高電壓鋰離子電池組的充電方法

　摘要：本文介紹了高電壓鋰離子電池組的四種充電方法，并進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)的比較。

　　關(guān)鍵詞：高電壓；鋰離子電池組；串聯(lián)充電；并聯(lián)充電

　　Abstract: Four charge techniques of high voltage lithium ion battery packs were introduced in this paper, and their advantages and drawbacks were compared.

　　Key words: high voltage; lithium ion battery pack; series charging; parallel charging

　　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)自行車和備用電源等多種領(lǐng)域。

　　因此如何在充電時(shí)將鋰離子電池組使用好顯得尤為關(guān)鍵，現(xiàn)將鋰離子電池組常用的幾種充電方法以及本人認(rèn)為的最適合的充電方法試述如下：

　　1 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電，而此時(shí)，其他電池還沒(méi)有充滿電，如果繼續(xù)串聯(lián)充電，則已充滿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)基本能滿足電動(dòng)車特別是純電動(dòng)轎車的要求，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對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　從上圖的曲線不難看出，磷酸鐵鋰電池在快充滿電時(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。

　　2 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)。

　　3 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、連接線徑粗等缺陷，因此目前沒(méi)有大范圍使用這種充電方法。

　　4 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。

　　（3）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。

　　（4）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。

　　（5）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)（一般的用戶平時(shí)充電時(shí)可以不用并聯(lián)充電），并由專人根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分選和重新配組。

　　總之，這種采用電池管理系統(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)汽車電池組的充電方法。