鋰離子電池組監控系統研究與實(shí)現 ― 鋰離子電池監控系統基礎研究

2.1鋰離子電池技術(shù)

鋰是世界最輕的金屬，是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，它所構成的電池具有非常多的優(yōu)點(diǎn)：

⑴高容量，高密度。鋰電池的輸出電壓近4V，是單節鎳鎘、鎳氫電池的3倍，能夠比鎳氫電池存儲更多的能量;

⑵尺寸小，重量輕;

⑶無(wú)記憶效應。鋰電池不需要定期放電，不管殘余電量多少，都可以進(jìn)行充電，非常方便;

⑷自放電率小，循環(huán)壽命長(cháng)。鋰電池自放電率為每月2%~5%，而鎳鎘，鎳氫等電池自放電率達到20%;

⑸充放電壽命長(cháng)。經(jīng)過(guò)500次重復充放電后，其容量至少相當于新電池的70%以上。鋰離子蓄電池是綠色蓄電池，不會(huì )因廢棄造成污染，雖然目前價(jià)格比較貴，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步以及生產(chǎn)規模的擴大，仍有較大降價(jià)空間。

鋰電池是當今各國能量存儲技術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要集中在大容量、長(cháng)壽命和安全性三個(gè)方面的研究。鋰電池中，鋰離子在正負極材料晶格中可以自由擴散，當電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復運動(dòng)以傳遞電能。

但是鋰電池也有其自身的缺點(diǎn)，鋰電池在使用過(guò)程中，易受到過(guò)充、過(guò)放和短路等現象的影響，從而產(chǎn)生損害。其電池的充電電壓必須進(jìn)行嚴格限制。最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續放電則會(huì )損壞電池。鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進(jìn)行充電。采用大電流充電至4.2V時(shí)，充電器應立即轉入恒壓充電，充電電流逐漸減小。為避免過(guò)充電或過(guò)放電，鋰離子電池不僅在內部設有安全機構，充電器也必須采取安全保護措施，以監測鋰離子電池的充放電狀態(tài)，因此鋰電池需使用專(zhuān)用的充電器。另外，鋰電池價(jià)格比較昂貴，影響鋰電池的應用。

2.2鋰離子電池特性

鋰離子電池的主要工作特性：

2.2.1鋰電池的充電特性

電池的充電過(guò)程是一個(gè)復雜的電化學(xué)變化過(guò)程，其復雜性表現為：

(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質(zhì)的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

(2)非線(xiàn)性在電池充電的過(guò)程中，一般不能只用簡(jiǎn)單恒流或恒壓充電方式，因為充電電流在充電過(guò)程中會(huì )出現非線(xiàn)性的變化，其電流值會(huì )隨充電時(shí)間呈指數規律下降。

(3)復雜的電化學(xué)性經(jīng)過(guò)多次的充放電后，電池的充放電能力將出現很大的不同，電池的容量將會(huì )不一致，即使是同一類(lèi)型的電池也是一樣。

針對以前這些復雜的現象，在目前，提出了一種有效的充電方式—恒流轉恒壓的充電方式。當電池容量比較低時(shí)，該充電方式首先采用恒流充電，例如額定容量為2000mah的電池充電，采用2A電流充電，大概40分鐘電池電壓就能上升到設定值(4.2V)，然后轉入恒壓方式充電，就是電壓維持4.2V，這時(shí)充電電流會(huì )迅速下降。在恒壓充電期間，對電壓精度的要求很高，必須維持在4.2V±42mV的范圍內，也就是說(shuō)誤差不能超過(guò)1%.如果不控制電壓值，使電壓上升到4.5V的話(huà)，會(huì )對鋰電池造成永久性的損害。在這個(gè)期間，充電電流也會(huì )逐漸減小到一個(gè)范圍，以小電流繼續對電池充電，最后使電池容量達到額定值。這個(gè)過(guò)程大概持續80分鐘就能充滿(mǎn)。如果采用1A電流充電，大概100分鐘電池電壓上升到4.2V，約2.5小時(shí)充滿(mǎn)電。選擇的充電電流不同，但是都能充滿(mǎn)，就是花費時(shí)間長(cháng)短問(wèn)題。

