锂离子电池的快充技术研究

陈 杰

(西安航空学院 电子工程学院，西安 710077)

锂离子电池的快充技术研究

陈 杰

(西安航空学院 电子工程学院，西安 710077)

介绍了锂离子可充电电池的优点和市场应用情况，研究了锂离子电池充电的恒流法、恒压法和智能充电方法。通过分析充电过程中各种方法的优缺点和需要解决的问题，探讨研究了快充技术的特点、原理和解决方案。

锂离子电池；马斯曲线；过充；快充

随着绿色经济的发展和便携式电子设备的快速普及，可充电电池，尤其是锂离子电池在各行各业得到了普遍应用，社会对锂离子电池的需求正呈现出爆发式增长的态势。代表绿色经济的新能源汽车、电动工具、轻型电动车和混合动力汽车的市场规模逐年扩大，带动了锂电池技术的成熟。

当今社会，由于便携式可移动电子产品的功能越来越强大，电能消耗越来越快，因此，需要续航能力更强、容量更大的可充电电池为其提供电力能源。为了解决这一问题，开发者一方面增加电池的容量；另一方面，研究快速充电的方法使可充电电池的使用方便快捷，适应电子产品快速发展的需要。当前，获得行业广泛关注的超级电池技术采用石墨烯做为电极材料,极大地降低了电池体积和重量，同时大幅提高了电池容量，其充电速度可达锂离子电池的1000倍。但是石墨烯技术的应用至今仍处于初级阶段，距离实际应用尚待时日。锂离子电池已被证明是目前阶段最好的可充电电池。锂离子电池的快充技术在最近几年获得了快速发展，正在迅速走向应用。

1 锂离子电池的优点

目前，常见的正离子类电池包括锂离子电池、铅酸蓄电池、镍镉电池和镍氢电池。和其它电池相比，锂离子电池有明显的优势，主要体现在下述方面：首先是能量密度高。锂离子电池所采用的电极材料和电解质对能量密度有较大影响，一般来说，能量密度为540kJ/kg至720kJ/kg或0.9kJ/cm3至1.9kJ/cm3，这一能量密度是镍镉电池能量密度的三到四倍，是镍氢电池能量密度的两到三倍。显而易见，如果电能容量相同，锂离子电池体积更小，质量更轻，更加便携轻薄。其次，锂离子电池的开路电压可达3.3V-4.2V，高于其他正离子电池。锂离子电池的使用寿命可达6年以上，常见的磷酸铁锂电池可充放电2000次，远远高于其他的正离子电池。另外，锂离子电池自放电小，工作温度范围宽。常温下，锂电池自放电率为每月5%-10%，而镍镉电池自放电率为每月25%-30%，镍氢电池自放电率为每月30%-35%，锂离子电池优势明显。目前，锂离子电池正常工作的温度范围为-20℃至60℃。随着未来锂离子电池材料的不断改进，这一范围有望扩大到-40℃至70℃。最后，锂离子电池可以用大电流充电，这一特点为快速充电提供了可能。此外，常用的锂离子电池无记忆效应，电池在充电前无需放掉剩余电荷，可随时充电，使用维护简单易行。

2 锂离子电池充电原理

锂离子电池的快充技术目前有三种基本方式： 一是保持充电电压不变，增大充电电流；二是保持充电电流不变，提高充电电压；三是同时提高充电电压，增大电流。不管采用哪种快充方式,都需要对整个充电过程实时精确控制[1-6]。

2.1 恒流充电方式

恒流充电，即以固定大小的电流为可充电电池充电，充电时只用一个恒流源就可以实施充电，简单易行。但这种充电方式并不实用，原因是可充电电池的充电过程要遵守马斯曲线[1]，如图1所示。

