基于壓降補償的鋰離子電池恒流充電方法

何亮明，杜 翀

(中國科學院上海高等研究院，上海201210)

鋰離子電池屬于非水系二次電池，充電方法包括連續充電和脈沖充電。脈沖充電通過在充電脈沖間隙引入靜置或放電脈沖來減小電池極化阻抗，縮短充電時間并可延長使用壽命[1]。脈沖充電需要專門的脈沖產生與控制電路，增加了充電器設計復雜度與制造成本[2]。連續充電在鋰離子電池蓬勃發展的二十多年間產生了很多變種方式，包括早期的恒定電流、恒定電壓、恒流-恒壓充電[3]以及目前流行的多階段恒流[4]等充電方式。近年來，為了優化充電電流曲線，實時動態匹配充電過程中電池的電荷接受能力，嘗試引入了模糊控制、神經網絡與遺傳算法等更加復雜的計算手段。鋰離子電池充電時，若充電電壓過高，則電池性能會明顯劣化，甚至引發燃燒爆炸等事故。因此必須確保充電電壓不超過給定電壓，避免過充現象。

為了在充電速度和充電安全性之間達到一個折中平衡，目前商用鋰離子電池一般使用恒流-恒壓充電。即在充電初期，進行恒定電流充電。當電池電壓達到給定電壓值后，以恒定電壓繼續充電。充電電流降低到給定值時即認為充滿電，結束充電。應用恒定電流充電時，通過加大充電電流能快速充電，縮短充電時間；當鋰離子電池電壓達到給定電壓值時，切換到恒壓充電，確保電池無需承受由過充導致的高壓。

電池內部電動勢或者開路電壓是判斷電池是否滿充的理想參數。但在實際充電過程中，上述兩個參數不可測，只能使用電池端電壓進行近似替代。由于電池內阻的存在，電池端電壓小于電池開路電壓。電池充電電流越大，電池端電壓和開路電壓差異越大。在恒流-恒壓充電過程中，恒流階段當電池端電壓達到給定值(例如鋰離子電池設定為4.2 V)時，電池開路電壓實際上并未達到上述閾值。但是為了保險起見，不得不采取限流措施，改為充電電流逐漸減小的恒壓充電模式。恒壓充電模式的引入確保了電池充電的安全性，但是降低了電池的充電速度。如圖1，實驗中對2 Ah鋰離子電池使用1.0 A的恒定電流進行充電，大約90 min后即可充電80%。然后端電壓達到給定值后改用恒壓充電。經過約1.5 h，電池才漸至充滿。實際應用中，對于使用一段時間后的老化電池，由于電池內阻或者接線電阻變大，恒流充電階段時間變短，恒壓充電對電池充電速度的影響更加顯著。

本文研究了鋰離子電池充放電過程中內阻變化特性，發現電池歐姆內阻基本不變，極化內阻在充電后期小幅增長，應用兩階段逐次逼近法估計電池滿充時刻總內阻大小，提出了一種基于內阻壓降補償機制的恒流充電控制方法。

圖1 恒流恒壓充電

1 基于內阻壓降補償的恒流充電控制方法

鋰離子電池充電往往利用電池的端電壓作為充電模式切換與終止的控制參數，不利于充電速度的提升。為了克服上述問題，本文基于電池內阻壓降補償機制提出一種完全使用恒流充電的快速充電方法。一般情況下4.2 V的開路電壓是理想的充電終止條件，但是在電池充電過程中由于電池內阻的存在，電池端電壓偏離了電池的開路電壓。電池端電壓與開路電壓的偏差值同電池的內阻和充電電流大小密切相關。為了補償電池充電時內阻帶來的端電壓壓降，必須了解電池內阻的組成與變化特性。

1.1 電池內阻在充放電過程中的變化特性

電池內阻由歐姆內阻、濃差極化與電化學極化阻抗等組成，各成分在不同的充電狀態下變化特性各有不同。為了克服電池內阻對恒流充電控制帶來的不利影響，通過大量充放電實驗深入研究了鋰離子電池直流內阻特性。使用三洋、索尼、松下、LG、三星、ATL等廠商18650鋰離子電池作為實驗對象，電池容量為2或2.6 Ah。不同充放電狀態下的電池直流內阻利用脈沖邊緣處電壓、電流變化量進行計算，充放電曲線如圖2。首先電池放電至截止電壓，靜置一段時間后進行充電。以1 A電流充電5 min后靜置15 min，上述過程一直循環至靜置端電壓達到4.2 V時為止。電池充滿電后，靜置一段時間開始放電。以1 A電流放電，放電5 min后靜置15 min。以上實驗使用藍電充放電測試儀完成，電壓、電流參數采樣頻率為1 Hz。電池歐姆內阻根據脈沖電流邊緣處電壓變化量和電流變化量相除求得，極化內阻使用靜置階段電壓變化量計算。

