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[云晟电子]一起搞懂锂电池充电知识

目录:电池技术发布时间:2021-06-09 15:31:40点击率:

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二次锂电池具有单体输出电压高、循环寿命长、比能量大、体积小、自放电低、无记忆效应、无污染和工作温度范围宽等优点,被广泛地应用到各个领域。对于锂电池来说,充电方法对其性能影响很大,合理的充电方法可延长锂电池的寿命、提高充电效率。


本文分析了锂电池的各种充电方法,并在充电速度、使用寿命和实现成本上对各自的优缺点进行了比较,供大家参考交流。


一、理论基础


1972年美国科学家J.A.Mas提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线:I=I0e-αt,式中;I0为电池初始充电电流;α为充电接受率;t为充电时间。I0和α的值与电池类型、结构和新旧程度有关。


现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如图1所示,如果充电电流超过这条最佳充电曲线,不但不能提高充电速率,而且会增加电池的析气量;如果小于此最佳充电曲线,虽然不会对电池造成伤害,但是会延长充电时间,降低充电效率。

图1 锂电池充电特性


二、充电方法


锂电池的充电方法有很多种,按充电效率可分为常规充电和快速充电。其中常规充电方法包括:恒流充电、恒压充电、阶段充电和间歇充电,而快速充电包括脉冲充电和Reflex充电,最后还对智能充电进行了分析。


1. 恒流充电


按充电电流的大小恒流充电又可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在整个充电过程中,一般采用调整电源充电电压或改变与电池串联的电阻值,来维持电池的充电电流大小不变。这种方法优点是控制简单,适用于对多个电池串联的电池组进行充电。缺点是锂电池的可接受充电的能力会随着充电的进行逐渐降低,在充电后期过大的充电电流会使电池内部产生气泡,对电池造成损坏。因此恒流充电,常常是作为阶段充电中的一个环节。


2. 恒压充电


恒压充电就是在整个充电过程中,充电电压保持恒定,充电电流的大小随着电池状态的变化自动调整。随着充电的进行,充电电流逐渐减小。与恒流充电相比,其充电过程更加接近最佳充电曲线,控制简单、成本低。缺点是充电时间较长,并且在充电初期电池充电电流过大,直接影响锂电池的寿命和使用质量。所以恒压充电方法很少单独使用,只有在充电电源电压低而电流大时采用。


3. 恒流恒压充电


如图2为恒流恒压充电曲线。在开始充电之前,首先检测电池电压,若电池电压低于门限电压(2.5V左右),则以C/10的小电流对电池进行涓充充电,使电池电压缓慢上升;当电池电压达到门限电压时,进入恒流充电,在此阶段以较大的电流(0.5C~1 C)强度对电池进行快速充电,电池电压上升较快,电池容量将达到其额定值的85%左右;在电池电压上升到上限电压(4.2V)后,电路切换到恒压充电模式,电池电压基本维持在4.2V,充电电流逐渐减小,充电速度变慢,这一阶段主要是保证电池充满,当充电电流降到0.1C 或 0.05C 时,即判定电池充满。

图2 恒流恒压充电曲线


恒流恒压充电避免了恒压充电开始时充电电流过大的问题,又克服了恒流充电后期容易出现过充的现象,结构简单,成本较低,目前在锂电池的充电方法被广泛使用但它不能消除电池充电时的极化现象,影响充电效果


4. 脉冲充电


如图3所示,为脉冲充电曲线,主要包括三个阶段:预充恒流充电和脉冲充电

图3  脉冲充电曲线

在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电,大部分能量被转移到电池内部当电池电压上升到上限电压(4.2V)时,进入脉冲充电模式:1C的脉冲电流间歇地对电池充电在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高,充电停止时电压会慢慢下降当电池电压下降到上限电压(4.2V)后,以同样的电流值对电池充电,开始下一个充电周期,如此循环充电直到电池充满


在脉冲充电过程中,电池电压下降速度会渐渐减慢,停充时间T0会变长,当恒流充电占空比低至5%10%时,认为电池已经充满,终止充电与常规充电方法相比,脉冲充电能以较大的电流充电,在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除,使下一轮的充电更加顺利地进行,充电速度快温度的变化小对电池寿命影响小,因而目前被广泛使用但其缺点很明显:需要一个有限流功能的电源,这增加了脉冲充电方式的成本


C.K.Leong等研究的脉冲充电,每个充电周期持续大约1s,首先对电池进行正向充电,然后停充和反向放电各2030ms正向脉冲电流给电池充电,而负向脉冲电流减少气体从电极中析出,可对电池采用较大电流实现快速充电


5. 间歇充电法


锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法


变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的,它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电如图4(a)所示,变电流间歇充电法的第一阶段(也是主要阶段),先采用较大电流值对电池充电,在电池电压达到截止电压V0时停止充电,此时电池电压急剧下降

图4 间歇充电曲线


保持一段停充时间后,采用减小的充电电流继续充电当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电,如此往复数次(一般约为3次)充电电流将减小设定的截止电流值然后进入恒电压充电阶段,以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值,充电结束变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下,采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流,即加快了充电过程,缩短了充电时间但是这种充电模式电路比较复杂造价高,一般只有在大功率快充时才考虑采用


变电压间歇充电

在变电流间歇充电法的基础上,有人又研究了变电压间歇充电法两者的差异就在于第一阶段的充电过程,将间歇恒流换成间歇恒压比较图4(a)和图4(b),可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线在每个恒压充电阶段,由于电压恒定,充电电流自然按照指数规律下降,符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点


6. Reflex 快速充电法


Reflex快速充电方法,又被称为反射充电方法或打嗝充电方法该方法的每个工作周期包括正向充电反向瞬间放电和停充3个阶段它在很大的程度上解决了电池极化现象,加快了充电速度但是反向放电会缩短锂电池寿命


Sheng-Yuan OuJen-Hung TianReflex快速充电方法进行了研究,充电曲线如图5所示,在每个充电周期中,先采用2C的电流充电时间为10sTc,然后停充时间为0.5sTr1,反向放电时间为1sTd,停充时间为0.5sTr2,每个充电循环时间为12s随着充电的进行,充电电流会逐渐变小实验证明,这种充电方法可以使单体锂电池的充电时间提升到40min,电池温度仅仅升高1.1 ,充电效率达到87.51%

图5 Reflex 充电曲线


7. 智能充电法


智能充电是目前较先进的充电方法,如图6(a)所示,其主要原理是应用du/dt和di/dt控制技术,通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态,动态跟踪电池可接受的充电电流,使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。这样电池能在很少析气的状态下快速将电充满

图6 智能充电

如图6(b)所示,将神经网络与模糊控制相结合,研究出了模糊神经网络控制器、神经网络模型,设计了智能充电控制系统。它既具有模糊控制器的善于表达人类的经验知识、推理能力强等特点,又具有神经网络控制器的直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特点。实验验证,智能充电法在充电过程中电压变化平稳,充电时间短,因此它作为模糊自适应控制方案中的一种,未来将受到愈来愈多的重视。

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