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      [云晟電子]一起搞懂鋰電池充電知識

      目錄:電池技術發布時間:2021-06-09 15:31:40點擊率:

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      二次鋰電池具有單體輸出電壓高、循環壽命長、比能量大、體積小、自放電低、無記憶效應、無污染和工作溫度范圍寬等優點,被廣泛地應用到各個領域。對于鋰電池來說,充電方法對其性能影響很大,合理的充電方法可延長鋰電池的壽命、提高充電效率。


      本文分析了鋰電池的各種充電方法,并在充電速度、使用壽命和實現成本上對各自的優缺點進行了比較,供大家參考交流。


      一、理論基礎


      1972年美國科學家J.A.Mas提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線:I=I0e-αt,式中;I0為電池初始充電電流;α為充電接受率;t為充電時間。I0和α的值與電池類型、結構和新舊程度有關。


      現階段對電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來開展的。如圖1所示,如果充電電流超過這條最佳充電曲線,不但不能提高充電速率,而且會增加電池的析氣量;如果小于此最佳充電曲線,雖然不會對電池造成傷害,但是會延長充電時間,降低充電效率。

      圖1 鋰電池充電特性


      二、充電方法


      鋰電池的充電方法有很多種,按充電效率可分為常規充電和快速充電。其中常規充電方法包括:恒流充電、恒壓充電、階段充電和間歇充電,而快速充電包括脈沖充電和Reflex充電,最后還對智能充電進行了分析。


      1. 恒流充電


      按充電電流的大小恒流充電又可分為快速充電、標準充電和涓流充電。在整個充電過程中,一般采用調整電源充電電壓或改變與電池串聯的電阻值,來維持電池的充電電流大小不變。這種方法優點是控制簡單,適用于對多個電池串聯的電池組進行充電。缺點是鋰電池的可接受充電的能力會隨著充電的進行逐漸降低,在充電后期過大的充電電流會使電池內部產生氣泡,對電池造成損壞。因此恒流充電,常常是作為階段充電中的一個環節。


      2. 恒壓充電


      恒壓充電就是在整個充電過程中,充電電壓保持恒定,充電電流的大小隨著電池狀態的變化自動調整。隨著充電的進行,充電電流逐漸減小。與恒流充電相比,其充電過程更加接近最佳充電曲線,控制簡單、成本低。缺點是充電時間較長,并且在充電初期電池充電電流過大,直接影響鋰電池的壽命和使用質量。所以恒壓充電方法很少單獨使用,只有在充電電源電壓低而電流大時采用。


      3. 恒流恒壓充電


      如圖2為恒流恒壓充電曲線。在開始充電之前,首先檢測電池電壓,若電池電壓低于門限電壓(2.5V左右),則以C/10的小電流對電池進行涓充充電,使電池電壓緩慢上升;當電池電壓達到門限電壓時,進入恒流充電,在此階段以較大的電流(0.5C~1 C)強度對電池進行快速充電,電池電壓上升較快,電池容量將達到其額定值的85%左右;在電池電壓上升到上限電壓(4.2V)后,電路切換到恒壓充電模式,電池電壓基本維持在4.2V,充電電流逐漸減小,充電速度變慢,這一階段主要是保證電池充滿,當充電電流降到0.1C 或 0.05C 時,即判定電池充滿。

      圖2 恒流恒壓充電曲線


      恒流恒壓充電避免了恒壓充電開始時充電電流過大的問題,又克服了恒流充電后期容易出現過充的現象,結構簡單,成本較低,目前在鋰電池的充電方法被廣泛使用。但它不能消除電池充電時的極化現象,影響充電效果。


