鉅大LARGE | 點擊量：891次 | 2021年08月08日
鋰離子電池包充電策略分解
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包使用。目前，鋰離子電池包已經廣泛使用于筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種范疇。
因此要怎么樣在充電時將鋰離子電池包使用好顯得尤為關鍵，現將鋰離子電池包常用的幾種充電辦法以及本人認為的最適合的充電辦法試述如下：
1一般的串聯充電
目前鋰離子電池包的充電一般都采用串聯充電，這緊要是因為串聯充電辦法結構簡單、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，在對鋰離子電池包串聯充電時，電池包中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先洋溢電，而此時，其他電池還沒有洋溢電，倘若持續串聯充電，則已洋溢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，為了戒備出現單體鋰離子電池過充電，鋰離子電池包使用時一般配有電池管理系統（batteryManagementSystem，簡稱bMS），通過電池管理系統對每一只單體鋰離子電池進行過充電等保護。串聯充電時，倘若有一只單體鋰離子電池的電壓達到過充保護電壓，電池管理系統會將整個串聯充電電路切斷，停止充電，以戒備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洋溢電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
經過多年的發展，磷酸鐵鋰動力鋰離子電池由于具有較高的安全性、很好的循環性能等優點，已經基本能滿足電動汽車特別是純電動轎車的要求，工藝上也基本具備了大規模加工的條件。然而，磷酸鐵鋰離子電池的性能與其他鋰離子電池存在著一定的差異，特別是其電壓特點與錳酸鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池等不同。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錳酸鋰離子電池鋰離子脫嵌與充電曲線對應關系
圖2磷酸鐵鋰離子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，磷酸鐵鋰離子電池在快洋溢電時，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。因此磷酸鐵鋰離子電池包中某些電池充不滿電的現象相對錳酸鋰離子電池包而言會更為分明。
另外，雖然有些電池管理系統帶有均衡功能，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分明，也會出現某些單體電池充不滿電的情況，這有關要大電流充電的鋰離子電池包，例如電動汽車用的鋰離子電池包而言則更為分明。
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包，但倘若成組前其中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，將此電池包進行串聯充電時，其中荷電100Ah的那只單體鋰離子電池會先洋溢電，從而達到過充保護電壓，為了戒備這只單體鋰離子電池被過充電，電池管理系統會將整個串聯充電電路切斷，也就使得其他99只電池無法洋溢電，從而整個電池包放電容量也就惟有80Ah。
一般電池廠家出廠時探測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。而實際電池包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，電池包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，電池包損失容量越小，因此又發展出了電池管理系統和充電機協調配合串聯充電的模式。
2電池管理系統和充電機協調配合串聯充電
電池管理系統是對電池的性能和狀態了解最為全面的設備，所以將電池管理系統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，從而更加有效地處理電池的充電時出現一些的問題，其原理圖如下。
圖3動力鋰離子電池系統集成辦法
圖4鋰離子蓄電池系統基礎體系
圖5bMS和充電機協調配合串聯充電示意簡圖
電池管理系統和充電機協調配合充電模式的原理為：電池管理系統通過對電池的當前狀態（如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等）進行監控，并利用這些參數對當前電池的最大準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和充電機聯系起來，實現數據的共享。電池管理系統將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大準許充電電壓、最高準許單體電池電壓以及最大準許充電電流等參數實時地傳送到充電機，充電機就能依據電池管理系統供應的信息改變自己的充電策略和輸出電流。
當電池管理系統供應的最大準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，電池管理系統能實時測試到并及時通知充電機改變電流輸出；當充電電流大于最大準許充電電流時，充電機開始跟隨最大準許充電電流，這樣就有效地戒備了電池過充電，達到延長電池壽命的目的。充電過程中一旦出現故障，電池管理系統可以將最大準許充電電流設為0，迫使充電機停機，戒備發生事故，保障充電的安全。
在該充電模式下，既完善了電池管理系統的管理和控制功能，又能使充電機依據電池的狀態，實時地改變輸出電流，達到戒備電池包中所有電池發生過充電以及優化充電的目的，電池包的實際放電容量也要大于一般的串聯充電辦法，但是這種辦法還是處理不了電池包中某些電池充不滿電的問題，特別是當電池包串數多、電池一致性差、充電電流較大時。
3并聯充電
為了解決電池包中某些單體電池過充和充不滿電的問題，又發展出了并聯充電的方法，其原理圖如下。
圖6并聯充電示意簡圖
但是并聯充電辦法要采用多個低電壓、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辦法。
4串聯大電流充電加小電流并聯充電
由于上述三種充電辦法都存在一定的問題，本人發展出一種最適合高電壓電池包，特別是電動汽車電池包的充電辦法，即采用電池管理系統和充電機協調配合串聯大電流充電加恒壓限流的并聯小電流充電的模式，原理圖見下。
圖7電池管理系統和充電機協調配合串聯充電加并聯充電示意簡圖
此充電辦法有如下特點：
（1）由于此系統的bMS具有戒備過充電的功能，從而保證電池不會出現過充電的問題。當然倘若bMS不能與并聯充電電源進行通信和控制，由于并聯充電電源的恒壓值一般與鋰離子電池包中單體鋰離子電池洋溢電時的電壓值相同，所以也不會出現過充電的問題。
（2）由于可以進行并聯充電所以不要可靠性低，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充電辦法，并且其維護管理也簡便易行。
（3）由于串聯充電的最大電流遠大于并聯充電的電流（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，從而發揮出串聯充電的最大效果。
（4）充電時串聯充電與并聯充電的順序以及并聯充電電源的數量可以靈活掌握，可以同時進行充電；可以串聯充電結束后再進行并聯充電；也可以用一個并聯充電電源依據電池包中電壓的情況給電壓最低的電池進行輪流充電。
（5）隨著技術的發展，并聯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，從而使并聯充電變得簡單。
（6）當鋰離子電池包中單體鋰離子電池數目較多時，可以將鋰離子電池包分成數個鋰離子電池包模塊，對每個鋰離子電池包模塊采用bMS和充電機協調配合串聯大電流充電與恒壓限流的并聯小電流充電相結合的方式進行充電。
其緊要目的是減少電池包中串聯電池數量較多時，單體電池之間一致性相對更差，從而導致bMS和充電機協調配合的充電辦法的充電效果差的缺點，以便發揮出bMS和充電機協調配合充電模式的最大效果。
這種辦法特別適合高電壓電池包是由可快速更換的低電壓（例如48V）電池模塊系統組成的電池系統，這樣就可以在電池更換站或充電站進行并聯充電或修復（一般的用戶平時充電時可以不用并聯充電），并由專人依據實際情況進行分選和重新配組。
總之，這種采用電池管理系統和充電機協調配合串聯大電流充電加恒壓限流的并聯小電流充電的充電辦法可有效處理鋰離子電池包串聯充電易出現的過充電、充不滿電等問題，且可戒備并聯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包，特別是電動汽車電池包的充電辦法。
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