電動(dòng)車用鋰離子電池常用充電方法研究

徐華中++杜虎

摘 要 介紹了馬斯對(duì)鋰離子電池充電特性的理論研究。根據(jù)該研究，從充電過程角度對(duì)常規(guī)充電方法和快速充電方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為鋰電池充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 鋰電池；常規(guī)充電方法；快速充電方法；優(yōu)缺點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0042-02

鋰離子電池具有容量大、能量高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車所用電池的首選，使用最為廣泛[1]。鋰電池對(duì)電壓的精度要求極高，要求誤差小于1%。當(dāng)前使用較為常見的是額定電壓為3.7 V的鋰電池，該電池終止充電電壓為4.2 V，允許誤差范圍為0.042 V[2]。

1 鋰電池充電的理論研究

20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯針對(duì)電池充電性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，得出電池可接受的充電電流[6]：

（1）

式（1）中：充電過程某一時(shí)刻的充電可接受電流；

充電開始（t=0）時(shí)鋰離子電池可接受的最大充電電流；

充電時(shí)可接受的電流衰減常數(shù)，與電池狀態(tài)及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

由上式可知，在充電過程中我們可以得到一條呈指數(shù)規(guī)律下降充電曲線，只有小于該接受曲線的電流才是電池允許的充電電流，該曲線也稱為最佳充電曲線[5]。馬斯還指出，利用瞬間停充或大電流放電可以消除極化現(xiàn)象，提高充電效率，這也是快速充電的理論基礎(chǔ)[4]。

2 單體鋰電池充電方法研究

鋰電池有恒流-恒壓充電法（即常規(guī)充電方法）和快速充電方法，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 恒流-恒壓充電方法

該充電過程為首先以C/15（C為單體電池的容量）的涓流充電。當(dāng)電壓達(dá)到到恒流門限2.5 V時(shí)進(jìn)入恒流充電，此時(shí)以1C的恒定速度對(duì)電池進(jìn)行快速充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)進(jìn)入恒壓充電，充電電流不斷減小，當(dāng)電流降低到C/10或C/15時(shí)，終止充電[4]，如圖1所示。

圖1 恒流—恒壓充電法

2.2 快速充電方法

常規(guī)充電盡管可以實(shí)現(xiàn)充電效果但沒有解決充電時(shí)的極化現(xiàn)象。依據(jù)馬斯的理論，下面介紹兩種可以減輕極化現(xiàn)象的方法。

2.2.1 脈沖充電法

此方法與恒流-恒壓法的區(qū)別是當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)，進(jìn)行脈沖充電。此時(shí)充電電源間歇性的對(duì)電池以恒定電流充電，依此可以減輕極化現(xiàn)象，如圖2所示。隨著電池逐漸充滿，停充時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，充電時(shí)間越來(lái)越短，占空比也越來(lái)越小，當(dāng)占空比小于5%到10%時(shí)，停止充電[3]。

圖2 脈沖充電法

2.2.2 變電流間歇充電法

該充電方法是建立在脈沖充電和分級(jí)定電流充電的基礎(chǔ)上的，區(qū)別是將恒流充電階段改為限電壓變電流間歇充電，如圖3所示。

圖3 變電流間歇充電法

充電過程為先采取較大電流作為初始充電電流，電壓逐漸上升，當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電；保持一會(huì)停充后，減小電流繼續(xù)充電，當(dāng)電壓再次達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電，如此往復(fù)3～4次就可以將充電電流減小到一定的截止電流；最后用給定的截止電流充電至截止電壓，充電結(jié)束[3][5]。

3 各方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

現(xiàn)將各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

充電方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)

恒流—恒壓充電法 充電速度快，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不易控制，產(chǎn)生析氣量

脈沖充電法 無(wú)大量析氣且不發(fā)熱，充電速度快，充電量足，電池壽命好 極板活性物質(zhì)易脫落，能量轉(zhuǎn)換率低

變電流間歇充電法 無(wú)大量析氣，能量效率高，充電速度較快 控制硬件復(fù)雜，造價(jià)高，常用于大功率快充情況

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)馬斯提出的鋰電池充電原理，我們對(duì)鋰電池的充電特性有了一定的了解。在該原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用又介紹了幾種常用的充電方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值，為充電方法的繼續(xù)研究提供

思路。

參考文獻(xiàn)

[1]胡清琮，陳琛，王菁，等.基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）.

[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測(cè)試[J].中國(guó)西部科技，2011（11）.

[3]羅卓.鋰離子二次電池充電方法的研究進(jìn)展[J].廣東化工，2011，38（9）：76-77.

[4]吳斌.嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)中電池充電算法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]林佩君.串聯(lián)電池組新型均衡充電系統(tǒng)的研究[J].北京：北京交通大學(xué)，2007（12）.