圖2 電池充放電過程

分別研究了電池充電過程和放電過程中不同荷電狀態(SOC)下的歐姆內阻和極化內阻變化特性。實驗發現，即使在相同荷電狀態下，充電和放電不同工作模式時電池內阻大小也可能存在巨大差異。如圖3，電池充電時電池內阻總體變化較小，具有較大的穩定性，其中歐姆內阻在5%～100%SOC范圍內基本保持不變，極化內阻只在充電后期小幅度增加。在不同SOC狀態下，與歐姆內阻相比，電池極化內阻小得多。因此，電池總內阻大小主要由歐姆內阻決定。與充電條件下相比，電池放電條件下內阻變化規律有較大差異。如圖4，在5%～90%SOC范圍內，歐姆內阻和極化內阻都保持穩定，總內阻也變化較小。但是在放電末期，極化內阻和歐姆內阻急劇變大，翻了一番以上。比較圖3與圖4可知，電池在10%～90%荷電狀態時，其放電內阻和充電內阻基本一致。然而當電池接近95%SOC時，充電極化內阻比放大極化內阻大得多。當電池接近完全放電狀態時(此時SOC接近0%)，放電極化內阻遠大于充電極化內阻。上述現象在之前的大部分研究中被完全忽視[5-6]，不利于電池內阻的精確測量與表征。

圖3 充電過程中電池內阻的變化

圖4 放電過程中電池內阻的變化

1.2 基于內阻壓降補償的恒流充電控制方法

由鋰離子電池直流內阻的上述特性可知，在充電過程中電池的內阻保持一定的穩定性，只是在充電后期極化內阻小幅度增加。利用上述特性，提出一種基于內阻壓降補償的恒流充電控制方法，圖5為該充電方法流程圖，具體步驟如下：

步驟1，電池靜置一定時間(如5 min)后，進行一定電流倍率恒流充電，此時，計算由靜置到上電瞬間電池端電壓的變化量ΔV1；

圖5 恒流充電控制流程圖

步驟2，在恒流充電期間，當電池端電壓達到4.2 V+ΔV1時，停止充電并靜置一段時間(如10 min)，此時，應用靜置期間電壓變化量ΔV2來表征電池極化阻抗導致的電壓偏離量，上述步驟中靜置時間與電池的電壓弛豫曲線相關，對于商用鈷酸鋰電池，取值為10 min即可達到一定精度；

步驟3，繼續以相同電流恒流充電，直到電池端電壓達到4.2 V+ΔV1+ΔV2為止，此時電池已經充滿電。

在步驟1中，電壓變化量ΔV1主要由歐姆內阻壓降所致，相應內阻作為電池內阻的初步估計值。由1.1節分析可知，充電態電池總內阻主要由歐姆內阻決定，因此使用便于計算的歐姆內阻來估計電池直流內阻具有一定的準確性。應用該內阻壓降進行初步補償，此時極化內阻估計值即可近似看作電池100%SOC時刻的極化內阻。恒流充電的關鍵在于獲取精確的充電截止判斷參數。本文利用兩階段逐次逼近法估算電池總內阻大小，并對充電截止電壓進行相應內阻壓降補償，實現了完全恒流充電的目的。由于該充電方法避免了恒壓充電過程，大大加速了電池的充電速度，與傳統恒流恒壓CCCV方法相比，縮短了近一半時間。文獻[7]應用電池內阻壓降補償理念延長了傳統恒流恒壓充電方法中恒流階段的時間，一定程度上提高了電池充電速度。為了估計電池內阻，文獻[7]在恒流充電過程中引入了一個小幅度的脈沖電流，當電池端電壓達到補償后截止電壓時轉變為恒壓充電模式。與本文方法相比，文獻[7]忽視了電池極化內阻，并且沒有考慮電池內阻在充電過程不同SOC條件下的動態變化特性。

2 實驗與結論

為了驗證本文充電方法的有效性和普適性，使用三洋、索尼、ATL、LG與三星等廠家18650圓柱形鋰離子電池分別進行實際測試，實驗結果如表1。實驗中利用電池充電結束并靜置10 min后的電池電壓來判斷是否充滿電。由表1可知，各種品牌圓柱型電池都沒有發生過充現象，電池充電容量和CCCV充電方法非常接近。為了驗證本文充電方法在快速充電應用中的可靠性，選取2 Ah的三洋18650鋰離子電池進行各種充電倍率條件下的充電實驗，結果如表2。由表2可知，隨著充電電流的增加，由電池歐姆內阻導致的電壓壓降ΔV1近似線性增長，但是電池極化內阻與充電電流呈現明顯的非線性關系。電流在1～2 A區間內，電池極化內阻變化較小。從充電結束靜置后電壓來判斷，本文恒流充電方式比CCCV充電容量更高。CCCV分為恒流充電過程和恒壓充電過程；本文充電方法分為補償ΔV1的第一階段和補償ΔV2的第二階段。圖6顯示了不同電流倍率下兩種充電方法各階段所需時間。隨著充電電流的增加，本方法充電時間呈線性下降，而CCCV充電方法總充電時間變化很小。對于CCCV充電來說，雖然充電電流的增加縮短了恒流充電時間，但是相應的充電容量也較少，需要更長的恒壓充電過程。

表1 電池應用新型恒流充電方法實驗結果

表2 不同倍率條件下本文充電方法與恒流恒壓充電方法對比

圖6 不同充電電流情形下兩種充電方法充電速度的比較

綜上所述，本文恒流充電方法可以實現快速安全充電，而且對各種廠商生產的電池具有普適性，顯示出較大應用價值。下一步將測試本文充電方法對動力鋰離子電池等大容量電池的適用性，并深入研究恒流充電方法對電池溫度變化與使用壽命的影響。

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