锂离子电池组监控系统研究与实现 ― 锂离子电池监控系统基础研究

2.1锂离子电池技术

锂是世界最轻的金属，是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，它所构成的电池具有非常多的优点：

⑴高容量，高密度。锂电池的输出电压近4V，是单节镍镉、镍氢电池的3倍，能够比镍氢电池存储更多的能量;

⑵尺寸小，重量轻;

⑶无记忆效应。锂电池不需要定期放电，不管残余电量多少，都可以进行充电，非常方便;

⑷自放电率小，循环寿命长。锂电池自放电率为每月2%~5%，而镍镉，镍氢等电池自放电率达到20%;

⑸充放电寿命长。经过500次重复充放电后，其容量至少相当于新电池的70%以上。锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成污染，虽然目前价格比较贵，随着技术进步以及生产规模的扩大，仍有较大降价空间。

锂电池是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。

但是锂电池也有其自身的缺点，锂电池在使用过程中，易受到过充、过放和短路等现象的影响，从而产生损害。其电池的充电电压必须进行严格限制。最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用大电流充电至4.2V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态，因此锂电池需使用专用的充电器。另外，锂电池价格比较昂贵，影响锂电池的应用。

2.2锂离子电池特性

锂离子电池的主要工作特性：

2.2.1锂电池的充电特性

电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：

(1)多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。

(2)非线性在电池充电的过程中，一般不能只用简单恒流或恒压充电方式，因为充电电流在充电过程中会出现非线性的变化，其电流值会随充电时间呈指数规律下降。

(3)复杂的电化学性经过多次的充放电后，电池的充放电能力将出现很大的不同，电池的容量将会不一致，即使是同一类型的电池也是一样。

针对以前这些复杂的现象，在目前，提出了一种有效的充电方式—恒流转恒压的充电方式。当电池容量比较低时，该充电方式首先采用恒流充电，例如额定容量为2000mah的电池充电，采用2A电流充电，大概40分钟电池电压就能上升到设定值(4.2V)，然后转入恒压方式充电，就是电压维持4.2V，这时充电电流会迅速下降。在恒压充电期间，对电压精度的要求很高，必须维持在4.2V±42mV的范围内，也就是说误差不能超过1%.如果不控制电压值，使电压上升到4.5V的话，会对锂电池造成永久性的损害。在这个期间，充电电流也会逐渐减小到一个范围，以小电流继续对电池充电，最后使电池容量达到额定值。这个过程大概持续80分钟就能充满。如果采用1A电流充电，大概100分钟电池电压上升到4.2V，约2.5小时充满电。选择的充电电流不同，但是都能充满，就是花费时间长短问题。

恒流转恒压的充电方式能使电池达到满充状态，并且不损害电池，大大提高了电池的使用寿命和效率，目前成为锂电池最主要的一种充电方式。

2.2.2充放电电流特性

在对锂电池进行充放电时，需要考虑其充放电的最大电流，尤其是放电电流，当锂电池的放电速率超过2C时(C为电池的容量)，会使锂电池的温度急剧升高，从而严重发热，会对锂电池的内部造成损坏，影响其使用寿命。在对锂电池充电时，其充电速率最好在0.25C~1C的范围内，当充电电流过大时，需要实时监测温度，以防温度过高。

2.2.3最佳工作温度环境

温度对锂电池的容量有很大的影响。虽然锂电池的使用温度范围可以在-20℃~60℃之间，但是当温度过低或过高都会影响到锂电池的放电容量。实验表明：当放电速率为0.2C时，环境温度为25℃时，可放出额定容量;当环境温度为-10℃时，电池容量下降约5%，当环境温度为-20℃时，电池容量下降约10%.由此可见，环境温度为25摄氏度时，是锂电池的理想工作温度，在这个温度下，电池能发挥它的最大性能。

2.2.4自放电率

所有电池在开路的情况下会出现正负极自放电，这会使电池的容量下降。但是锂电池的自放电率非常小，远远低于镍镉电池、镍氢电池。

2.2.5电池使用寿命

经实验表明，锂电池的使用寿命远远大于其他电池，其充放电次数为600-1000次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电数一般为300-600次。锂电池的充电次数具体视充电周期而定，一个充电周期意味着用完电池的所有电量，但并不等同于充一次电。例如，可以只用了一半的电量，然后又为它充满电，再用了一半的电量，然后又为它充满电，这只能算作一个充电周期，而不是两个，因此，你可能要花几次完成一个周期。每完成一个充电周期，电池容量就会减少一点。

2.3锂电池充电管理

在锂电池监控管理系统中另一个重要部分就是对锂电池的充电管理。目前来说，主要存在两种充电模式，一种是恒流恒压的充电模式，另一种是脉冲电流充电的模式。根据这两种充电模式，目前主要存在三种充电方式：线性充电方式、开关充电方式和脉冲充电方式。其中，线性充电和开关充电采用的都是恒流恒压的充电模式。

2.3.1线性充电方式

线性充电方式主要应用于对噪声敏感的无线设备，其优点是成本最低，复杂度最小，同时在三种方式中其传导和辐射干扰是最小的。但是这种充电方式有一个很大的缺点，就是功率损耗较大。基于线性充电方式的这些优缺点，这种充电方式在小功率便携设备充电方案中具有很大的市场。线性充电方式检测电池电压来决定其充电状态[26]。当电池电压小于某阈值电压时，处于预充电状态，此时以较小的电流对电池进行充电，预充电使电池电压达到阈值电压后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流可以调整。恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电压(一般为4.2V)后，进入恒定电压充电状态。在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于某阈值时，充电结束。充电结束后，对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。