锂离子电池充电简介教学提纲

锂离子电池充电简介
1.充电原理
美国学者J.A.Mas指出，锂电池在充电过程中，如果充电电流大于接受曲线的电流时，充电速率不上升，其析气量反而会增加；如果其充电电流小于电流的接受曲线，这时的充电电流不会对电池造成伤害，在这个条件下的充电方式是允许的，如图1。

图1 锂电池的充电曲线
J.A.Mas同时指出，通过大电流放电或者瞬间停止对其充电，如图2，可以消除极化现象，使电池可接受的充电曲线渐渐向右移动，从而大大提高充电速度和效率，缩短充电时间。

在电池充电接受能力处在下降阶段时，可以采用对电池放电的方法，在充电过程中来提供电池接受电流的能力。

这就是快速充电的基本理论。

图2 锂电池的瞬时放电曲线
2.充电方法
1）恒压充电
恒压充电是指单体电池以一恒定电压进行充电。

其优点是随着电池的荷电状态的变化，自动调整充电电流，如果规定的电压恒定值适宜，就能保证电池完全充满。

图3时电池恒压充电的充电曲线，从图中可以看出其缺点是锂电池充电开始的初始阶段，流过电池的充电电流太大，它对锂电池的寿命会产生负面作用。

图3 恒压充电曲线
恒流充电，即电流维持在恒定值的充电，多采用恒流或分阶段恒流。

按照所选充电电流大小不同，将恒流充电分为快速充电、浮充充电（又叫涓流充电）和标准充电。

如图4为恒流充电的充电曲线。

这种充电方法操作简单，对于多个电池串联的电池组来说，十分适合。

但是在充电后期，由于锂电池的可接受电流能力下降，如果恒定大小的充电电流继续作用于电解液，会导致电池内部产生大量气泡。

这种情况不仅会使电池容量降低，还会造成电池的物理性损伤，使电池寿命随之变短。

图4 恒流充电曲线
根据J.A.Mas曲线，当电池以一恒定电流I1充电时，到达时间t1，电池开始析气，如果电池继续以电流I1充电，不仅不能充满，还会损坏电池，如图5。

图5 恒流充电曲线
3）恒流恒压充电
采用恒压、恒流相结合的充电方式，可以分为恒流充电周期和恒压充电周期两个部分。

当电池接入充电器后，首先以C/15（C为单体电池的容量）量级的小电流进行充电，当其电压上升到恒流门限（2.5V）时，则进入恒流充电阶段，以较高的恒定速率（1C）对电池进行快速充电。

此阶段容易对电池过度充电，因此需要进行端电压检测，当电池电压到达恒压门限（4.2V）时，转入恒压充电阶段，充电电流不断减小，当充电电流降到C/10或C/15时，终止充电。

如图6，该方法弥补了前两种方法的不足，但是不能消除电池充电时的极化现象，影响充电效果。

图6 恒流恒压充电曲线
图7时脉冲充电示意图，在小电流、恒流区和恒压恒流充电方法是一样的，当电压到达恒压门限（4.2V）时，脉冲充电模式开始。

在脉冲区，充电电源间歇性地对电池以恒定电流充电，根据J.A.Mas的理论，目的是消除极化现象，随着电池逐渐充满，充电时间越来越短，停充时间越来越长，占空比越来越小，当占空比低于5%至10%，终止充电。

图7 恒脉冲充电曲线
5）智能充电
智能充电是目前比较先进的充电方法，其原理是在整个充电过程中动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流始终保持在可接受的最大充电曲线附件，使电池在很少气体析出状态下快速充满电，如图8所示。

该方法的缺点是电池在使用一段时间以后，可接受的理想充电曲线会发生变化，其充电参数也需要调整。

图8 智能充电曲线
3.均衡充电原因
实际使用中，单节锂电池电压较低，一般会串联起来使用。

整个电池组的容量主要由单体电池的最小容量来决定，但是由于各个单体电池之间存在容量大小上的差异，这些差异对于电池组的使用寿命有很大影响。

电池组出现不均衡的主要原因：其一，电池本身在制造过程中存在容量差异；其二，电池在组装过程中没有匹配好。

在充电过程中，为了减少不平衡对电池组带来的影响，需要采用均衡电路来控制。

通常说的电池均衡是对电池荷电状态的均衡，常用方法是以单体锂电池电压为参数进行控制。

在充电过程中主要影响电池充电的因素有：
1）电压方面。

充电过程中充电电压超过锂电池限制电压，称为过充。

多次出现轻微过充会使电池容量降低，进而电池发生局部变形，严重过充可能会使电池发生爆炸。

充电时，电池充电电压尽量靠近满充电压值，这样电池容量不会发生降低。

2）电流方面。

锂电池充电电流不是无限的，如果充电电流高于锂电池承受上限时，会造成电池中电解液出现析气反应，使电池产生大量热量。

3）温度方面。

当锂电池温度过高时，电池内部会发生一系列反应，甚至电池可能出现爆炸。

因此充电时，需要对电池温度进行监控并加以控制。

4.均衡充电方法
1）电阻消耗均衡法
图9是电阻消耗均衡法的电路拓扑，每个单体电池都需要并联一个带MOSFET开关的支路。

当单体电池电压达到设定的基准电压时控制开关开通或关断，分流部分充电电流。

当所有电池达到最大充电电压或者任意一个电池的充电电压有下降趋势时，电流开始减少。

该方法电路简单、可靠性高，但是功率损耗大，只能对单体进行放电不能充电而且其他电池要以最低单体为标准才能实现均衡，效率低。

不宜用于对电池工作环境温度和充电时间由严格要求的场合。

图9 电阻消耗均衡法
2）电容传输能量均衡法
该均衡方法属于能量搬迁式均衡，电池组中容量较低的电池单体在充电过程中端电压上升较快，于是控制开关将电压上升较快的电池单体中多余的能量转移到电容中，然后再将电容中的能量回馈到充电回路中。

电路拓扑见图10。

该方法是容量低的电池向容量高的电池补充能量，不断不能缩小电池单体之间的容量差距反而加大电池单体之间的容量差距，同时无法有效解决电池单体电压不平衡问题。

缺点是控制电路复杂，难以实现。

图10 电容传输能量均衡法
3）多绕组变压器均衡法
该方法是利用回扫变压器能将能量存储在磁场中的原理，变压器的初级线圈与整个电池组相连，次级线圈与每个电池单元相连。

由于变压器可以双向工作，该电路可以采用两种不同的平衡方法。

在对所有电池进行电压扫描后，计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的电池单元。

如果其电压低于平均值，就采用底部平衡
法，如果其电压高于平均值，就采用顶部平衡法。

底部平衡法：闭合主开关，对变压器充电，然后断开主开关，闭合相应单体电池开关，对单体电池放电。

图11 底部均衡法
顶部平衡法：闭合相应单体电池开关，对变压器充电，然后断开开关，闭合主开关，对电池组放电。

图12 顶部均衡法。