锂电池充放电特性分析和测试

论
著
锂电池充放电特性分析和测试
徐 进
（苏州经贸职业技术学院机电系，江苏 苏州 ２１５００９） 摘 要：简要分析了锂电池的充放电特性，为测试提供了测试参数，讨论了锂电池容量的测试依据，并测试了某品牌 １０００ｍＡｈ的锂电池充放电特性以及其容量，为锂电池的快速检测提供了一种测试参数设置依据。 关键词：锂电池；充电特性；放电特性；锂电池检测 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．３３．００２ Charge and Discharge Characteristics of Lithium-ion Battery XU Jin (Electronic Department,Suzhou Institute of Trade & Commerce,Suzhou,Jiangsu 215009) Abstract:Based on the brief analysis on the charge and discharge characteristics of lithium-ion battery,the capacity of lithium-ion battery was discussed based on the test of a certain brand 1000mAh Li-ion battery.It provided a rapid testing parameters for Li-ion battery. Key words:Lithium-ion battery;Charge characteristics;Discharge characteristics;Lithium-ion battery testing
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引言
最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余 容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间有一个确定的 关系，测量电池端电压即可估算其剩余容量。这种方法的 局限是：（１）对于不同厂商生产的电池，其开路电压与容 量之间的关系各不相同。（２）只有通过测量电池空载时的 开路电压才能获得相对准确的结果，但是大多数应用都需 要在运行中了解电池的剩余容量，此时负载电流在内阻上 产生的压降将会影响开路电压测量精度。而电池内阻的离 散性很大，且随着电池老化这种离散性将变得更大，因此 要补偿该压降带来的误差将十分困难。综上所述，通过开 路电压来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法 达到足够的精度，只能提供一个大致的参考值。通过对锂 电池充放电特性的分析，并给出了充放电的测试方法，从 而为锂电子的充放电的测试提供了一种快速检测方法。 ２ 锂电池的充电特性 锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过
图１ 锂电池的充电曲线图
１％。目前使用比较普遍的是额定电压３．７Ｖ的电池，该电池 的 充 电 终 止 电 压 为 ４．２Ｖ， 那 么 允 许 的 误 差 范 围 就 是 ０．０４２Ｖ。 锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式。充电开 始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流 稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到 ４．２Ｖ，此时充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应 控制在１％以内，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范 围，进入涓流充电阶段。涓流充电也称维护充电，在维护 充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电 荷，最后使电池处于充足状态。图１为锂电池充电曲线图。
图２ 锂电池的放电曲线图
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锂电池的放电特性
锂离子电池的放电特性曲线如图２所示。锂电池放电 时，一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发 热，有可能会造成永久性的伤害。二是电池电压不能低于 放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这 也会造成电池永久性损坏。不同的放电率下，电池电压的 变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池
收稿日期：２０１１－０９－１８ 修回日期：２０１１－１０－０７ 基金项目：苏州经贸职业技术学院一般自然科学资助项目（ＪＭＹＺ０９０３）。 作者简介：徐进（１９７２－），男，硕士，副教授，主要从事电子与通讯的教学和研究工作。
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中国西部科技
２０１１年１１月（下旬）第１０卷第３３期总 第２６６期
采 用 １Ｃ进 行 充 电 ， 对 于 １０００ｍＡｈ的 锂 离 子 电 池 ， 也 就 是 １０００ｍＡ。恒流充电至锂离子电池端电压为４．２Ｖ为止，到达 ４．２Ｖ后，采用恒压充电。数据采集间隔５ｓ。充完电后，再 搁置２ｍｉｎ，然后以１Ｃ进行放电，放电至３Ｖ。计算出放电容 量。充电末期和放电末期电池的极化是很大的。两次搁置 都是为了降低极化。 图４为充电曲线图，红颜色为电压变化曲线图，蓝颜色 为电流变化曲线图，从图中可以看出，电流在以１０００ｍＡｈ进 行恒流充电时，锂离子电池两端的电压在不断上升，当上 升至４．２Ｖ时，进行了恒压充电，此时，电流在不断下降， 从图中可以看出，当电流下降到１００ｍＡ（０．１Ｃ）左右时，充
电压就越低。采用０．２Ｃ放电速率，单体电池电压下降到 ２．７５Ｖ时，可放出额定容量。采用１Ｃ放电速率时，能够放出 额定容量的９８．４％。 ４ 锂电池充放电测试实例 电池电量计对流入／流出电池的总电流持续进行积分，
并将积分得到的净电荷数作为剩余容量。
图３ 简化的电池电量计框图
电结束。 图４是截取了恒流到恒压的转化部分。从图中可以看 出，恒流充电以１０００ｍＡ进行充电，当电压上升到４．２Ｖ时， 恒压进行充电，此时电流在不断减小。表１中，截取的时间 处于电池在３１５０ｓ处，相当于５２．５ｍｉｎ处取的电流与电压数 据（与图４基本吻合）。
简化的电池电量计如图３所示。其中，ＲＳＮＳ为ｍΩ级检流 电阻，ＲＬ为负载电阻。电池通过开关、ＲＳＮＳ对ＲＬ放电时的电流 ＩＯ在ＲＳＮＳ两端产生的压降为ＶＳ（ｔ）＝ＩＯ（ｔ）×ＲＳＮＳ 。电量计持续检 测ＲＳＮＳ两端的压差ＶＳ， 并 将 其 通 过 ＡＤＣ转换为Ｎ位的数字量 Ｃｕｒｒｅｎｔ（简称ＣＲ），之后以时基确定的速率进行累加，Ｍ位 累 加 结 果 Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ＿Ｃｕｒｒｅｎｔ（简 称 ＡＣＲ）的 单 位 为 Ｖｈ（伏 时）。对量化后的ＶＳ进行累加相当于对其进行积分，结果为 。 电池电量的计算公式： ——（式１） 因此，将ＡＣＲ值除以检流电阻ＲＳＮＳ 的阻值即得到以Ａｈ（安 时）为单位的电池容量。ＡＤＣ转换结果和累加后的结果都带 有符号位，按照图３的连接方式，充电时ＣＲ为正，ＡＣＲ递 增；放电时ＣＲ为负，ＡＣＲ递减。外部微控制器可以读取ＣＲ和 ＡＣＲ值，经过换算得到真实的充放电电流和电量值。 研究表明，锂离子电池采用１Ｃ速率进行充电，可以使 充电周期最短，同时不影响锂离子电池的寿命。从而达到 快速测试的目的。
表１
锂离子电池充电数据
图５
锂离子电池放电曲线图
从图５中可以看出，电流以设定的１０００ｍＡｈ进行放电， 电 压 值 不 断 的 下 降 ， 直 到 ３Ｖ， 放 电 停 止 ， 时 间 差 不 多 ６８ｍｉｎ，根据放电容量计算公式，该锂离子的放电容量超过 了１ｈ，符合标称容量。表２类似于表１。 ５ 结论 在大力提倡低碳生活的今天，采用清洁，高效，环保
图４ １０００ｍＡｈ锂离子电池充电曲线图
型的能源成为必然的趋势。由于锂电池相对于其它蓄电池 具有能量密度高、功率密度高、比能量高、比功率高、无 污染、单体电压高、无记忆效应、自放电率小、寿命长和 （下转第４９页）
测试时首先将锂电池搁置２ｍｉｎ，然后进行恒流充电，
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