基于高電壓鋰離子電池組的充電方法

導(dǎo)讀：如何在充電時(shí)將鋰離子電池組使用好是很關(guān)鍵的問(wèn)題，現(xiàn)本文將整理鋰離子電池組常用的幾種充電方法。

　　普通的串聯(lián)充電

　　目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯(lián)充電，這主要是因?yàn)榇?lián)充電方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、較容易實(shí)現(xiàn)。但由于單體鋰離子電池之間在容量、內(nèi)阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，在對(duì)鋰離子電池組串聯(lián)充電時(shí)，電池組中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿(mǎn)電，而此時(shí)，其他電池還沒(méi)有充滿(mǎn)電，如果繼續(xù)串聯(lián)充電，則已充滿(mǎn)電的單體鋰離子電池就可能會(huì)被過(guò)充電。

　　而鋰離子電池過(guò)充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的性能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致爆炸造成人員傷害，因此，為了防止出現(xiàn)單體鋰離子電池過(guò)充電，鋰離子電池組使用時(shí)一般配有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,簡(jiǎn)稱(chēng)BMS），通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)每一只單體鋰離子電池進(jìn)行過(guò)充電等保護(hù)。串聯(lián)充電時(shí)，如果有一只單體鋰離子電池的電壓達(dá)到過(guò)充保護(hù)電壓，電池管理系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷，停止充電，以防止這只單體電池被過(guò)充電，而這樣會(huì)造成其他鋰離子電池?zé)o法充滿(mǎn)電。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池由于具有較高的安全性、很好的循環(huán)性能等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)基本能滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)特別是純電動(dòng)轎車(chē)的要求，工藝上也基本具備了大規(guī)模生產(chǎn)的條件。然而，磷酸鐵鋰電池的性能與其他鋰離子電池存在著一定的差異，特別是其電壓特征與錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等不同。以下是磷酸鐵鋰與錳酸鋰兩種鋰離子電池的充電曲線(xiàn)與鋰離子脫嵌對(duì)應(yīng)關(guān)系的比較：

　　圖1 錳酸鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　圖2 磷酸鐵鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　從上圖的曲線(xiàn)不難看出，磷酸鐵鋰電池在快充滿(mǎn)電時(shí)，鋰離子幾乎完全從正極脫嵌到負(fù)極，電池端電壓會(huì)快速上升，出現(xiàn)充電曲線(xiàn)的上翹現(xiàn)象，這樣會(huì)導(dǎo)致電池很容易達(dá)到過(guò)充電保護(hù)電壓。因此磷酸鐵鋰電池組中某些電池充不滿(mǎn)電的現(xiàn)象相對(duì)錳酸鋰電池組而言會(huì)更為明顯。

　　另外，雖然有些電池管理系統(tǒng)帶有均衡功能，但由于從成本、散熱、可靠性等多方面考慮，電池管理系統(tǒng)的均衡電流一般遠(yuǎn)小于串聯(lián)充電的電流，因此均衡效果不是很明顯，也會(huì)出現(xiàn)某些單體電池充不滿(mǎn)電的情況，這對(duì)于需要大電流充電的鋰離子電池組，例如電動(dòng)汽車(chē)用的鋰離子電池組而言則更為明顯。

　　例如，將100只放電容量都為100Ah的鋰離子電池串聯(lián)起來(lái)組成電池組，但如果成組前其中99只單體鋰離子電池荷電80Ah,另外1只單體鋰離子電池荷電100Ah,將此電池組進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)，其中荷電100Ah的那只單體鋰離子電池會(huì)先充滿(mǎn)電，從而達(dá)到過(guò)充保護(hù)電壓，為了防止這只單體鋰離子電池被過(guò)充電，電池管理系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷，也就使得其他99只電池?zé)o法充滿(mǎn)電，從而整個(gè)電池組放電容量也就只有80Ah.

　　一般電池廠家出廠時(shí)測(cè)試容量時(shí)是將單體電池先恒流充電再恒壓充電，然后恒流放電從而測(cè)出放電容量。一般放電容量約等于恒流充電容量加上恒壓充電容量。而實(shí)際電池組串聯(lián)充電過(guò)程中對(duì)單體電池而言一般沒(méi)有恒壓充電過(guò)程，所以恒壓充電容量就會(huì)沒(méi)有，電池組容量就會(huì)小于單體電池容量。而一般充電電流越小，恒壓充電容量比例越小，電池組損失容量越小，因此又發(fā)展出了電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電的模式。

　　電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電

　　電池管理系統(tǒng)是對(duì)電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備，所以將電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間建立聯(lián)系，就能使充電機(jī)實(shí)時(shí)地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時(shí)產(chǎn)生一些的問(wèn)題，其原理圖如下。

　　圖3 動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成方案

　　圖4 鋰離子蓄電池系統(tǒng)基礎(chǔ)體系

　　圖5 BMS和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電示意簡(jiǎn)圖

　　電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合充電模式的原理為：電池管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電池的當(dāng)前狀態(tài)（如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等）進(jìn)行監(jiān)控，并利用這些參數(shù)對(duì)當(dāng)前電池的最大允許充電電流進(jìn)行估算；充電過(guò)程中，通過(guò)通信線(xiàn)將電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。電池管理系統(tǒng)將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓、最高允許單體電池電壓以及最大允許充電電流等參數(shù)實(shí)時(shí)地傳送到充電機(jī)，充電機(jī)就能根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流。