图1 充电过程的马斯曲线

图1中，横坐标为充电时间，纵坐标为电流，曲线为最佳充电过程曲线，其充电电流与充电时间按指数规律变化，充电电流沿着最佳充电曲线变化是最理想的充电过程。大量实验证明，充电过程中充电电流按最佳充电曲线变化，可以在最短的时间内完成充电过程，并且对电池的容量和寿命无影响。若充电电流工作在最佳充电曲线上方，则充电电流过大，超过最佳曲线的电流会以热能的形式耗散，导致充电电池的电解质温度升高，电解质会析出气体，对电池造成损坏或者爆炸。当充电电流低于最佳充电曲线时，充电过程能正常进行，但充电过程耗费时间将会延长。

图1中的阴影是采用恒流源的充电曲线，恒流源的电流为I1。很明显，在时段0-t1,电流小于最佳充电曲线电流，充电过程可以正常进行。在时间t1之后，恒流源的电流将大于最佳曲线电流，充电过程会对电池造成损坏，甚至可能爆炸。基于此原因，恒流源充电法的应用受到限制。

2.2 恒压充电方式

恒压充电是指以恒定电压对可充电电池进行充电。充电时只用一个恒压源就可以实施充电，简单易行。在充电过程中，随着充电时间的推进，电池内部电压逐渐升高，充电电流会相应地逐渐减小。如果恒定的电压值设定合适，充电过程的充电电流将始终不超过马斯曲线，充电过程可以顺利实施。其缺点是：充电过程的开始阶段充电电流较大，可能会超过马斯曲线，对电池造成损害；而充电过程的最后阶段电流较小，充电较慢。采用这种方式充电时，恒定电压的最大值应和充电电压最高值持平或略低，避免使电池过充电。

2.3 智能充电方式

在充电过程中，可充电电池可以等效为一个可变直流电压源e和一个电阻r的串联，充电过程的电路图如图2所示。

图2 充电过程等效电路图

图2中，U为充电器的恒定电压源，e代表了可充电电池的内部电压，范围一般为0V-MV。0对应电池的0%充电状态的电压值，M对应电池的100%充电状态的电压值，r代表电池的内阻，R为可调电阻，I为充电电流，易知

I=(U-e)/(r+R)

(1)

在充电过程中，随着充电过程的推进，e逐渐增大，最后达到M伏，充电过程结束。智能快速充电技术在整个充电过程中动态跟踪电池最佳充电曲线，对电池的内部电压e进行检测，然后按方程(1)不断调节可变电阻R的大小，使实际的充电电流I值自始至终保持在最佳充电曲线附近。充电过程中要实时监测电池的温度，并根据监测数据对充电电流进行调整。智能快充充电过程曲线如图3所示。智能快充充电技术保证了充电速度最快且安全，是当前移动终端普遍采用的充电方法[1]。

图3 智能快速充电曲线图

3 快充技术控制原理

锂离子电池以小时率电流来描述电池的充电速率。设电池的额定容量为C，单位为Ah，充电时间为t，单位为h，则小时率电流值等于C/t。一般快速充电技术常用的充电电流值为0.3-2小时率电流，慢速充电电流小于10小时率电流。例如，对5号锂电池充电，其额定容量C为0.5Ah，若采用慢速充电，以10小时率电流充电，则充电电流为0.5Ah/10h=50mA。若采用快速充电，以1小时率电流充电，则充电电流为0.5Ah/1h=500mA。

充电时，锂离子电池端电压的变化曲线如图4所示。需要充电的电池普遍处于AB之间，充电可分作两个过程：一个是AB段，另一个是BC段，C点之后电压基本不变。

图4 锂离子电池端电压随充电时间的变化曲线

如图4所示，在AB段，电池的电量己基本耗尽，电池端电压变化很小，此时采用恒定的电流充电。进入BC段后，根据马斯曲线，若采用恒流充电，电流过大会超过最佳电流曲线，使电池损坏；电流过小又会使充电时间过长，所以要根据电压变化情况控制充电电流保持在最佳电流曲线附近。当电池电压接近饱和电压时自动进入恒压充电状态，恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池电压和内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。

电池在充满电后，若充电电压高于电池的端电压，此时要及时控制停止充电，否则，电池的温度将迅速上升，这就是过充电。其原因是在电池充满电后，过充的电能几乎全部转换为热能，使电池温度迅速上升，温度的升高会加速电极腐蚀速度和电解液的分解，从而缩短电池寿命，使电池容量下降，还可能引起爆炸。

