一種新型鋰電池充電技術

謝信奇， 秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

現階段蓄電池的充電方法基本是圍繞最佳充電曲線開展，傳統的鋰電池充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、脈沖充電、Relax充電等。Mas J A提出瞬時停充或者大電流放電，可消除極化現象，使電池的可接受充電曲線不斷右移，從而提高充電效率，這是加快充電速度的理論基礎[1]。目前應用最廣泛的充電方法是三階段充電法,存在充電速度慢，效率低，無法消除電池充電時的極化現象等問題[2]。

針對上述問題，本文提出了一種改進型階段充電方法，分為保護性涓流充電、變電流間歇充電、恒壓間歇充電三階段，依據最佳充電曲線計算充電電流并合理設置充電間歇，提高了充電速度和效率。由于鋰電池的抗過充電能較弱[3]，充電后期的停充檢測也至關重要，是鋰電池充電技術的研究方向之一[4，5]，為此提出了一種停充檢測方法，依據充電間歇期的電壓變化率進行滿充判定，檢測結果準確，避免過充并提高了電池剩余容量。單體鋰電池成組之后，充電過程中無法保證單體電池的一致性，因此，均衡控制技術研究必不可少[6]。針對鋰電池成組充電[7，8]，提出了一種電容均衡控制方法，保證了單體電池在充電過程中的一致性。

1 充電方法

具體充電流程如圖1所示。

圖1 充電流程

1.1 保護性涓流預充電

當鋰電池端電壓小于下限閾值電壓Vlow=2.5 V時，證明該電池存在過放，如果此時直接對其進行大電流充電，會對電池造成損害[9]。采集鋰電池的端電壓，若電池端電壓小于下限閾值電壓，則首先采用0.1C(C為倍率，1C=1 200 mA)的涓流對電池進行保護性充電，將電池端電壓拉升到下限閾值電壓以上。若電池端電壓大于Vlow，則直接進入變電流間歇充電階段。

1.2 變電流間歇充電

變電流間歇充電分為充電期和間歇期。充電期通過大電流快速充電提升充電速度，間歇期為鋰電池提供充分的化學反應時間，減少充電期產生的析氣量。依據最佳充電曲線設定階梯狀的遞減式電流脈沖，充電電流與鋰電池剩余容量呈線性關系，可通過鋰電池的電池剩余容量(state of chare,SOC)計算得到。隨著充電的進行，充電期持續時間越來越短，間歇期持續時間越來越長。

1.2.1 電流—容量關系

根據鋰電池的最佳充電曲線，充電過程中充電電流不斷變化且遞減，需要根據電池實際狀態實時調整充電電流大小。本文研究了一種容量控制方法，研究電池容量和最佳充電電流的關系，通過不同的電池容量計算出對應的充電電流。電池充電時，容量Q計算公式為

(1)

式中Ic為最佳充電電流。又有最佳充電曲線

Ic=I0e-αt

(2)

式中I0為初始電電流；t為充電時間；α為充電接受率。運算得

Ic=I0-α·Q

(3)

從式(3)可看出，電池的最佳充電電流與電池容量呈線性關系[10]。α隨著極化現象的發生而降低，當剩余容量小于額定容量的50 %時，α≈1.6 ；當剩余容量大于額定容量的50 %時，α≈1.4 。假設Q=2 Ah ，可推導出最佳充電電流為分段線性函數

(4)

容量與電流關系如圖2所示。

圖2 Q-I關系

1.2.2 電流區間劃分

假定電池額定容量為2 Ah充電過程中，SOC按20 %，40 %，60 %，80 %劃分，根據式(4)電流與容量關系，得出最佳充電電流分別為1.28，0.96，0.61，0.33 C。

1.2.3 充電期與間歇期

在變電流間歇充電階段，充電曲線如圖3所示。曲線Z為鋰電池端電壓變化曲線。輸入電流Ic劃分為1.28，0.96，0.61，0.33 C。充電期與間歇期組成一個完整的充電周期，持續時間分別為Tc和Tp。首先進入充電期，控制輸入電流Ic恒定[11]，此時電池端電壓逐漸增加，當上升至上限閾值電壓Vup=4.2 V時，充電期結束，斷開輸入。進入間歇期，此時電池端電壓先不斷回落后趨于穩定，短暫延時后完成一個充電周期。變電流間歇充電通常需要進行4～6個充電周期，隨著充電的進行，Tc逐漸減小，Tp逐漸增大，直至電池端電壓穩定趨于Vup。

圖3 變電流間歇充電曲線

1.3 恒壓間歇充電

恒壓間歇充電階段，如圖4所示，設置最高充電電壓Vmax=4.242 V。該階段分為充電期和間歇期。首先進入充電期，以Vup大小的恒定電壓對電池充電，此時電池端電壓不斷上升，當上升至Vmax時，斷開輸入，暫停充電。進入間歇期，間歇期電池端電壓從Vmax開始下降，當下降至Vup時，完成一個充電周期。隨后重啟相同電壓值的輸入，繼續下一輪充電，該階段大約需要3～5個充電周期。隨著充電的進行，電池剩余電量逐漸接近飽和，每一個充電周期的充電時間逐漸減小，間歇時間逐漸增加。如此往復，直至滿足停充條件，充電結束。

