锂离子电池的快速、高效、安全充电技术

文/赵宗哲

锂离子电池的快速、高效、安全充电技术

文/赵宗哲

随着电池技术的更新换代，锂离子电池正在逐步的取代铅酸电池成为新时代的储能载体，但锂离子电池固有的充电特性却制约着在各行各业的大规模和深入化应用。本文通过研究现有的充电技术及锂电池的充电现状，研究一种新型锂离子电池充电技术，解决锂离子电池的快速、高效、安全充电问题。

锂离子电池 高效 安全 快速 充电

随着蓄电池储能技术的发展，世界上对充电技术研究已经有一百多年的历史。到目前为止，现有的充电理论和充电技术无法有效解决蓄电池快速充电和高效充电的技术难题。本技术研究项目就是要针对锂离子电池在快速充电和高效充电的难点进行充电理论和充电创新技术研究。

1 技术发展现状

随着社会的进步，锂离子蓄电池在新能源、智能电网、电动汽车、电子产品等领域的应用越来越广泛。随着技术的更新换代，各应用领域对储能装置-蓄电池的容量、充电速度、充电安全性等指标要求越来越高，储能装置也由应用百年的铅酸蓄电池向锂离子电池及其他新能电池转变，而蓄电池充电技术直接关系着着蓄电池的循环使用。现广为应用的传统充电技术主要有横流充电、恒压充电、三段涓流充电、多段涓流充电，还有新型的脉冲充电、无线充电等形式，但最终均无法解决充电速度快、大电流充电无损伤、高安全可靠性等问题和需求。例如，电动汽车应用的锂离子电池组，卫星采用28V、48V以及未来100V以上的锂离子蓄电池组，船舰采用的动力及启动电池组，飞机采用的启动及备用电池组，新能源储能电池组等，均采用常规充电技术无法从真正意义上解决快速充电、高效充电、大电流安全充电的难题。本文就广泛应用的锂离子电池的充电性能进行研究，对现有常规充电技术进行改进和完善，或寻求新的快速、高效、安全的充电方法。

1.1 现有充电技术存在的问题

（1）锂离子电池充电方式主要采用传统的“恒流充电”、“恒压充电”、“恒流限压”充电方式；其中为了达到快速充电的要求“恒流”选定大电流来充电，必然会造成电池发热使得电池循环寿命降低并降低充电效率或使得锂离子电池放电容量降低；

（2）通常的国家标准规定的锂离子电池充电电流值为0.2C-0.5C，这样小电流充电无法达不到快速充电的目的；

（3）此外，这种依据恒定电流或恒定电压靠时间来计算充电容量的控制方法必然还带来电池组中个别单体电池过充电或欠充电，从而造成电池组提前失效或带来安全性问题。

1.2 针对上述锂离子电池快充存在的问题

充电技术须向快速充电、高效充电、充电装置小型化和轻型化、有利于延长蓄电池的循环使用寿命、充电控制智能化等方向发展，这也就是本文讨论的主题。

2 主要研究内容

为研究更适合于锂离子电池快速充电的技术，我们在综合分析研究传统充电技术的基础上，探究针对蓄电池实时状态进行充电的自适应充电技术，以解决常规充电存在的瓶颈问题。主要研究内容与技术和理论创新如下。

2.1 本文研究的主要技术内容

2.1.1 快速充电方法技术研究

开展对锂离子单体电池、电池组在不同充电速率下的试验研究，并与现在传统的充电技术方法进行对比试验。

2.1.2 快速充电技术与提高充放电转化效率的关联技术研究

传统的充电方法也能够实现快速充电，但是其充电效率较常规充电速率必然会显著降低充电效率。而我们的研究目标是在快速充电的同时，还要达到充电效率高的要求，针对传统充电技术快速充电与充电效率高在传统充电理论技术本身是矛盾的特点，通过新的充电技术研究，达到既要实现快速充电又要满足充电效率高的要求。

2.1.3 快速充电技术与安全充电技术研究

传统的充电技术，随着充电电流的加大，蓄电池的内部极化严重，导致电池内部温度升高，从而进一步引发电池的安全性问题的发生；更会给电池的充放电循环寿命降低以及容量衰降。因此，开展能量传输充电技术研究的关键技术之一就是通过试验达到同时满足快速充电和安全充电的技术要求。

