 恒流恒壓充電曲線圖

2.2 脈沖式充電

脈沖式充電方法，在充電初期用電流I0對電池實行恒流充電。當充電電壓第一次達到預先設定值Umax時，即終止恒流階段，轉換為脈沖充電。在該階段，則是以恒定的電流I0對電池以間歇性的方式進行恒流充電。脈沖式充電，其優點是充電速度快、充電效率高。但其存在性價比很低、控制難度大，電池在較大脈沖電流值下易損傷。鋰離子電池的脈沖式充電曲線如圖3所示。

圖3 脈沖充電曲線圖

2.3 間歇變電流-恒壓式充電法

采用間歇變電流-恒壓充電方式給鋰離子電池充電，充電初期所使用的是變電流間歇式充電。每當電池的電壓達到截止電值壓時，就會停止充電，這樣能提高電池的充電量；每當進行到充電后期時，充電電流值變的很小，這時轉換為恒壓充電。間歇變電流-恒壓充電方法具有能量效率高、析氣量少，而且充電速度很快的優點。間歇變電流-恒壓充電法，其充電曲線如圖4所示。

圖4 間歇變電流－恒壓充電法充電曲線

2.4 分段式充電法

基于對鋰離子電池特性的理解，行業內已經形成了對鋰離子電池進行充電時的三階段策略：涓流充電、恒流充電、恒壓充電[1]。其中涓流充電的作用是對電池狀態進行調整，以便進入大電流充電狀態。恒流充電的意義是將電能迅速儲存到電池中，而恒壓階段則是最終的調整階段，它能夠讓電池容量達到最大化，但這個過程是完全按照電池自身的需要所啟動的。恒流充電會對電池產生強大的電場力，一旦發生任何有違電池自身特性的行為，特別是高于電池過充電壓或超出電池承受能力的過大電流的操作都將對電池的壽命產生不良影響。鋰離子電池的分階段充電策略如圖5所示。

圖5鋰離子電池的分階段充電曲線

圖5 中，涓流充電在電池電壓比較低時進行，對多數鋰離子電池來講，電壓值在2.9～3.0 V以下，這時的充電電流設置在C/10以下。恒流階段的充電電流通常設定為1C上下。進入恒壓充電階段后，充電電流會慢慢減小，當減小到一定值(通常是C/10)之后，此時電池已達到充滿狀態，充電過程即將結束。圖5中充電的最后一個階段叫做浮充階段，其本質是恒流階段和恒壓階段的一種組合，目的是為了彌補電池由于自身放電原因，或者某些和它相連的負載產生消耗從而導致電容量下降的缺陷，采用這種方式能夠有效地確保當電池和充電設施分離時總處于趨于滿電狀態。

2.5 各充電方法優點和缺點的對比

綜合分析以上鋰離子電池的不同充電方法，筆者認為，恒流恒壓充電是傳統的充電方式，而脈沖式充電、間歇變電流—恒壓充電和分段式充電屬于現代的快速充電方式，這幾種方式各具優缺點。

恒流恒壓充電方法對電池的傷害相對較小，不過隨著其容量的衰減，在充電的過程中，電池的電壓增加很快，極化電壓就會表現的十分明顯。這種模式主要表現為以恒壓充電方式為主，耗費時間比較長，這不符合現代人們快速而緊湊的生活方式。

采用脈沖充電對鋰離子電池進行充電，會發生短時間的放電或間歇，從而減小甚至消除電池內部存在的極化電壓，使電池內部的離子濃度呈現均衡化趨勢。這種方式優點是能夠保證每次充電時，電池內部幾乎都處在準平衡狀態，從而有益于提高電池的充放電功率。缺點是充電的倍率大小或者倍率分布如果不合適，非但不能縮短充電時間，反而會快速衰減電池的使用壽命。

間歇變電流－恒壓充電方式的優點是能量效率高，不會產生大量析氣現象，充電速度也比較快。它的缺陷是造價高，控制硬件較為復雜，因此常用在大功率、快速充電的情況。

分段充電策略優點較多。首先，它比恒流充電方式安全，不會造成過充；其次，這種方式比現有其他充電方式效率更高；再者，分段充電比脈沖充電容易控制，而且它的可靠性更高。由此可見，分段式充電方法，不僅提高了電池充電效率，而且又避免電池因為過充而損壞，最后采取浮充的方式讓電池滿充，最大程度的利用了電池自身容量，延長了電池的使用周期，提高電池的工作壽命。采用這種方式，不僅能夠實現鋰離子電池充電的安全性、高效性，而且充電質量較為理想，具有廣闊而優良的應用前景。

3 結束語

鋰離子動力電池是當今和未來軍用、民用市場上動力電池的首選技術產品?；隈R斯的鋰電池充電原理得知，鋰離子電池有一條最佳的充電曲線，當充電過程最接近該曲線時，充電效果最佳。本文結合馬斯原理，根據實際工程應用討論了幾種常見的充電方法，并對它們的優缺點進行了分析比較，由此尋求確保電池性能的最佳充電方式。選用最佳的充電方式對鋰離子電池來講至關重要，不僅可以提高充電效率，節約成本和時間，而且能夠提高鋰離子電池的功率和壽命，對動力鋰離子電池在小型電動無人機領域的應用具有深遠意義[3-6]。

[1]劉紅兵，郭輝.鋰離子電池管理系統充電策略及其溫度影響[J].電源技術，2016（10）：1939-1940，1982.

[2]劉炎金，李新靜等.鋰離子動力電池的不同充電方式[J].電源技術，2015（9）：1846-1848.

[3]郭佩.鋰離子電池組循環壽命快速評估方法研究[J].安全與電磁兼容，2015（4）：41-42，47.

[4]劉真，劉以建等.基于DSP的鋰電池充電式方式研究[J].通信電源技術，2016（33）：24-25.

[5]趙長輝，陳立瑋.電動飛機技術進展[J].科技導報，2012，30（12）：62-70.

[6]楊紫光，葉芳，郭航，等.航天電源技術研究進展[J].化工進展，2012，31（06）：1231-1237.

Brief Analysis of Charging Strategy of Lithium on Power Battery for Electric-Powered Mini-UAV

JIAO Yong-lei
（The Twenty-seventh Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047，China）

Review on charging characteristics of lithium ion batteries and related theory.A detailed description of various charging methods from the perspective of the charging process，analyzes their influence on the performance of the battery，and compares their advantages and disadvantages，to provide the reference value for the engineering application of charging for lithium ion batteries.

UAV；power battery；charging

TM912.9

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0066-03

2017-02-11

焦永磊（1982-），男，河南新鄉人，工程師，工學學士，主要研究方向為無人機電源電氣。