二次鋰電池具有單體輸出電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量大、體積小、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染和工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,如電子儀表、數(shù)碼和家電產(chǎn)品、電動(dòng)車等。
對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō),充電方法對(duì)其性能影響很大,合理的充電方法可延長(zhǎng)鋰電池的壽命、提高充電效率。本文分析了鋰電池的各種充電方法,并在充電速度、使用壽命和實(shí)現(xiàn)成本上對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較,供大家參考交流。
一、理論基礎(chǔ)
1972年美國(guó)科學(xué)家J.A.Mas提出蓄電池在充電過(guò)程中存在最佳充電曲線:I=I0e ^-αt^ ,式中;I0為電池初始充電電流;α為充電接受率;t為充電時(shí)間。I0和α的值與電池類型、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關(guān)。
現(xiàn)階段對(duì)電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來(lái)開(kāi)展的。如圖1所示,如果充電電流超過(guò)這條最佳充電曲線,不但不能提高充電速率,而且會(huì)增加電池的析氣量;如果小于此最佳充電曲線,雖然不會(huì)對(duì)電池造成傷害,但是會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間,降低充電效率。
圖1 鋰電池充電特性
二、充電方法
鋰電池的充電方法有很多種,按充電效率可分為常規(guī)充電和快速充電。其中常規(guī)充電方法包括:恒流充電、恒壓充電、階段充電和間歇充電,而快速充電包括脈沖充電和Reflex充電,最后還對(duì)智能充電進(jìn)行了分析。
- 恒流充電
按充電電流的大小恒流充電又可分為快速充電、標(biāo)準(zhǔn)充電和涓流充電。在整個(gè)充電過(guò)程中,一般采用調(diào)整電源充電電壓或改變與電池串聯(lián)的電阻值,來(lái)維持電池的充電電流大小不變。
這種方法優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單,適用于對(duì)多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。缺點(diǎn)是鋰電池的可接受充電的能力會(huì)隨著充電的進(jìn)行逐漸降低,在充電后期過(guò)大的充電電流會(huì)使電池內(nèi)部產(chǎn)生氣泡,對(duì)電池造成損壞。因此恒流充電,常常是作為階段充電中的一個(gè)環(huán)節(jié)。
- 恒壓充電
恒壓充電就是在整個(gè)充電過(guò)程中,充電電壓保持恒定,充電電流的大小隨著電池狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)整。隨著充電的進(jìn)行,充電電流逐漸減小。與恒流充電相比,其充電過(guò)程更加接近最佳充電曲線,控制簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是充電時(shí)間較長(zhǎng),并且在充電初期電池充電電流過(guò)大,直接影響鋰電池的壽命和使用質(zhì)量。所以恒壓充電方法很少單獨(dú)使用,只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。
- 恒流恒壓充電
如圖2為恒流恒壓充電曲線。在開(kāi)始充電之前,首先檢測(cè)電池電壓,若電池電壓低于門(mén)限電壓(2.5V左右),則以C/10的小電流對(duì)電池進(jìn)行涓充充電,使電池電壓緩慢上升;當(dāng)電池電壓達(dá)到門(mén)限電壓時(shí),進(jìn)入恒流充電,在此階段以較大的電流(0.5C~1C)強(qiáng)度對(duì)電池進(jìn)行快速充電,電池電壓上升較快,電池容量將達(dá)到其額定值的85%左右;在電池電壓上升到上限電壓(4.2V)后,電路切換到恒壓充電模式,電池電壓基本維持在4.2V,充電電流逐漸減小,充電速度變慢,這一階段主要是保證電池充滿,當(dāng)充電電流降到0.1C或 0.05C時(shí),即判定電池充滿。
圖2 恒流恒壓充電曲線
恒流恒壓充電避免了恒壓充電開(kāi)始時(shí)充電電流過(guò)大的問(wèn)題,又克服了恒流充電后期容易出現(xiàn)過(guò)充的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,目前在鋰電池的充電方法被廣泛使用。但它不能消除電池充電時(shí)的極化現(xiàn)象,影響充電效果。
- 脈沖充電
如圖3所示,為脈沖充電曲線,主要包括三個(gè)階段:預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。
圖3 脈沖充電曲線
在恒流充電過(guò)程中以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電,大部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到上限電壓(4.2V)時(shí),進(jìn)入脈沖充電模式:用1C的脈沖電流間歇地對(duì)電池充電。在恒定的充電時(shí)間Tc內(nèi)電池電壓會(huì)不斷升高,充電停止時(shí)電壓會(huì)慢慢下降。當(dāng)電池電壓下降到上限電壓(4.2V)后,以同樣的電流值對(duì)電池充電,開(kāi)始下一個(gè)充電周期,如此循環(huán)充電直到電池充滿。