2.1.4 快速充电与锂离子电池充放电循环之间影响关系的技术研究

该项技术研究与第1和第3项研究内容相关联，传统充电技术一旦大电流快速充电，必然带来充电效率低、电池温度升高、电池容量衰降、电池充放电循环寿命明显降低等后果，因此，采用能量传输充电技术对锂离子电池进行快速充电技术研究的一个目的，就是既要快速充电还要保证锂离子电池充放电循环寿命不降低、并能够有效延长充放电循环寿命；

2.1.5 快速充电智能化控制技术研究

目前，传统充电技术也可以智能化充电，如手机充电器应该是一种智能化充电技术，但往往是针对1只电池或1组电池进行充电，特别要指出的是在给由多只单体组合的电池组充电时，无法解决的电池组中个别单体电池的的过充电或欠充电的问题。我们开展此项研究的目的是：

（1）解决战士的会用问题（智能到类似手机充电器的使用）；

（2）解决战士在使用过程的耐用问题，可靠性高；第三解决组合电池中个别单体电池过充电或欠充电的问题，对其进行有效的控制。

3 技术和理论创新

（1）开展自适应充电技术研究，实现快速充电目的。把电体电池温升参数、电池组循环寿命参数和充放电效率参数作为考核新技术创新的验证指标，即要达到与现役充电技术比较电池温升显著下降、电池组循环寿命延长、充放电效率高的目标。

（2）开展电力能量数字传输充电技术研究，实现快速充电理论创新。根据蓄电池当前状态性能特征，能适时精确计算蓄电池的充电参数值。从而实现充电值变量函数能够快速充电的同时，又能保证电池组中均衡充电并做到既不过充又不欠充。

（3）开展充电新技术理论研究。本文论述的充电技术与初始状态及充电过程与蓄电池电压无关，既可防止了蓄电池因为随各充电阶段或环境温度等条件变化引起的蓄电池电压变化，造成无法准确设置充电参考量而损坏蓄电池的现象出现；又能适应落后电池的保护性修复充电，可使落后电池迅速恢复性能与正常电池趋于一致而进入正常充电状态，使得充电过程的控制与充电电流和被充电电池电压无关，这将会产生颠覆世界充电理论的原始重大技术创新。

（4）开展蓄电池充放电中各项特征微变量信息识别技术研究和精确计算技术研究。通过识别被待充电电池和在整个充电过程被充电电池的各项特征微变量信息参数，充电系统对其进行精确的函数计算，系统自适应被充电电池性能变化，精确确定所充蓄电该时段最佳充电参数值，完成蓄电池充电全过程中各阶段所需的变量信息计算。 从而杜绝了单体电池过充电和欠充电的问题，这种识别技术和精确计算技术又是世界充电理论和技术的一大独有创新。

（5）开展零应力高频软件变流技术研究。其主要功能是根据蓄电池当前性能确定高频大电流脉冲的频率和幅度。

（6）开展采用无铁芯无绕组电力数字传输技术研究，实现大电流充电。其主要功能是根据蓄电池当前性能大电流脉冲，使其充电过程既能达到快速充电又能保证蓄电池内部极化减小使电池温升降低，从而达到安全充电的目的。

（7）开展自主研发的高性能嵌入式软件系统研究。

开展采用了无铁芯无铜线变压器新技术研究，以提高系统效率。

（8）开展智能全自适应充电技术模式研究。不需要充电工作人员作任何设置，防止因设置错误而损坏蓄电池。

4 综述

随着锂离子电池快速充电技术的不断发展，新技术日新月异，本文通过宗传统充电技术的分析，加之自主研究内容分析和论述，提供一种基于自适应快速充电技术的充电方式，希望能解决锂离子电池快速、高效、安全充电难题，真正的从技术上解决锂电池充电的技术瓶颈，加快应用装备的商业化进程和促进行业技术进步。

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作者单位 宇能电气有限公司 河北省保定市 071051