鋰離子電池組充電策略分析

　　鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、無記憶效應、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，是一種理想電源。在實際使用中，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組成鋰離子電池組使用。目前，鋰離子電池組已經廣泛應用于筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種領域。

　　因此如何在充電時將鋰離子電池組使用好顯得尤為關鍵，現將鋰離子電池組常用的幾種充電方法以及本人認為的最適合的充電方法試述如下：

1 普通的串聯充電

　　目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯充電，這主要是因為串聯充電方法結構簡單、成本低、較容易實現。但由于單體鋰離子電池之間在容量、內阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，在對鋰離子電池組串聯充電時，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，其他電池還沒有充滿電，如果繼續(xù)串聯充電，則已充滿電的單體鋰離子電池就可能會被過充電。

　　而鋰離子電池過充電會嚴重損害電池的性能，甚至可能會導致爆炸造成人員傷害，因此，為了防止出現單體鋰離子電池過充電，鋰離子電池組使用時一般配有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱BMS），通過電池管理系統(tǒng)對每一只單體鋰離子電池進行過充電等保護。串聯充電時，如果有一只單體鋰離子電池的電壓達到過充保護電壓，電池管理系統(tǒng)會將整個串聯充電電路切斷，停止充電，以防止這只單體電池被過充電，而這樣會造成其他鋰離子電池無法充滿電。

　　經過多年的發(fā)展，磷酸鐵鋰動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，已經基本能滿足電動車特別是純電動轎車的要求，工藝上也基本具備了大規(guī)模生產的條件。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應關系的比較：

圖1 錳酸鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對應關系

圖2 磷酸鐵鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對應關系

　　從上圖的曲線不難看出，磷酸鐵鋰電池在快充滿電時，鋰離子幾乎完全從正極脫嵌到負極，電池端電壓會快速上升，出現充電曲線的上翹現象，這樣會導致電池很容易達到過充電保護電壓。因此磷酸鐵鋰電池組中某些電池充不滿電的現象相對錳酸鋰電池組而言會更為明顯。

　　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)的均衡電流一般遠小于串聯充電的電流，因此均衡效果不是很明顯，也會出現某些單體電池充不滿電的情況，這對于需要大電流充電的鋰離子電池組，例如電動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的鋰離子電池串聯起來組成電池組，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，將此電池組進行串聯充電時，其中荷電100Ah的那只單體鋰離子電池會先充滿電，從而達到過充保護電壓，為了防止這只單體鋰離子電池被過充電，電池管理系統(tǒng)會將整個串聯充電電路切斷，也就使得其他99只電池無法充滿電，從而整個電池組放電容量也就只有80Ah。

　　一般電池廠家出廠時測試容量時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。而實際電池組串聯充電過程中對單體電池而言一般沒有恒壓充電過程，所以恒壓充電容量就會沒有，電池組容量就會小于單體電池容量。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)和充電機協調配合串聯充電的模式。

2 電池管理系統(tǒng)和充電機協調配合串聯充電

　　電池管理系統(tǒng)是對電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設備，所以將電池管理系統(tǒng)和充電機之間建立聯系，就能使充電機實時地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時產生一些的問題，其原理圖如下。

圖3 動力鋰電池系統(tǒng)集成方案

圖4 鋰離子蓄電池系統(tǒng)基礎體系

圖5 BMS和充電機協調配合串聯充電示意簡圖

　　電池管理系統(tǒng)和充電機協調配合充電模式的原理為：電池管理系統(tǒng)通過對電池的當前狀態(tài)（如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等）進行監(jiān)控，并利用這些參數對當前電池的最大允許充電電流進行估算；充電過程中，通過通信線將電池管理系統(tǒng)和充電機聯系起來，實現數據的共享。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實時地傳送到充電機，充電機就能根據電池管理系統(tǒng)提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流。