恒流轉恒壓的充電方式能使電池達到滿(mǎn)充狀態(tài)，并且不損害電池，大大提高了電池的使用壽命和效率，目前成為鋰電池最主要的一種充電方式。

2.2.2充放電電流特性

在對鋰電池進(jìn)行充放電時(shí)，需要考慮其充放電的最大電流，尤其是放電電流，當鋰電池的放電速率超過(guò)2C時(shí)(C為電池的容量)，會(huì )使鋰電池的溫度急劇升高，從而嚴重發(fā)熱，會(huì )對鋰電池的內部造成損壞，影響其使用壽命。在對鋰電池充電時(shí)，其充電速率最好在0.25C~1C的范圍內，當充電電流過(guò)大時(shí)，需要實(shí)時(shí)監測溫度，以防溫度過(guò)高。

2.2.3最佳工作溫度環(huán)境

溫度對鋰電池的容量有很大的影響。雖然鋰電池的使用溫度范圍可以在-20℃~60℃之間，但是當溫度過(guò)低或過(guò)高都會(huì )影響到鋰電池的放電容量。實(shí)驗表明：當放電速率為0.2C時(shí)，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，可放出額定容量;當環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，電池容量下降約5%，當環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，電池容量下降約10%.由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度為25攝氏度時(shí)，是鋰電池的理想工作溫度，在這個(gè)溫度下，電池能發(fā)揮它的最大性能。

2.2.4自放電率

所有電池在開(kāi)路的情況下會(huì )出現正負極自放電，這會(huì )使電池的容量下降。但是鋰電池的自放電率非常小，遠遠低于鎳鎘電池、鎳氫電池。

2.2.5電池使用壽命

經(jīng)實(shí)驗表明，鋰電池的使用壽命遠遠大于其他電池，其充放電次數為600-1000次，而鎳鎘電池、鎳氫電池的充放電數一般為300-600次。鋰電池的充電次數具體視充電周期而定，一個(gè)充電周期意味著(zhù)用完電池的所有電量，但并不等同于充一次電。例如，可以只用了一半的電量，然后又為它充滿(mǎn)電，再用了一半的電量，然后又為它充滿(mǎn)電，這只能算作一個(gè)充電周期，而不是兩個(gè)，因此，你可能要花幾次完成一個(gè)周期。每完成一個(gè)充電周期，電池容量就會(huì )減少一點(diǎn)。

2.3鋰電池充電管理

在鋰電池監控管理系統中另一個(gè)重要部分就是對鋰電池的充電管理。目前來(lái)說(shuō)，主要存在兩種充電模式，一種是恒流恒壓的充電模式，另一種是脈沖電流充電的模式。根據這兩種充電模式，目前主要存在三種充電方式：線(xiàn)性充電方式、開(kāi)關(guān)充電方式和脈沖充電方式。其中，線(xiàn)性充電和開(kāi)關(guān)充電采用的都是恒流恒壓的充電模式。

2.3.1線(xiàn)性充電方式

線(xiàn)性充電方式主要應用于對噪聲敏感的無(wú)線(xiàn)設備，其優(yōu)點(diǎn)是成本最低，復雜度最小，同時(shí)在三種方式中其傳導和輻射干擾是最小的。但是這種充電方式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是功率損耗較大?；诰€(xiàn)性充電方式的這些優(yōu)缺點(diǎn)，這種充電方式在小功率便攜設備充電方案中具有很大的市場(chǎng)。線(xiàn)性充電方式檢測電池電壓來(lái)決定其充電狀態(tài)[26]。當電池電壓小于某閾值電壓時(shí)，處于預充電狀態(tài)，此時(shí)以較小的電流對電池進(jìn)行充電，預充電使電池電壓達到閾值電壓后，進(jìn)入恒定電流充電的快速充電狀態(tài)，充電電流可以調整。恒定電流充電使電池電壓上升到恒定電壓充電電壓(一般為4.2V)后，進(jìn)入恒定電壓充電狀態(tài)。在恒定電壓充電狀態(tài)下，充電電流將逐漸減小。當充電電流小于某閾值時(shí)，充電結束。充電結束后，對電池電壓進(jìn)行監控，當電池電壓小于閾值時(shí)，對電池進(jìn)行再充電，進(jìn)入下一個(gè)充電周期。