一种新型锂电池充电技术

谢信奇， 秦会斌

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

现阶段蓄电池的充电方法基本是围绕最佳充电曲线开展，传统的锂电池充电方法主要有恒流充电、恒压充电、脉冲充电、Relax充电等。Mas J A提出瞬时停充或者大电流放电，可消除极化现象，使电池的可接受充电曲线不断右移，从而提高充电效率，这是加快充电速度的理论基础[1]。目前应用最广泛的充电方法是三阶段充电法,存在充电速度慢，效率低，无法消除电池充电时的极化现象等问题[2]。

针对上述问题，本文提出了一种改进型阶段充电方法，分为保护性涓流充电、变电流间歇充电、恒压间歇充电三阶段，依据最佳充电曲线计算充电电流并合理设置充电间歇，提高了充电速度和效率。由于锂电池的抗过充电能较弱[3]，充电后期的停充检测也至关重要，是锂电池充电技术的研究方向之一[4，5]，为此提出了一种停充检测方法，依据充电间歇期的电压变化率进行满充判定，检测结果准确，避免过充并提高了电池剩余容量。单体锂电池成组之后，充电过程中无法保证单体电池的一致性，因此，均衡控制技术研究必不可少[6]。针对锂电池成组充电[7，8]，提出了一种电容均衡控制方法，保证了单体电池在充电过程中的一致性。

1 充电方法

具体充电流程如图1所示。

图1 充电流程

1.1 保护性涓流预充电

当锂电池端电压小于下限阈值电压Vlow=2.5 V时，证明该电池存在过放，如果此时直接对其进行大电流充电，会对电池造成损害[9]。采集锂电池的端电压，若电池端电压小于下限阈值电压，则首先采用0.1C(C为倍率，1C=1 200 mA)的涓流对电池进行保护性充电，将电池端电压拉升到下限阈值电压以上。若电池端电压大于Vlow，则直接进入变电流间歇充电阶段。

1.2 变电流间歇充电

变电流间歇充电分为充电期和间歇期。充电期通过大电流快速充电提升充电速度，间歇期为锂电池提供充分的化学反应时间，减少充电期产生的析气量。依据最佳充电曲线设定阶梯状的递减式电流脉冲，充电电流与锂电池剩余容量呈线性关系，可通过锂电池的电池剩余容量(state of chare,SOC)计算得到。随着充电的进行，充电期持续时间越来越短，间歇期持续时间越来越长。

1.2.1 电流—容量关系

根据锂电池的最佳充电曲线，充电过程中充电电流不断变化且递减，需要根据电池实际状态实时调整充电电流大小。本文研究了一种容量控制方法，研究电池容量和最佳充电电流的关系，通过不同的电池容量计算出对应的充电电流。电池充电时，容量Q计算公式为

(1)

式中Ic为最佳充电电流。又有最佳充电曲线

Ic=I0e-αt

(2)

式中I0为初始电电流；t为充电时间；α为充电接受率。运算得

Ic=I0-α·Q

(3)

从式(3)可看出，电池的最佳充电电流与电池容量呈线性关系[10]。α随着极化现象的发生而降低，当剩余容量小于额定容量的50 %时，α≈1.6 ；当剩余容量大于额定容量的50 %时，α≈1.4 。假设Q=2 Ah ，可推导出最佳充电电流为分段线性函数

(4)

容量与电流关系如图2所示。

图2 Q-I关系

1.2.2 电流区间划分

假定电池额定容量为2 Ah充电过程中，SOC按20 %，40 %，60 %，80 %划分，根据式(4)电流与容量关系，得出最佳充电电流分别为1.28，0.96，0.61，0.33 C。

1.2.3 充电期与间歇期

在变电流间歇充电阶段，充电曲线如图3所示。曲线Z为锂电池端电压变化曲线。输入电流Ic划分为1.28，0.96，0.61，0.33 C。充电期与间歇期组成一个完整的充电周期，持续时间分别为Tc和Tp。首先进入充电期，控制输入电流Ic恒定[11]，此时电池端电压逐渐增加，当上升至上限阈值电压Vup=4.2 V时，充电期结束，断开输入。进入间歇期，此时电池端电压先不断回落后趋于稳定，短暂延时后完成一个充电周期。变电流间歇充电通常需要进行4～6个充电周期，随着充电的进行，Tc逐渐减小，Tp逐渐增大，直至电池端电压稳定趋于Vup。

图3 变电流间歇充电曲线

1.3 恒压间歇充电

恒压间歇充电阶段，如图4所示，设置最高充电电压Vmax=4.242 V。该阶段分为充电期和间歇期。首先进入充电期，以Vup大小的恒定电压对电池充电，此时电池端电压不断上升，当上升至Vmax时，断开输入，暂停充电。进入间歇期，间歇期电池端电压从Vmax开始下降，当下降至Vup时，完成一个充电周期。随后重启相同电压值的输入，继续下一轮充电，该阶段大约需要3～5个充电周期。随着充电的进行，电池剩余电量逐渐接近饱和，每一个充电周期的充电时间逐渐减小，间歇时间逐渐增加。如此往复，直至满足停充条件，充电结束。