      4. 脈沖充電


      如圖3所示,為脈沖充電曲線,主要包括三個階段:預充、恒流充電和脈沖充電。

      圖3  脈沖充電曲線

      在恒流充電過程中以恒定電流對電池進行充電,大部分能量被轉移到電池內部。當電池電壓上升到上限電壓(4.2V)時,進入脈沖充電模式:1C的脈沖電流間歇地對電池充電。在恒定的充電時間Tc內電池電壓會不斷升高,充電停止時電壓會慢慢下降。當電池電壓下降到上限電壓(4.2V)后,以同樣的電流值對電池充電,開始下一個充電周期,如此循環充電直到電池充滿。


      在脈沖充電過程中,電池電壓下降速度會漸漸減慢,停充時間T0會變長,當恒流充電占空比低至5%10%時,認為電池已經充滿,終止充電。與常規充電方法相比,脈沖充電能以較大的電流充電,在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會被消除,使下一輪的充電更加順利地進行,充電速度快、溫度的變化小、對電池壽命影響小,因而目前被廣泛使用。但其缺點很明顯:需要一個有限流功能的電源,這增加了脈沖充電方式的成本。


      C.K.Leong等研究的脈沖充電,每個充電周期持續大約1s,首先對電池進行正向充電,然后停充和反向放電各2030ms。正向脈沖電流給電池充電,而負向脈沖電流減少氣體從電極中析出,可對電池采用較大電流實現快速充電。


      5. 間歇充電法


      鋰電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。


      變電流間歇充電法

      變電流間歇充電法是由廈門大學陳體銜教授提出來的,它的特點是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。如圖4(a)所示,變電流間歇充電法的第一階段(也是主要階段),先采用較大電流值對電池充電,在電池電壓達到截止電壓V0時停止充電,此時電池電壓急劇下降。

      圖4 間歇充電曲線


      保持一段停充時間后,采用減小的充電電流繼續充電。當電池電壓再次上升到截止電壓V0時停止充電,如此往復數次(一般約為3次)充電電流將減小設定的截止電流值。然后進入恒電壓充電階段,以恒定電壓對電池充電直到充電電流減小到下限值,充電結束。變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下,采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流,即加快了充電過程,縮短了充電時間。但是這種充電模式電路比較復雜、造價高,一般只有在大功率快充時才考慮采用。


      變電壓間歇充電

      在變電流間歇充電法的基礎上,有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過程,將間歇恒流換成間歇恒壓。比較圖4(a)和圖4(b),可見恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。在每個恒壓充電階段,由于電壓恒定,充電電流自然按照指數規律下降,符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。


      6. Reflex 快速充電法


      Reflex快速充電方法,又被稱為反射充電方法或打嗝充電方法。該方法的每個工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個階段。它在很大的程度上解決了電池極化現象,加快了充電速度。但是反向放電會縮短鋰電池壽命。


      Sheng-Yuan OuJen-Hung TianReflex快速充電方法進行了研究,充電曲線如圖5所示,在每個充電周期中,先采用2C的電流充電時間為10sTc,然后停充時間為0.5sTr1,反向放電時間為1sTd,停充時間為0.5sTr2,每個充電循環時間為12s。隨著充電的進行,充電電流會逐漸變小。實驗證明,這種充電方法可以使單體鋰電池的充電時間提升到40min,電池溫度僅僅升高1.1 ,充電效率達到87.51%。

      圖5 Reflex 充電曲線


      7. 智能充電法


      智能充電是目前較先進的充電方法,如圖6(a)所示,其主要原理是應用du/dt和di/dt控制技術,通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態,動態跟蹤電池可接受的充電電流,使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。這樣電池能在很少析氣的狀態下快速將電充滿。

      圖6 智能充電

      如圖6(b)所示,將神經網絡與模糊控制相結合,研究出了模糊神經網絡控制器、神經網絡模型,設計了智能充電控制系統。它既具有模糊控制器的善于表達人類的經驗知識、推理能力強等特點,又具有神經網絡控制器的直接從控制數據中學習知識、學習能力強等特點。實驗驗證,智能充電法在充電過程中電壓變化平穩,充電時間短,因此它作為模糊自適應控制方案中的一種,未來將受到愈來愈多的重視。

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