[6]王堅(jiān)，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業(yè)，2002（06）.endprint

摘 要 介紹了馬斯對(duì)鋰離子電池充電特性的理論研究。根據(jù)該研究，從充電過程角度對(duì)常規(guī)充電方法和快速充電方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為鋰電池充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 鋰電池；常規(guī)充電方法；快速充電方法；優(yōu)缺點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0042-02

鋰離子電池具有容量大、能量高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車所用電池的首選，使用最為廣泛[1]。鋰電池對(duì)電壓的精度要求極高，要求誤差小于1%。當(dāng)前使用較為常見的是額定電壓為3.7 V的鋰電池，該電池終止充電電壓為4.2 V，允許誤差范圍為0.042 V[2]。

1 鋰電池充電的理論研究

20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯針對(duì)電池充電性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，得出電池可接受的充電電流[6]：

（1）

式（1）中：充電過程某一時(shí)刻的充電可接受電流；

充電開始（t=0）時(shí)鋰離子電池可接受的最大充電電流；

充電時(shí)可接受的電流衰減常數(shù)，與電池狀態(tài)及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

由上式可知，在充電過程中我們可以得到一條呈指數(shù)規(guī)律下降充電曲線，只有小于該接受曲線的電流才是電池允許的充電電流，該曲線也稱為最佳充電曲線[5]。馬斯還指出，利用瞬間停充或大電流放電可以消除極化現(xiàn)象，提高充電效率，這也是快速充電的理論基礎(chǔ)[4]。

2 單體鋰電池充電方法研究

鋰電池有恒流-恒壓充電法（即常規(guī)充電方法）和快速充電方法，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 恒流-恒壓充電方法

該充電過程為首先以C/15（C為單體電池的容量）的涓流充電。當(dāng)電壓達(dá)到到恒流門限2.5 V時(shí)進(jìn)入恒流充電，此時(shí)以1C的恒定速度對(duì)電池進(jìn)行快速充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)進(jìn)入恒壓充電，充電電流不斷減小，當(dāng)電流降低到C/10或C/15時(shí)，終止充電[4]，如圖1所示。

圖1 恒流—恒壓充電法

2.2 快速充電方法

常規(guī)充電盡管可以實(shí)現(xiàn)充電效果但沒有解決充電時(shí)的極化現(xiàn)象。依據(jù)馬斯的理論，下面介紹兩種可以減輕極化現(xiàn)象的方法。

2.2.1 脈沖充電法

此方法與恒流-恒壓法的區(qū)別是當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)，進(jìn)行脈沖充電。此時(shí)充電電源間歇性的對(duì)電池以恒定電流充電，依此可以減輕極化現(xiàn)象，如圖2所示。隨著電池逐漸充滿，停充時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，充電時(shí)間越來(lái)越短，占空比也越來(lái)越小，當(dāng)占空比小于5%到10%時(shí)，停止充電[3]。

圖2 脈沖充電法

2.2.2 變電流間歇充電法

該充電方法是建立在脈沖充電和分級(jí)定電流充電的基礎(chǔ)上的，區(qū)別是將恒流充電階段改為限電壓變電流間歇充電，如圖3所示。

圖3 變電流間歇充電法

充電過程為先采取較大電流作為初始充電電流，電壓逐漸上升，當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電；保持一會(huì)停充后，減小電流繼續(xù)充電，當(dāng)電壓再次達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電，如此往復(fù)3～4次就可以將充電電流減小到一定的截止電流；最后用給定的截止電流充電至截止電壓，充電結(jié)束[3][5]。

3 各方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

現(xiàn)將各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

充電方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)

恒流—恒壓充電法 充電速度快，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不易控制，產(chǎn)生析氣量

脈沖充電法 無(wú)大量析氣且不發(fā)熱，充電速度快，充電量足，電池壽命好 極板活性物質(zhì)易脫落，能量轉(zhuǎn)換率低

變電流間歇充電法 無(wú)大量析氣，能量效率高，充電速度較快 控制硬件復(fù)雜，造價(jià)高，常用于大功率快充情況

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)馬斯提出的鋰電池充電原理，我們對(duì)鋰電池的充電特性有了一定的了解。在該原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用又介紹了幾種常用的充電方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值，為充電方法的繼續(xù)研究提供

思路。

參考文獻(xiàn)

[1]胡清琮，陳琛，王菁，等.基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）.

[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測(cè)試[J].中國(guó)西部科技，2011（11）.

[3]羅卓.鋰離子二次電池充電方法的研究進(jìn)展[J].廣東化工，2011，38（9）：76-77.

[4]吳斌.嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)中電池充電算法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]林佩君.串聯(lián)電池組新型均衡充電系統(tǒng)的研究[J].北京：北京交通大學(xué)，2007（12）.