2 停充控制

传统的停充检测技术主要是电压检测和温度检测，但2种检测方法受外界因素影响较大，经常出现检测不准，导致电池过充的情况[12]。本文提出了一种电压变化率检测法，通过采集一断时间内电池端电压差值计算电压变化率，当变化率小于阈值时，判定满充。如图4所示，在恒压间歇充电阶段，间歇期电池端电压会从Vmax回落至Vup，在充电初期端电压下降较快，当电池剩余容量接近额定容量时，端电压下降很慢。设电压变化率为K，可得

(5)

由式(5)可得，在充电后期，当K=3 mA/s 时，表明电池剩余容量接近额定容量，可停止输入，判定充电结束。

图4 恒压间歇充电曲线

3 均衡控制

受锂电池制备工艺和技术的影响，即使同一批锂电池在出厂时也无法保证各种参数指标完全相同。特别是容量、端电压、电池内阻值等参数，差异更是无法避免。如果没有均衡控制，在多节锂电池串/并联充电的情形下，内阻值低的单体电池较内阻值高的更快充满，此时如果继续充电，会造成过充。随着循环充电的次数增多，单体电池间的差异将越来越明显，进而整个电池组的寿命均将受到影响，甚至可能有安全隐患[13]。故对于多节电池串/并联充电，需通过合理的均衡控制技术减小单体电池在充电过程中产生的差异，保证SOC、端电压等参数的一致性。传统的均衡控制技术主要是耗散型的电阻均衡法，该方法的优点是电路和控制简单，缺点是均衡时多余的电池能量主要以热能的形式损耗在电阻器上，造成一定的浪费。本文采用非耗散型的电容均衡法，当相邻单体电池间端电压差大于阈值电压Vd=0.2 V时，控制功率开关选择通路，将端电压高的电池能量向邻近端电压低的电池转移，实现充电过程的均衡控制，保证了一致性。如图5所示，当电池B1与B2的压差大于Vd时，即VB1-VB2>Vd，则控制器控制S1合向a，S2合向c，S1首先对C1放电，当VB1下降Vd/2时，控制器控制S1合向b，S2合向d，C1对B2放电，VB2上升约Vd/2。结束后VB1≈VB2，完成均衡控制。电容均衡法均衡效果良好，且能量利用率高，缺点是控制复杂，均衡速度相对较慢。

图5 电容均衡法控制示意

4 实验分析与结论

4.1 充电方法实验

在相同实验环境下，以相同实验设备，分别进行恒流—恒压充电、脉冲充电、本文充电方法3种充电实验，初始条件如下：12 ℃室温，5节2 Ah的18650钴酸锂电池串联，单体电池初始端电压为2.54 V。以3种不同的充电方法对电池组进行充电，传统的恒流—恒压充电速度最慢，充电时长为2.79 h；脉冲充电法是现有较快的充电方法之一，速度优于恒流—恒压充电，充电时长为1.95 h；而本文改进型阶段充电法在脉冲充电的基础上再次提升了充电速度，充电时长缩短至1.5 h。本文充电法遵循最佳充电曲线，根据Q-I关系计算出最佳充电电流，利用大电流脉冲显著地提升了充电速度。另外，在变电流间歇充电和恒压间歇充电阶段均设置了充电间歇期，电池内部化学反应充分，减少了电池充电时产生的析气量，提升了充电效率。

4.2 停充检测实验

采用3种不同的停充检测方法进行实验，结果如表1所示，温度检测法受外界因素影响较大，准确度不高。电压检测法通过采集端电压大小，判定满充，相对较为准确。而本文依据电池端电压变化率的检测方法，受外界因素影响最小，只与间歇期“ΔV/Δt”的计算结果有关，由实验结果可知，以电压变化率为标准进行停充检测最为准确。

表1 3种停充检测法比较

4.3 均衡控制实验

以无均衡控制的充电系统进行对照实验。结果如表2所示，串联的5节18 650钴酸锂电池的内阻值各不相同，B3和B5的内阻值差异很大，未进行均衡控制的电池组在充电结束后，相邻锂电池的端电压差距较大，最大电压差达到150 mV，随着充电次数的增加，差异越来越明显。而通过本文的电容均衡法进行均衡控制的电池组，相邻电池端电压差最大仅为11 mV，实验可知，均衡控制在成组充电时可保证单体电池参数一致性，且本文电容均衡控制法有效。

表2 均衡控制比较

5 结 论

提出了一种新型锂电池充电技术，分别从充电方法、停充检测和均衡控制3方面展开研究。实验结果表明：

1)变电流间歇充电遵循最佳充电曲线，可显著提高锂电池的充电速度；

2)变电流间歇充电和恒压间歇充电设置充电间歇，电池内部化学反应充分，减少析气量，充电效率提高；

3)利用电压变化率停充检测方法，不仅保证了电池的充电安全还能最大限度地实现满充；

4)本文电容均衡控制方法可保证锂电池成组充电时单体电池的一致性，提升了电池循环使用寿命，且均衡过程中能量利用率高。

参考文献:

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