在脈沖充電過(guò)程中,電池電壓下降速度會(huì)漸漸減慢,停充時(shí)間T0會(huì)變長(zhǎng),當(dāng)恒流充電占空比低至5%~10%時(shí),認(rèn)為電池已經(jīng)充滿,終止充電。與常規(guī)充電方法相比,脈沖充電能以較大的電流充電,在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會(huì)被消除,使下一輪的充電更加順利地進(jìn)行,充電速度快、溫度的變化小、對(duì)電池壽命影響小,因而目前被廣泛使用。但其缺點(diǎn)很明顯:需要一個(gè)有限流功能的電源,這增加了脈沖充電方式的成本。
C.K.Leong等研究的脈沖充電,每個(gè)充電周期持續(xù)大約1s,首先對(duì)電池進(jìn)行正向充電,然后停充和反向放電各20~30ms。正向脈沖電流給電池充電,而負(fù)向脈沖電流減少氣體從電極中析出,可對(duì)電池采用較大電流實(shí)現(xiàn)快速充電。
- 間歇充電法
鋰電池間歇充電法包括變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。
變電流間歇充電法
變電流間歇充電法是由廈門(mén)大學(xué)陳體銜教授提出來(lái)的,它的特點(diǎn)是將恒流充電改為限壓變電流間歇充電。如圖4(a)所示,變電流間歇充電法的第一階段(也是主要階段),先采用較大電流值對(duì)電池充電,在電池電壓達(dá)到截止電壓V0時(shí)停止充電,此時(shí)電池電壓急劇下降。
圖4 間歇充電曲線
保持一段停充時(shí)間后,采用減小的充電電流繼續(xù)充電。當(dāng)電池電壓再次上升到截止電壓V0時(shí)停止充電,如此往復(fù)數(shù)次(一般約為3~4次)充電電流將減小設(shè)定的截止電流值。然后進(jìn)入恒電壓充電階段,以恒定電壓對(duì)電池充電直到充電電流減小到下限值,充電結(jié)束。變電流間歇充電法的主充階段在限定充電電壓條件下,采用了電流逐漸減小的間歇方式加大了充電電流,即加快了充電過(guò)程,縮短了充電時(shí)間。但是這種充電模式電路比較復(fù)雜、造價(jià)高,一般只有在大功率快充時(shí)才考慮采用。
變電壓間歇充電
在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上,有人又研究了變電壓間歇充電法。兩者的差異就在于第一階段的充電過(guò)程,將間歇恒流換成間歇恒壓。比較圖4(a)和圖4(b),可見(jiàn)恒壓間歇充電更符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)恒壓充電階段,由于電壓恒定,充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降,符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。
- Reflex 快速充電法
Reflex快速充電方法,又被稱為反射充電方法或“打嗝”充電方法。該方法的每個(gè)工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個(gè)階段。它在很大的程度上解決了電池極化現(xiàn)象,加快了充電速度。但是反向放電會(huì)縮短鋰電池壽命。
Sheng-Yuan Ou和Jen-Hung Tian對(duì)Reflex快速充電方法進(jìn)行了研究,充電曲線如圖5所示,在每個(gè)充電周期中,先采用2C的電流充電時(shí)間為10s的Tc,然后停充時(shí)間為0.5s的Tr1,反向放電時(shí)間為1s的Td,停充時(shí)間為0.5s的Tr2,每個(gè)充電循環(huán)時(shí)間為12s。隨著充電的進(jìn)行,充電電流會(huì)逐漸變小。實(shí)驗(yàn)證明,這種充電方法可以使單體鋰電池的充電時(shí)間提升到40min,電池溫度僅僅升高1.1℃,充電效率達(dá)到87.51%。
圖5 Reflex 充電曲線
- 智能充電法
智能充電是目前較先進(jìn)的充電方法,如圖6(a)所示,其主要原理是應(yīng)用du/dt和di/dt控制技術(shù),通過(guò)檢查電池電壓和電流的增量來(lái)判斷電池充電狀態(tài),動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流,使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。這樣電池能在很少析氣的狀態(tài)下快速將電充滿。
圖6 智能充電
如圖6(b)所示,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合,研究出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,設(shè)計(jì)了智能充電控制系統(tǒng)。它既具有模糊控制器的善于表達(dá)人類的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、推理能力強(qiáng)等特點(diǎn),又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的直接從控制數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)知識(shí)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,智能充電法在充電過(guò)程中電壓變化平穩(wěn),充電時(shí)間短,因此它作為模糊自適應(yīng)控制方案中的一種,未來(lái)將受到愈來(lái)愈多的重視。
三、結(jié)束語(yǔ)
本文分析了鋰電池的各種充電方法,根據(jù)J.A.Mas的理論,其存在一個(gè)最佳充電曲線,無(wú)限接近這條曲線時(shí),充電速度最快、效率最高,超過(guò)這條曲線,電池將會(huì)受到損害。相對(duì)于恒流和恒壓充電,智能充電和脈沖充電更好地運(yùn)用J.A.Mas理論,集合了各種方法的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛。在充電過(guò)程中電池極化問(wèn)題一直影響著充電效果,如果將來(lái)能消除電池極化,電池充電速度將會(huì)上一個(gè)新的臺(tái)階。
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