[6]王堅(jiān)，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業(yè)，2002（06）.endprint

摘 要 介紹了馬斯對(duì)鋰離子電池充電特性的理論研究。根據(jù)該研究，從充電過程角度對(duì)常規(guī)充電方法和快速充電方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為鋰電池充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 鋰電池；常規(guī)充電方法；快速充電方法；優(yōu)缺點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0042-02

鋰離子電池具有容量大、能量高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車所用電池的首選，使用最為廣泛[1]。鋰電池對(duì)電壓的精度要求極高，要求誤差小于1%。當(dāng)前使用較為常見的是額定電壓為3.7 V的鋰電池，該電池終止充電電壓為4.2 V，允許誤差范圍為0.042 V[2]。

1 鋰電池充電的理論研究

20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯針對(duì)電池充電性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，得出電池可接受的充電電流[6]：

（1）

式（1）中：充電過程某一時(shí)刻的充電可接受電流；

充電開始（t=0）時(shí)鋰離子電池可接受的最大充電電流；

充電時(shí)可接受的電流衰減常數(shù)，與電池狀態(tài)及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

由上式可知，在充電過程中我們可以得到一條呈指數(shù)規(guī)律下降充電曲線，只有小于該接受曲線的電流才是電池允許的充電電流，該曲線也稱為最佳充電曲線[5]。馬斯還指出，利用瞬間停充或大電流放電可以消除極化現(xiàn)象，提高充電效率，這也是快速充電的理論基礎(chǔ)[4]。

2 單體鋰電池充電方法研究

鋰電池有恒流-恒壓充電法（即常規(guī)充電方法）和快速充電方法，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 恒流-恒壓充電方法

該充電過程為首先以C/15（C為單體電池的容量）的涓流充電。當(dāng)電壓達(dá)到到恒流門限2.5 V時(shí)進(jìn)入恒流充電，此時(shí)以1C的恒定速度對(duì)電池進(jìn)行快速充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)進(jìn)入恒壓充電，充電電流不斷減小，當(dāng)電流降低到C/10或C/15時(shí)，終止充電[4]，如圖1所示。

圖1 恒流—恒壓充電法

2.2 快速充電方法

常規(guī)充電盡管可以實(shí)現(xiàn)充電效果但沒有解決充電時(shí)的極化現(xiàn)象。依據(jù)馬斯的理論，下面介紹兩種可以減輕極化現(xiàn)象的方法。

2.2.1 脈沖充電法

此方法與恒流-恒壓法的區(qū)別是當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時(shí)，進(jìn)行脈沖充電。此時(shí)充電電源間歇性的對(duì)電池以恒定電流充電，依此可以減輕極化現(xiàn)象，如圖2所示。隨著電池逐漸充滿，停充時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，充電時(shí)間越來(lái)越短，占空比也越來(lái)越小，當(dāng)占空比小于5%到10%時(shí)，停止充電[3]。

圖2 脈沖充電法

2.2.2 變電流間歇充電法

該充電方法是建立在脈沖充電和分級(jí)定電流充電的基礎(chǔ)上的，區(qū)別是將恒流充電階段改為限電壓變電流間歇充電，如圖3所示。

圖3 變電流間歇充電法

充電過程為先采取較大電流作為初始充電電流，電壓逐漸上升，當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電；保持一會(huì)停充后，減小電流繼續(xù)充電，當(dāng)電壓再次達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電，如此往復(fù)3～4次就可以將充電電流減小到一定的截止電流；最后用給定的截止電流充電至截止電壓，充電結(jié)束[3][5]。

3 各方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

現(xiàn)將各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

充電方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)

恒流—恒壓充電法 充電速度快，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不易控制，產(chǎn)生析氣量

脈沖充電法 無(wú)大量析氣且不發(fā)熱，充電速度快，充電量足，電池壽命好 極板活性物質(zhì)易脫落，能量轉(zhuǎn)換率低

變電流間歇充電法 無(wú)大量析氣，能量效率高，充電速度較快 控制硬件復(fù)雜，造價(jià)高，常用于大功率快充情況

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)馬斯提出的鋰電池充電原理，我們對(duì)鋰電池的充電特性有了一定的了解。在該原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用又介紹了幾種常用的充電方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為充電的實(shí)際應(yīng)用提供參考價(jià)值，為充電方法的繼續(xù)研究提供

思路。

參考文獻(xiàn)

[1]胡清琮，陳琛，王菁，等.基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（4）.

[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測(cè)試[J].中國(guó)西部科技，2011（11）.

[3]羅卓.鋰離子二次電池充電方法的研究進(jìn)展[J].廣東化工，2011，38（9）：76-77.

[4]吳斌.嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)中電池充電算法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]林佩君.串聯(lián)電池組新型均衡充電系統(tǒng)的研究[J].北京：北京交通大學(xué)，2007（12）.

[6]王堅(jiān)，秦大為，季寶華，等.慢脈沖快速充電方法的研究[J].電池工業(yè)，2002（06）.endprint