　　當(dāng)電池管理系統(tǒng)提供的最大允許充電電流比充電機(jī)設(shè)計(jì)的電流容量高時(shí)，充電機(jī)按照設(shè)計(jì)的最大輸出電流充電；當(dāng)電池的電壓、溫度超限時(shí)，電池管理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)到并及時(shí)通知充電機(jī)改變電流輸出；當(dāng)充電電流大于最大允許充電電流時(shí)，充電機(jī)開(kāi)始跟隨最大允許充電電流，這樣就有效地防止了電池過(guò)充電，達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命的目的。充電過(guò)程中一旦出現(xiàn)故障，電池管理系統(tǒng)可以將最大允許充電電流設(shè)為0,迫使充電機(jī)停機(jī)，避免發(fā)生事故，保障充電的安全。

　　在該充電模式下，既完善了電池管理系統(tǒng)的管理和控制功能，又能使充電機(jī)根據(jù)電池的狀態(tài)，實(shí)時(shí)地改變輸出電流，達(dá)到防止電池組中所有電池發(fā)生過(guò)充電以及優(yōu)化充電的目的，電池組的實(shí)際放電容量也要大于普通的串聯(lián)充電方法，但是這種方法還是解決不了電池組中某些電池充不滿(mǎn)電的問(wèn)題，特別是當(dāng)電池組串?dāng)?shù)多、電池一致性差、充電電流較大時(shí)。

　　并聯(lián)充電

　　為了解決電池組中某些單體電池過(guò)充和充不滿(mǎn)電的問(wèn)題，又發(fā)展出了并聯(lián)充電的辦法，其原理圖如下。

　　圖6 并聯(lián)充電示意簡(jiǎn)圖

　　但是并聯(lián)充電方法需要采用多個(gè)低電壓、大電流的充電電源為每一只單體電池充電，存在充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線(xiàn)徑粗等缺陷，因此目前沒(méi)有大范圍使用這種充電方法。

　　串聯(lián)大電流充電加小電流并聯(lián)充電

　　由于上述三種充電方法都存在一定的問(wèn)題，本人發(fā)展出一種最適合高電壓電池組，特別是電動(dòng)汽車(chē)電池組的充電方法，即采用電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)大電流充電加恒壓限流的并聯(lián)小電流充電的模式，原理圖見(jiàn)下。

　　圖7 電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電加并聯(lián)充電示意簡(jiǎn)圖

　　此充電方法有如下特點(diǎn)：

　?。?）由于此系統(tǒng)的BMS具有防止過(guò)充電的功能，從而保證電池不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充電的問(wèn)題。當(dāng)然如果BMS不能與并聯(lián)充電電源進(jìn)行通信和控制，由于并聯(lián)充電電源的恒壓值一般與鋰離子電池組中單體鋰離子電池充滿(mǎn)電時(shí)的電壓值相同，所以也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充電的問(wèn)題。

　?。?）由于可以進(jìn)行并聯(lián)充電所以不需要可靠性低，成本相對(duì)較高的均衡電路，并且充電效果要好于只帶均衡電路的串聯(lián)充電方法，并且其維護(hù)管理也簡(jiǎn)便易行。

　?。?）由于串聯(lián)充電的最大電流遠(yuǎn)大于并聯(lián)充電的電流（一般5倍以上），從而可以保證在較短的時(shí)間充進(jìn)去較高的容量，從而發(fā)揮出串聯(lián)充電的最大效果。

　?。?）充電時(shí)串聯(lián)充電與并聯(lián)充電的順序以及并聯(lián)充電電源的數(shù)量可以靈活掌握，可以同時(shí)進(jìn)行充電；可以串聯(lián)充電結(jié)束后再進(jìn)行并聯(lián)充電；也可以用一個(gè)并聯(lián)充電電源根據(jù)電池組中電壓的情況給電壓最低的電池進(jìn)行輪流充電。

　?。?）隨著技術(shù)的發(fā)展，并聯(lián)充電電源可以為非接觸性充電電源（無(wú)線(xiàn)充電電源）或太陽(yáng)能電池電源，從而使并聯(lián)充電變得簡(jiǎn)單。

　?。?）當(dāng)鋰離子電池組中單體鋰離子電池?cái)?shù)目較多時(shí)，可以將鋰離子電池組分成數(shù)個(gè)鋰離子電池組模塊，對(duì)每個(gè)鋰離子電池組模塊采用BMS和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)大電流充電與恒壓限流的并聯(lián)小電流充電相結(jié)合的方式進(jìn)行充電。

　　其主要目的是減少電池組中串聯(lián)電池?cái)?shù)量較多時(shí)，單體電池之間一致性相對(duì)更差，從而導(dǎo)致BMS和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合的充電方法的充電效果差的缺點(diǎn)，以便發(fā)揮出BMS和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合充電模式的最大效果。

　　這種方法特別適合高電壓電池組是由可快速更換的低電壓（例如48V）電池模塊系統(tǒng)組成的電池系統(tǒng)，這樣就可以在電池更換站或充電站進(jìn)行并聯(lián)充電或修復(fù)（一般的用戶(hù)平時(shí)充電時(shí)可以不用并聯(lián)充電），并由專(zhuān)人根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分選和重新配組。

　　采用電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)大電流充電加恒壓限流的并聯(lián)小電流充電的充電方法可有效解決鋰離子電池組串聯(lián)充電易出現(xiàn)的過(guò)充電、充不滿(mǎn)電等問(wèn)題，且可避免并聯(lián)充電的充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線(xiàn)徑粗等問(wèn)題，是目前最適合高電壓電池組，特別是電動(dòng)汽車(chē)電池組的充電方法。

　　結(jié)語(yǔ)

　　鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，是一種理想電源。在實(shí)際使用中，為了獲得更高的放電電壓，一般將至少兩只單體鋰離子電池串聯(lián)組成鋰離子電池組使用。目前，鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、電動(dòng)自行車(chē)和備用電源等多種領(lǐng)域。