锂电池调研报告

动力锂电池

充放电控制策略调研报告

目录

1. 动力锂离子电池 (3)

2. 动力锂离子电池充放电策略 (4)

2.1 锂电池充放电特性 (4)

2.2 锂电池充电控制策略 (5)

2.2.1 恒流恒压充电 (5)

2.2.2 模糊控制充电 (6)

2.2.3 锁相充电法 (8)

2.2.4 灰度预测充电 (10)

2.2.5 正弦-恒流充电 (11)

2.2.6 分阶段恒流充电 (12)

参考文献 (14)

1. 动力锂离子电池

锂离子电池（下面简称锂电池）是1990年日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界上最新一代的充电电池。随着成本的急剧下降和性能的大幅度提高，锂电池的生产和应用已得到迅速发展。

根据正极材料的不同，锂电池单体（cell）的标称电压从3.2V到3.7V，能量密度从100mAh/g到140mAh/g不等。严格来说，动力锂电池是指容量在3Ah 以上的锂离子电池。目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池。通过对锂电池单体进行串并联，可满足各种应用场合对电压和容量的不同的要求。

相较于传统的充电电池（镍氢电池、铅酸电池等），锂电池作为动力电池具有显著的优势：

(1)高能量密度(高比能量)：锂电池的比能量已能达1500Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。同等容量要求下，能够减轻电池系统的重量。

(2)工作电压高：一个锂电池单体的工作电压可达到3.7V，是镍镉或镍氢电池的3倍。同等电压要求下，能够减少串联单体的数目。

(3)循环寿命长：在正常条件下，锂电池的循环次数可超过500次，磷酸亚铁锂电池可达到2000次。

(4)可快速充放电：1C充电30分钟可达到标称容量（State of Charge, SOC）的80%以上，磷酸亚铁锂电池可以在10分钟内充电到90%SOC。这使得锂电池电动汽车能够实现快充，更加方便。

(5)工作温度范围宽：工作温度为-25~45℃，随着电解液和正极的改进，有希望能扩宽到-40~70℃。这使得锂电池系统能适应各种环境。

除此之外，锂电池还具有无污染、无记忆效应、自放电率低和可塑性强等优点。

但锂电池也存在以下缺点：

(1)成本高：主要是正极材料价格较高。

(2)不能耐受过充、过放，温度过高时还会有爆炸危险。必须有特殊的保护电路以防止过充。尤其是多个单体串联成电池组（pack）时，由于单体的特性不一致造成的不均衡，会导致某些单体过充而另外一些充不满，为保护电池需要加均衡电路或在充电策略上做改进。这些都增加了充电的成本。

2. 动力锂离子电池充放电策略

2.1 锂电池充放电特性

锂电池对于充放电电压、电流和温度都有着较高的要求。

（1）充放电电压

锂电池对充电终止电压的精度要求很高（3.7V单体的充电终止电压为4.2V），一般误差不能超过额定值的1%。充电终止电压过高，会缩短锂电池的寿命。在4.2V附近时，1%的充电终止电压误差将会导致寿命变化1/3，容量变化8%[1]。过高的充电终止电压虽然可使容量增加，但对寿命的影响很大。若造成过充，还会对电池造成永久性损害。充电终止电压过低，又会使电池充电不完全，电池的可使用时间变短。因此，为保护电池寿命，可以考虑提高对充电终止电压精度的要求。

锂电池也存在放电终止电压（3.7V单体的放电终止电压为3V）。对于过放的锂电池，在充电前需要进行预处理，激活电池内部被过放的单元，之后再按一般模式充电。

（2）充放电电流

锂电池的充电率(充电电流)应根据电池生产厂商的建议选用。虽然某些电池的充电率可达2C，但常用的充电率为0.25C~1C。这是由于充电过程中，电能无法100%转换为化学能，有一部分会转换成热能使电池温度升高。大电流充电时产热严重，降低了充电效率，还会有爆炸的危险。另外，若一直采用恒流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电结束控制不当还会造成过充。

与充电类似，锂电池大电流放电也会产热严重，使电池的放电容量降低。与充电不同的是，锂电池对于放电的耐受比充电要强，很多锂电池是充坏的，而放坏的则很少。锂电池最大的放电率可达2C~3C，对于电动汽车瞬时加速等应用是非常有利的。

（3）充放电温度

锂电池的充电温度一般被限制在0~60℃范围内。不同的温度下，锂电池的可接受的充电电流是不同的[2]：温度低于0度时，电池的活性较差，内阻较高，可接受充电电流的能力弱，不适宜充电[3]；0~10℃，应以较小的电流充电；在10~20℃，电池的活性增强，可以以较大电流充电；20~50℃是电池工作的较好温度范围，因此可以以大电流充电；温度再往上升时，电池充电比较危险，并且电

池在高温的情况下容量衰减较快，所以也不适宜充电[4]。

锂电池的放电温度为-25~45℃并有望拓宽。与充电类似，温度过低或过高时也不适宜大电流放电。

综上所述，锂电池的充放电存在多重限制，对充放电的控制要求很高。

2.2 锂电池充电控制策略

常见的锂电池充电方法有涓流充电(Constant Trickle Current charge)，恒流充电(Constant Current Charge, CC)和恒流恒压充电(Constant-Current and Constant-V oltage Charge, CC-CV)等[5]。为了缩短充电时间，减少发热和提高充电效率，国内外学者做了诸多研究，主要是对以上常规充电方法的改进，包括模糊控制充电法（Fuzzy-Controlled Charge）[6-8]、锁相充电法（Phase-Locked Charge）[9-14]、灰度预测充电法（Grey-Predicted Charge）[15-17]、内阻调节充电法（Built-in Resistance Compensation, BPR）[12, 18-20]、正弦电流充电法（Sinusoidal Current Charger, Sin-CC）[21-23]、分阶段恒流充电法（Five-Step Charge）[24-26]等。下面对这些方法进行介绍。

2.2.1 恒流恒压充电

涓流充电的实现简单，成本低，且较安全，但充电时间最长(长达10多个小时)，因此被称为隔夜充电（Over Night Charge）。为了缩短充电时间，采用比涓流充电大得多的充电电流对电池进行充电，也即恒流充电。恒流充电的缺点是须准确地检测电池是否充满，常常会造成过冲或过放。恒流恒压充电法克服了涓流充电和恒流充电的缺点，得到了广泛应用，其充电过程如图1所示。

图 1 恒流恒压法充电过程