为了保证电池充电过程的顺利进行并有效防止过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法对充电过程进行管控。

3.1 定时控制

定时控制针对恒流充电方式，在不同的时间段内采用不同的充电电流，由于电池的容量是事先设定的，所以可以很容易的确定所需的充电电流和充电时间。这种控制方法较为简单，但其缺点也很明显。其一，电池的容量是人为设定的，可能和实际使用的电池容量不符；其二，电池和元器件的特性存在温漂效应，使充电电流有一定的起伏，实际的充电时间和事先确定的充电时间可能不符，并且不能根据实际情况自动调整，结果会造成不能充分充电或过充电的情况出现。因此，为避免这些弊端，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。

3.2 电池端电压增量控制

这是一个防止过充电的有效方法。从充电过程电压变化曲线可以看出，电池在充电完成时端电压达到最大值，检测此最大值并停止充电即可防止过充电。具体的方法是检测一段时间内电池端电压的变化ΔV，若ΔV接近0则认为充电完成，停止充电，这种方法称为电池端电压增量控制法或ΔV法。有的可充电电池在充足电后，端电压会小幅下降，检测电池电压出现峰值之后的下降量-ΔV，用其作为判断控制充电结束的条件，这种方法被称为-ΔV法。

3.3 电池温度控制

实时监测电池温度，当其上升到规定数值后，停止充电。采用温度控制法时，一般采用热敏电阻作为温度传感器，易受环境温度的影响，因此，实际使用时要进行温度补偿和校准。

3.4 综合控制法

综合各种控制方法的优缺点，同时采用定时控制、温度控制和电池端电压增量控制相结合的控制法，保证充电过程的可靠高效。首先检测端电压增量，同时监测判断充电时间、电池温度及端电压是否正常。在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件，若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式。

4 结论

智能充电过程中，实际充电电流I值自始至终保持在最佳充电曲线附近，保证了充电速度最快且安全，所以智能充电方式是当前应用最广泛的锂离子电池的充电方式。充电过程的综合控制法采用定时控制、温度控制和电池端电压增量控制相结合的控制法保证充电过程的可靠高效。相对于其他方法，综合控制法对充电过程的监测控制相对复杂，但由于监测控制过程比较全面，所以更能保证充电过程的安全实施。

[1] 何秋生,徐磊,吴雪雪.锂电池充电技术综述[J].电源技术,2013,37(8):1464-1466.

[2] 吴红奎.锂电池充电(管理)集成电路[J].无线电,2007(5):49-52.

[3] 杨毅.基于脉冲变压器的锂离子电池组均衡系统研究[J].电力电子技术,2014,48(9):23-25.

[4] 汪秋婷,戚伟,肖铎.基于SOC的锂离子电池组主动均衡系统设计[J].电子技术应用,2015,41(7):118-120.

[5] 王林涛,陈德荣.锂离子电池均衡充电的设计[J].电工技术,2007(9):72-73.

[6] 王彪,基于分时复用技术的锂离子电池组均衡充电电源[J].仪器仪表学报,2013(S1):83-86.

[责任编辑、校对：东艳]

Abstract：Market application and advantage of lithium-ion battery are introduced in this article.A charging circuit model is put forward.Constant current charging,constant voltage charging,and smart charging approach are presented.After elaborating charging process, all methods are analyzed in detail to illustrate the problems to be tackled.Fast charging techniques′characteristic,theory and solution scheme are researched.In analysis of charging process,the control methods are studied and discussed,including time set control,battery end voltage increment control,temperature control,and comprehensive control.

Keywords：lithium-ion battery;Mas curve;over-charging;fast charging

AReviewonFastChargingTechniquesofLithium-ionBattery

CHENJie

(School of Electronic Engineering,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

TM912.9

A

1008-9233(2017)05-0061-04

2017-08-09

陕西省教育厅专项科研计划项目 (17JK0397)

陈杰(1974-)，男，陕西西安人，博士，副教授，主要从事信号处理、无线通信、电子系统研究。