鋰離子電池組監控系統研究與實現 ― 鋰離子電池監控系統基礎研究

2.1鋰離子電池技術

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的新型高能蓄電池，它所構成的電池具有非常多的優點：

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，都可以進行充電，非常方便;

⑷自放電率小，循環壽命長。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。經過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，不會因廢棄造成污染，雖然目前價格比較貴，隨著技術進步以及生產規模的擴大，仍有較大降價空間。

鋰電池是當今各國能量存儲技術研究的熱點，主要集中在大容量、長壽命和安全性三個方面的研究。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，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負極中，反之為放電狀態，即在電池充放電循環過程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復運動以傳遞電能。

但是鋰電池也有其自身的缺點，鋰電池在使用過程中，易受到過充、過放和短路等現象的影響，從而產生損害。其電池的充電電壓必須進行嚴格限制。最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續放電則會損壞電池。鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進行充電。采用大電流充電至4.2V時，充電器應立即轉入恒壓充電，充電電流逐漸減小。為避免過充電或過放電，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，因此鋰電池需使用專用的充電器。另外，鋰電池價格比較昂貴，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

電池的充電過程是一個復雜的電化學變化過程，其復雜性表現為：

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

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

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

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，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，這時充電電流會迅速下降。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，也就是說誤差不能超過1%.如果不控制電壓值，使電壓上升到4.5V的話，會對鋰電池造成永久性的損害。在這個期間，充電電流也會逐漸減小到一個范圍，以小電流繼續對電池充電，最后使電池容量達到額定值。這個過程大概持續80分鐘就能充滿。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小時充滿電。選擇的充電電流不同，但是都能充滿，就是花費時間長短問題。

恒流轉恒壓的充電方式能使電池達到滿充狀態，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

在對鋰電池進行充放電時，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2C時(C為電池的容量)，會使鋰電池的溫度急劇升高，從而嚴重發熱，會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，其充電速率最好在0.25C~1C的范圍內，當充電電流過大時，需要實時監測溫度，以防溫度過高。

2.2.3最佳工作溫度環境

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，但是當溫度過低或過高都會影響到鋰電池的放電容量。實驗表明：當放電速率為0.2C時，環境溫度為25℃時，可放出額定容量;當環境溫度為-10℃時，電池容量下降約5%，當環境溫度為-20℃時，電池容量下降約10%.由此可見，環境溫度為25攝氏度時，是鋰電池的理想工作溫度，在這個溫度下，電池能發揮它的最大性能。

2.2.4自放電率

所有電池在開路的情況下會出現正負極自放電，這會使電池的容量下降。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

經實驗表明，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，一個充電周期意味著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，然后又為它充滿電，再用了一半的電量，然后又為它充滿電，這只能算作一個充電周期，而不是兩個，因此，你可能要花幾次完成一個周期。每完成一個充電周期，電池容量就會減少一點。

2.3鋰電池充電管理

在鋰電池監控管理系統中另一個重要部分就是對鋰電池的充電管理。目前來說，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：線性充電方式、開關充電方式和脈沖充電方式。其中，線性充電和開關充電采用的都是恒流恒壓的充電模式。

2.3.1線性充電方式

線性充電方式主要應用于對噪聲敏感的無線設備，其優點是成本最低，復雜度最小，同時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很大的缺點，就是功率損耗較大。基于線性充電方式的這些優缺點，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。線性充電方式檢測電池電壓來決定其充電狀態[26]。當電池電壓小于某閾值電壓時，處于預充電狀態，此時以較小的電流對電池進行充電，預充電使電池電壓達到閾值電壓后，進入恒定電流充電的快速充電狀態，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，進入恒定電壓充電狀態。在恒定電壓充電狀態下，充電電流將逐漸減小。當充電電流小于某閾值時，充電結束。充電結束后，對電池電壓進行監控，當電池電壓小于閾值時，對電池進行再充電，進入下一個充電周期。