基于高電壓鋰離子電池組的充電方法

導讀：如何在充電時將鋰離子電池組使用好是很關(guān)鍵的問題，現(xiàn)本文將整理鋰離子電池組常用的幾種充電方法。

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，這主要是因為串聯(lián)充電方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、較容易實現(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，在對鋰離子電池組串聯(lián)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(lián)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(xiàn)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(lián)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(lián)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(jīng)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(jīng)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(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應關(guān)系的比較：

圖1 錳酸鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對應關(guān)系

圖2 磷酸鐵鋰電池鋰離子脫嵌與充電曲線對應關(guān)系

從上圖的曲線不難看出，磷酸鐵鋰電池在快充滿電時，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(xiàn)充電曲線的上翹現(xiàn)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(xiàn)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(lián)充電的電流，因此均衡效果不是很明顯，也會出現(xiàn)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電的模式。

電池管理系統(tǒng)和充電機協(xié)調(diào)配合串聯(lián)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(lián)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(chǎn)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(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電示意簡圖

電池管理系統(tǒng)和充電機協(xié)調(diào)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(shù)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(lián)系起來，實現(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)實時地傳送到充電機，充電機就能根據(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。

當電池管理系統(tǒng)提供的最大允許充電電流比充電機設計的電流容量高時，充電機按照設計的最大輸出電流充電；當電池的電壓、溫度超限時，電池管理系統(tǒng)能實時檢測到并及時通知充電機改變電流輸出；當充電電流大于最大允許充電電流時，充電機開始跟隨最大允許充電電流，這樣就有效地防止了電池過充電，達到延長電池壽命的目的。充電過程中一旦出現(xiàn)故障，電池管理系統(tǒng)可以將最大允許充電電流設為0,迫使充電機停機，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，又能使充電機根據(jù)電池的狀態(tài)，實時地改變輸出電流，達到防止電池組中所有電池發(fā)生過充電以及優(yōu)化充電的目的，電池組的實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題，特別是當電池組串數(shù)多、電池一致性差、充電電流較大時。

并聯(lián)充電

為了解決電池組中某些單體電池過充和充不滿電的問題，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)充電示意簡圖

但是并聯(lián)充電方法需要采用多個低電壓、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，因此目前沒有大范圍使用這種充電方法。

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題，本人發(fā)展出一種最適合高電壓電池組，特別是電動汽車電池組的充電方法，即采用電池管理系統(tǒng)和充電機協(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，原理圖見下。

圖7 電池管理系統(tǒng)和充電機協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電加并聯(lián)充電示意簡圖

此充電方法有如下特點：

（1）由于此系統(tǒng)的BMS具有防止過充電的功能，從而保證電池不會出現(xiàn)過充電的問題。當然如果BMS不能與并聯(lián)充電電源進行通信和控制，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的電壓值相同，所以也不會出現(xiàn)過充電的問題。

（2）由于可以進行并聯(lián)充電所以不需要可靠性低，成本相對較高的均衡電路，并且充電效果要好于只帶均衡電路的串聯(lián)充電方法，并且其維護管理也簡便易行。

（3）由于串聯(lián)充電的最大電流遠大于并聯(lián)充電的電流（一般5倍以上），從而可以保證在較短的時間充進去較高的容量，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，可以同時進行充電；可以串聯(lián)充電結(jié)束后再進行并聯(lián)充電；也可以用一個并聯(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（無線充電電源）或太陽能電池電源，從而使并聯(lián)充電變得簡單。

（6）當鋰離子電池組中單體鋰離子電池數(shù)目較多時，可以將鋰離子電池組分成數(shù)個鋰離子電池組模塊，對每個鋰離子電池組模塊采用BMS和充電機協(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)合的方式進行充電。

其主要目的是減少電池組中串聯(lián)電池數(shù)量較多時，單體電池之間一致性相對更差，從而導致BMS和充電機協(xié)調(diào)配合的充電方法的充電效果差的缺點，以便發(fā)揮出BMS和充電機協(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行并聯(lián)充電或修復（一般的用戶平時充電時可以不用并聯(lián)充電），并由專人根據(jù)實際情況進行分選和重新配組。

采用電池管理系統(tǒng)和充電機協(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)的過充電、充不滿電等問題，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、連接線徑粗等問題，是目前最適合高電壓電池組，特別是電動汽車電池組的充電方法。

結(jié)語

鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)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(lián)組成鋰離子電池組使用。目前，鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應用于筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種領域。