鋰離子電池組充電策略分析

　　鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，是一種理想電源。在實(shí)際使用中，為了獲得更高的放電電壓，一般將至少兩只單體鋰離子電池串聯(lián)組成鋰離子電池組使用。目前，鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、電動(dòng)自行車和備用電源等多種領(lǐng)域。

　　因此如何在充電時(shí)將鋰離子電池組使用好顯得尤為關(guān)鍵，現(xiàn)將鋰離子電池組常用的幾種充電方法以及本人認(rèn)為的最適合的充電方法試述如下：

1 普通的串聯(lián)充電

　　目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯(lián)充電，這主要是因?yàn)榇��?lián)充電方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、較容易實(shí)現(xiàn)。但由于單體鋰離子電池之間在容量、內(nèi)阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，在對(duì)鋰離子電池組串聯(lián)充電時(shí)，電池組中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿電，而此時(shí)，其他電池還沒(méi)有充滿電，如果繼續(xù)串聯(lián)充電，則已充滿電的單體鋰離子電池就可能會(huì)被過(guò)充電。

　　而鋰離子電池過(guò)充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的性能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致爆炸造成人員傷害，因此，為了防止出現(xiàn)單體鋰離子電池過(guò)充電，鋰離子電池組使用時(shí)一般配有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡(jiǎn)稱BMS），通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)每一只單體鋰離子電池進(jìn)行過(guò)充電等保護(hù)。串聯(lián)充電時(shí)，如果有一只單體鋰離子電池的電壓達(dá)到過(guò)充保護(hù)電壓，電池管理系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷，停止充電，以防止這只單體電池被過(guò)充電，而這樣會(huì)造成其他鋰離子電池?zé)o法充滿電。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池由于具有較高的安全性、很好的循環(huán)性能等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)基本能滿足電動(dòng)車特別是純電動(dòng)轎車的要求，工藝上也基本具備了大規(guī)模生產(chǎn)的條件。然而，磷酸鐵鋰電池的性能與其他鋰離子電池存在著一定的差異，特別是其電壓特征與錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等不同。以下是磷酸鐵鋰與錳酸鋰兩種鋰離子電池的充電曲線與鋰離子脫嵌對(duì)應(yīng)關(guān)系的比較：

圖1 錳酸鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 磷酸鐵鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　從上圖的曲線不難看出，磷酸鐵鋰電池在快充滿電時(shí)，鋰離子幾乎完全從正極脫嵌到負(fù)極，電池端電壓會(huì)快速上升，出現(xiàn)充電曲線的上翹現(xiàn)象，這樣會(huì)導(dǎo)致電池很容易達(dá)到過(guò)充電保護(hù)電壓。因此磷酸鐵鋰電池組中某些電池充不滿電的現(xiàn)象相對(duì)錳酸鋰電池組而言會(huì)更為明顯。

　　另外，雖然有些電池管理系統(tǒng)帶有均衡功能，但由于從成本、散熱、可靠性等多方面考慮，電池管理系統(tǒng)的均衡電流一般遠(yuǎn)小于串聯(lián)充電的電流，因此均衡效果不是很明顯，也會(huì)出現(xiàn)某些單體電池充不滿電的情況，這對(duì)于需要大電流充電的鋰離子電池組，例如電動(dòng)汽車用的鋰離子電池組而言則更為明顯。

　　例如，將100只放電容量都為100Ah的鋰離子電池串聯(lián)起來(lái)組成電池組，但如果成組前其中99只單體鋰離子電池荷電80Ah，另外1只單體鋰離子電池荷電100Ah，將此電池組進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)，其中荷電100Ah的那只單體鋰離子電池會(huì)先充滿電，從而達(dá)到過(guò)充保護(hù)電壓，為了防止這只單體鋰離子電池被過(guò)充電，電池管理系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷，也就使得其他99只電池?zé)o法充滿電，從而整個(gè)電池組放電容量也就只有80Ah。

　　一般電池廠家出廠時(shí)測(cè)試容量時(shí)是將單體電池先恒流充電再恒壓充電，然后恒流放電從而測(cè)出放電容量。一般放電容量約等于恒流充電容量加上恒壓充電容量。而實(shí)際電池組串聯(lián)充電過(guò)程中對(duì)單體電池而言一般沒(méi)有恒壓充電過(guò)程，所以恒壓充電容量就會(huì)沒(méi)有，電池組容量就會(huì)小于單體電池容量。而一般充電電流越小，恒壓充電容量比例越小，電池組損失容量越小，因此又發(fā)展出了電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電的模式。

2 電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電

　　電池管理系統(tǒng)是對(duì)電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備，所以將電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間建立聯(lián)系，就能使充電機(jī)實(shí)時(shí)地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時(shí)產(chǎn)生一些的問(wèn)題，其原理圖如下。

圖3 動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成方案

圖4 鋰離子蓄電池系統(tǒng)基礎(chǔ)體系

圖5 BMS和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電示意簡(jiǎn)圖

　　電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合充電模式的原理為：電池管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電池的當(dāng)前狀態(tài)（如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等）進(jìn)行監(jiān)控，并利用這些參數(shù)對(duì)當(dāng)前電池的最大允許充電電流進(jìn)行估算；充電過(guò)程中，通過(guò)通信線將電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。電池管理系統(tǒng)將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓、最高允許單體電池電壓以及最大允許充電電流等參數(shù)實(shí)時(shí)地傳送到充電機(jī)，充電機(jī)就能根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流。