鋰電池管理系統的研究與實(shí)現 — 鋰電池的原理特性及剩余電量研究

1.1鋰電池的工作原理

早期的鋰電池直接在負極中使用金屬鋰，容易在充電過(guò)程中產(chǎn)生鋰沉積，并且產(chǎn)生腐蝕現象，大大縮短了電池的循環(huán)壽命，嚴重時(shí)可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負極中采用可以容納鋰離子的晶狀結構活性材料，使鋰離子隨著(zhù)充放電從正極轉移到負極或者從負極轉移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過(guò)程是通過(guò)鋰離子電池正負極中的嵌入和脫嵌來(lái)實(shí)現的，當電池充電時(shí)，正極釋放出鋰離子于電解質(zhì)中，這個(gè)過(guò)程是脫嵌，負極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個(gè)過(guò)程是嵌入，當電池放電時(shí)發(fā)生與上述相反的過(guò)程，這種充放電時(shí)鋰離子往返的嵌入和脫嵌過(guò)程好像搖椅一樣搖來(lái)?yè)u去，故有人稱(chēng)鋰離子電池為“搖椅電池”。一般鋰離子電池的負極由碳(C)材料構成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構成，主要的化學(xué)反應為：

鋰離子電池有許多優(yōu)越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩、貯存壽命長(cháng)(相對其他的蓄電池)。從安全性來(lái)講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經(jīng)過(guò)過(guò)充、短路、穿刺、沖擊(壓)等濫用實(shí)驗(ABUSE TEST)，均無(wú)危險發(fā)生。鋰離子電池與鎳鎘電池(Cd-Ni)，鎳氫電池(MH-Ni)電池一樣，可以快速充電，且無(wú)記憶效應，遠比Cd-Ni電池優(yōu)越;它的自放電率遠比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護的角度看，世界環(huán)境保護組織早已把鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)三種元素列為有害物質(zhì)。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環(huán)境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問(wèn)題。當然，鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)，比如低溫放電率不高，電池的價(jià)格比較高等。

1.2鋰電池的充放電特性

蓄電池的充電過(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)性一般而言，充電電流在充電過(guò)程中隨充電時(shí)間呈指數規律下降，不可能只用簡(jiǎn)單恒流或恒壓控制充電全過(guò)程。

(3)復雜的電化學(xué)性即使是同一類(lèi)型同一容量的電池，隨著(zhù)各自使用時(shí)放電的歷史狀態(tài)不一樣，剩余電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給水下機器人提供動(dòng)力的電池組，由于使用環(huán)境的復雜性，其充放電過(guò)程也更為復雜，尤其是過(guò)充電和過(guò)放電會(huì )對電池的結構造成不可恢復的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術(shù)與傳統的電池技術(shù)相比有很大的性能優(yōu)勢，但對監測系統也有更高的要求。

如果控制不當的話(huà)，不僅對電池的結構會(huì )造成破壞，還會(huì )發(fā)生危險。

鋰離子電池的標稱(chēng)電壓為3.6V，充滿(mǎn)電壓為4.2V，對過(guò)充電和過(guò)放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰電池易受到的過(guò)充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。

不同的電池可能具有不同的容量，同容量數值相同的電流值稱(chēng)為1C.鋰電池在不同的電流下的充、放電特性會(huì )有不同，因此研究它的充、放電特性，使用正確的充、放電控制、保護方式對于其使用安全和提高使用壽命具有很大的理論和應用意義。