劉紅兵，郭　輝

(1.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001)

鋰離子電池管理系統(tǒng)充電策略及其溫度影響

劉紅兵1,2，郭輝2

(1.湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001)

對(duì)鋰離子電池管理系統(tǒng)充電策略與溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究。在介紹鋰離子電池特性的前提下，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)方法進(jìn)行了闡述。根據(jù)鋰離子電池的保護(hù)方法，對(duì)其充電策略進(jìn)行了闡述，并研究了溫度對(duì)充電策略的影響，較好地闡釋了鋰離子電池管理系統(tǒng)中充電策略的選取和溫度控制對(duì)鋰離子電池保護(hù)的重要性，為具體電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)和思路。

鋰離子電池；電池管理系統(tǒng)；充電策略；溫度影響

鋰離子電池是以鋰合金的金屬氧化物為陽極材料、以石墨為陰極材料、使用非電解質(zhì)的可充電電池。根據(jù)陽極材料的不同，鋰離子電池表現(xiàn)出不同的特性，最明顯的電特性差異表現(xiàn)在公稱電壓的不同上，與之相應(yīng)的充電終止電壓與放電截止電壓也不相同。鋰作為電池材料具有很多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有非?；钴S的特性，極易燃燒，而燃燒帶來的高溫以及體積膨脹往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，因此，除了鋰離子電池本身在制作、保存、運(yùn)輸、操作上要執(zhí)行嚴(yán)格的規(guī)范外，充放電的管理及其策略的選取也極其重要，此外，溫度在電池管理系統(tǒng)中的影響亦不可忽視。

1　鋰離子電池的保護(hù)

鋰離子電池在使用中最重要的是確保其不會(huì)被過度充電和放電。過度充電和放電對(duì)鋰離子電池的影響是不可修復(fù)的，甚至是危險(xiǎn)的，過度的充放電可能破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，燃燒或者爆炸都有可能發(fā)生，因此鋰離子電池的保護(hù)非常重要。鋰離子電池的保護(hù)電路主要是確保其不會(huì)過度的充放電，目前鋰離子電池的保護(hù)主要采用立琦科技的RT9454，其功能主要是防止過流過壓，實(shí)現(xiàn)過充過放保護(hù)，其保護(hù)電路如圖1所示。

圖1　鋰離子電池保護(hù)電路

在保護(hù)電路中，由于存在寄生二極管的緣故，充電和放電的保護(hù)開關(guān)沒辦法僅用一個(gè)管子就可以實(shí)現(xiàn)雙向保護(hù)，因此在電路中采用兩個(gè)MOSFET Q1和Q2用于充電和放電時(shí)的保護(hù)開關(guān)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)過流檢測。當(dāng)IC在開關(guān)兩端檢測到過大的電壓降時(shí)，就會(huì)強(qiáng)制MOSFET進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，從而關(guān)閉流過電池的電流，起到保護(hù)電池的目的。由于電流偵測是通過MOSFET兩端電壓差的偵測來實(shí)現(xiàn)的，因此在選擇MOSFET時(shí)，其導(dǎo)通電阻的參數(shù)同樣至關(guān)重要。

過壓和欠壓狀態(tài)的偵測是通過對(duì)VDD和VSS之間的電壓偵測而完成的，大部分鋰離子電池選擇4.35和2.50 V作為過充保護(hù)電壓和過放保護(hù)電壓。

2　鋰離子電池充電策略

2.1電池容量和循環(huán)壽命與充電截止電壓的關(guān)系

圖2是一種容量為950 mAh鋰離子電池容量和循環(huán)壽命與充電截止電壓的關(guān)系圖。從圖中可以看出，僅靠鋰離子電池保護(hù)電路提供的4.35 V作為充電截止電壓，那么它的初始容量是比較大的，但循環(huán)壽命極短，容量下降速度極快。

圖2　鋰離子電池容量和循環(huán)壽命與充電截止電壓的關(guān)系圖

2.2電池容量和循環(huán)壽命與放電電流的關(guān)系

圖3是鋰離子電池容量和循環(huán)壽命與放電電流的關(guān)系圖。從圖可以看出，對(duì)900 mAh鋰離子電池，以1.0C的速率進(jìn)行充電，500個(gè)循環(huán)后的容量大概是780 mAh，若單以2.0C的速率進(jìn)行充電，500個(gè)循環(huán)后的容量大概是500 mAh。從圖中曲線的變化趨勢可以看出，隨著充電速率的提升，其容量衰減的速率基本上是按指數(shù)遞增。

圖3　鋰離子電池容量和循環(huán)壽命與放電電流的關(guān)系圖

2.3鋰離子電池充電策略

在充電過程中，在充電器施加外電場作用下，Li+從正極LiCoO2中脫出進(jìn)入電解液并向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨組成的負(fù)極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會(huì)使得Li+來不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會(huì)聚集Li+，這些靠近負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會(huì)在負(fù)極附近堆積，長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形是，隨著負(fù)極的充滿程度越來越高，LiC晶格留下的空格越來越少，從正極移動(dòng)過來的Li+找到空格的機(jī)會(huì)也越來越少，所需時(shí)間越來越長，如果充電速度不變的話，一樣可能在負(fù)極表面形成局部Li+的堆積，因此，在充電的后半段，必須逐漸縮小充電電流，枝晶的長大最終會(huì)刺破正負(fù)極之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂?，充電速度越快越危險(xiǎn)，充電截止電壓越高越危險(xiǎn)，充電的時(shí)間越長越危險(xiǎn)。