2 停充控制

傳統的停充檢測技術主要是電壓檢測和溫度檢測，但2種檢測方法受外界因素影響較大，經常出現檢測不準，導致電池過充的情況[12]。本文提出了一種電壓變化率檢測法，通過采集一斷時間內電池端電壓差值計算電壓變化率，當變化率小于閾值時，判定滿充。如圖4所示，在恒壓間歇充電階段，間歇期電池端電壓會從Vmax回落至Vup，在充電初期端電壓下降較快，當電池剩余容量接近額定容量時，端電壓下降很慢。設電壓變化率為K，可得

(5)

由式(5)可得，在充電后期，當K=3 mA/s 時，表明電池剩余容量接近額定容量，可停止輸入，判定充電結束。

圖4 恒壓間歇充電曲線

3 均衡控制

受鋰電池制備工藝和技術的影響，即使同一批鋰電池在出廠時也無法保證各種參數指標完全相同。特別是容量、端電壓、電池內阻值等參數，差異更是無法避免。如果沒有均衡控制，在多節鋰電池串/并聯充電的情形下，內阻值低的單體電池較內阻值高的更快充滿，此時如果繼續充電，會造成過充。隨著循環充電的次數增多，單體電池間的差異將越來越明顯，進而整個電池組的壽命均將受到影響，甚至可能有安全隱患[13]。故對于多節電池串/并聯充電，需通過合理的均衡控制技術減小單體電池在充電過程中產生的差異，保證SOC、端電壓等參數的一致性。傳統的均衡控制技術主要是耗散型的電阻均衡法，該方法的優點是電路和控制簡單，缺點是均衡時多余的電池能量主要以熱能的形式損耗在電阻器上，造成一定的浪費。本文采用非耗散型的電容均衡法，當相鄰單體電池間端電壓差大于閾值電壓Vd=0.2 V時，控制功率開關選擇通路，將端電壓高的電池能量向鄰近端電壓低的電池轉移，實現充電過程的均衡控制，保證了一致性。如圖5所示，當電池B1與B2的壓差大于Vd時，即VB1-VB2>Vd，則控制器控制S1合向a，S2合向c，S1首先對C1放電，當VB1下降Vd/2時，控制器控制S1合向b，S2合向d，C1對B2放電，VB2上升約Vd/2。結束后VB1≈VB2，完成均衡控制。電容均衡法均衡效果良好，且能量利用率高，缺點是控制復雜，均衡速度相對較慢。

圖5 電容均衡法控制示意

4 實驗分析與結論

4.1 充電方法實驗

在相同實驗環境下，以相同實驗設備，分別進行恒流—恒壓充電、脈沖充電、本文充電方法3種充電實驗，初始條件如下：12 ℃室溫，5節2 Ah的18650鈷酸鋰電池串聯，單體電池初始端電壓為2.54 V。以3種不同的充電方法對電池組進行充電，傳統的恒流—恒壓充電速度最慢，充電時長為2.79 h；脈沖充電法是現有較快的充電方法之一，速度優于恒流—恒壓充電，充電時長為1.95 h；而本文改進型階段充電法在脈沖充電的基礎上再次提升了充電速度，充電時長縮短至1.5 h。本文充電法遵循最佳充電曲線，根據Q-I關系計算出最佳充電電流，利用大電流脈沖顯著地提升了充電速度。另外，在變電流間歇充電和恒壓間歇充電階段均設置了充電間歇期，電池內部化學反應充分，減少了電池充電時產生的析氣量，提升了充電效率。

4.2 停充檢測實驗

采用3種不同的停充檢測方法進行實驗，結果如表1所示，溫度檢測法受外界因素影響較大，準確度不高。電壓檢測法通過采集端電壓大小，判定滿充，相對較為準確。而本文依據電池端電壓變化率的檢測方法，受外界因素影響最小，只與間歇期“ΔV/Δt”的計算結果有關，由實驗結果可知，以電壓變化率為標準進行停充檢測最為準確。

表1 3種停充檢測法比較

4.3 均衡控制實驗

以無均衡控制的充電系統進行對照實驗。結果如表2所示，串聯的5節18 650鈷酸鋰電池的內阻值各不相同，B3和B5的內阻值差異很大，未進行均衡控制的電池組在充電結束后，相鄰鋰電池的端電壓差距較大，最大電壓差達到150 mV，隨著充電次數的增加，差異越來越明顯。而通過本文的電容均衡法進行均衡控制的電池組，相鄰電池端電壓差最大僅為11 mV，實驗可知，均衡控制在成組充電時可保證單體電池參數一致性，且本文電容均衡控制法有效。

表2 均衡控制比較

5 結 論

提出了一種新型鋰電池充電技術，分別從充電方法、停充檢測和均衡控制3方面展開研究。實驗結果表明：

1)變電流間歇充電遵循最佳充電曲線，可顯著提高鋰電池的充電速度；

2)變電流間歇充電和恒壓間歇充電設置充電間歇，電池內部化學反應充分，減少析氣量，充電效率提高；

3)利用電壓變化率停充檢測方法，不僅保證了電池的充電安全還能最大限度地實現滿充；

4)本文電容均衡控制方法可保證鋰電池成組充電時單體電池的一致性，提升了電池循環使用壽命，且均衡過程中能量利用率高。

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