鋰電池的各種充電方法

對于鋰電池來說，充電方法對其性能影響很大，合理的充電方法可延長鋰電池的壽命、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年美國科學(xué)家J.A.Mas提出蓄電池在充電過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)階段對電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來開展的。如圖1所示，如果充電電流超過這條最佳充電曲線，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)對電池造成傷害，但是會(huì)延長充電時(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，最后還對智能充電進(jìn)行了分析。

1. 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)是控制簡單，適用于對多個(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，在充電后期過大的充電電流會(huì)使電池內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，對電池造成損壞。因此恒流充電，常常是作為階段充電中的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2. 恒壓充電

恒壓充電就是在整個(gè)充電過程中，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，其充電過程更加接近最佳充電曲線，控制簡單、成本低。缺點(diǎn)是充電時(shí)間較長，并且在充電初期電池充電電流過大，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。

3. 恒流恒壓充電

如圖2為恒流恒壓充電曲線。在開始充電之前，首先檢測電池電壓，若電池電壓低于門限電壓（2.5V左右），則以C/10的小電流對電池進(jìn)行涓充充電，使電池電壓緩慢上升；當(dāng)電池電壓達(dá)到門限電壓時(shí)，進(jìn)入恒流充電，在此階段以較大的電流(0.5C～1 C)強(qiáng)度對電池進(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始時(shí)充電電流過大的問題，又克服了恒流充電后期容易出現(xiàn)過充的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單，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。

4. 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

在恒流充電過程中以恒定電流對電池進(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，以同樣的電流值對電池充電，開始下一個(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，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，可對電池采用較大電流實(shí)現(xiàn)快速充電。

5. 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大學(xué)陳體銜教授提出來的，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程，將間歇恒流換成間歇恒壓。比較圖4(a)和圖4(b)，可見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)。

6. 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

7. 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)，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態(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，未來將受到愈來愈多的重視。

審核編輯 ：李倩