基于對(duì)鋰離子電池特性的理解，業(yè)界已經(jīng)形成了對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)的三階段策略：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電。預(yù)充電的意義在于對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使之進(jìn)入可以進(jìn)行大電流充電的狀態(tài)，恒流充電的作用是將電能快速地存儲(chǔ)到電池中，恒壓階段則是最后的調(diào)整階段，它使電池的容量最大化，但其進(jìn)行過程是完全依照電池自身的需要進(jìn)行的，不像恒流充電那樣對(duì)電池具有強(qiáng)大的電場力，任何違背電池本身特性的行為，尤其是超過電池接受能力的過大電流或超過電池過充電壓的操作都會(huì)對(duì)電池的壽命產(chǎn)生很大的影響，所以任何完善的管理方案都必須按照嚴(yán)格的規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)的三階段策略圖如圖4所示。

圖4　鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)的三階段策略圖

預(yù)充電(Precharge)發(fā)生在電池電壓比較低時(shí)，對(duì)于大多數(shù)鋰離子電池來說，這個(gè)電壓一般定義在2.9～3.0 V以下，此時(shí)的充電電流容許在C/10以下。恒流充電的電流一般設(shè)置在1C左右，在恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，電流減小一定值(通常是C/10)以后，這時(shí)電池已經(jīng)充滿，充電過程將截止。圖4顯示的最后一個(gè)階段被稱為補(bǔ)充階段，它實(shí)際上是恒流階段和恒壓階段的組合，是為了彌補(bǔ)電池自放電和其他與之相連的負(fù)載的消耗而造成的電容量下降，這樣可以確保電池和充電設(shè)備分離式總處于盡可能充滿電的狀態(tài)。

3　電池所處溫度對(duì)充電策略的影響

電池所處溫度對(duì)充電策略具有重大影響。由于構(gòu)成電池的材料在不同溫度下的特性不同，電池的容量，合適的充電電壓也會(huì)發(fā)生巨大的變化。圖5為溫度對(duì)鋰離子電池容量和電壓的影響。

圖5　溫度對(duì)鋰離子電池容量和電壓的影響

通常情況下，溫度過低或者溫度過高都應(yīng)該禁止對(duì)鋰離子電池充電，電池充電管理系統(tǒng)一般采用RT9503A來實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用電路圖如圖6所示。圖中虛線處將一個(gè)可變電阻與電池連在一起，這個(gè)可變電阻是熱敏電阻，把它和電池放一起是為了表示測量的是電池本身的溫度，在實(shí)際工作中，RT9503A

圖6　RT9503A應(yīng)用電路圖

其次根據(jù)RT9528的內(nèi)部電路框圖，專門設(shè)有TEMPIN，同時(shí)將TEMPIN的信號(hào)輸入一組比較器中，這些比較器會(huì)根據(jù)電壓的高低給出比較結(jié)果，分別代表太熱、熱、冷、太冷?？刂破鲿?huì)根據(jù)這些判斷結(jié)果和預(yù)先制定的規(guī)格進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

圖7和圖8分別具體顯示出了溫度由常溫變冷、再變到太冷時(shí)充電電流的變化情況和溫度由常溫變熱、再變到太熱時(shí)充電電壓的變化情況。

圖7　溫度由常溫變冷、再變到太冷時(shí)充電電流的變化情況圖

此外一些設(shè)計(jì)可以通過外部控制電路或者通訊接口命令以改變充電電流和電壓。而有些器件則僅提供最基本的恒流和恒壓輸出，把所有的設(shè)定部分都開放給了硬件設(shè)計(jì)者，這對(duì)于構(gòu)建完備的電池管理系統(tǒng)，具有積極的意義。

圖8　溫度由常溫變熱、再變到太熱時(shí)充電電壓的變化情況圖

4　總結(jié)與結(jié)論

本文在介紹鋰離子電池特性的前提下，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)方法進(jìn)行了闡述，根據(jù)鋰離子電池的保護(hù)方法，對(duì)其三階段的充電策略進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并研究了溫度對(duì)充電策略的影響，較好地闡釋了鋰離子電池管理系統(tǒng)中充電策略的選取和溫度控制對(duì)鋰離子電池保護(hù)的重要性。此外，在現(xiàn)有IC條件下，開放硬件設(shè)定部分權(quán)限也給鋰離子電池充電管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了思考方向。

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Charging strategy of lithium-ion battery management system and its temperature effect

LIU Hong-bing1,2,GUO Hui2
(1.Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou Hunan 412001,China)

The relationship between the charging policies of lithium-ion battery management systems and charging policies and temperature were researched.Based on the introduction of lithium-ion battery characteristics,the lithium-ion battery protection methods were described.According to the lithium-ion battery protection method,its charging policies were introduced and the effect of temperature on charging policies was studied.The lithium-ion rechargeable battery management system strategy selection and temperature control importance of the lithium-ion battery protection was interpreted,providing a theoretical basis and ideas for research and specific battery management system.

lithium-ion battery;battery management system;charging policy;temperature

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1939-02

2016-03-05

劉紅兵(1975—)，男，湖南省人，本科，副教授，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù)、控制工程等。