淺析大功率鋰電池的充放電特點與控制*

張松青，李進波

?

淺析大功率鋰電池的充放電特點與控制*

張松青，李進波

（河南工學院，河南 新鄉 453003）

鋰電池具備體積小、重量輕、可快速充電、能量高等優點，和其他類型電池相比，其擁有優越的綜合性能，表現出極強的競爭優勢。文章通過分析大功率鋰電池的充放電特點，對大功率鋰電池充電控制展開探討，旨在為研究如何促進大功率鋰電池的安全有序運行提供必要參考。

大功率鋰電池；充放電特點；充放電控制

引言

現階段，大功率鋰電池在不間斷電源、二次回路操作電源、電動汽車、電動自行車等領域得到了推廣。其中，大功率鋰電池在電動汽車上更是得到廣泛應用，而鋰電池的容量、功率則很大程度上影響著電動汽車的使用性能及使用壽命。性能越高的電動汽車對鋰電池的要求越嚴苛，因為鋰電池單體電池電壓偏低，所以要求對多節鋰電池予以串聯、并聯處理，以滿足電動汽車較大功能的需求，通常情況下，需要串并聯數十甚至數百節鋰電池獲得大功率電池，方可滿足電動汽車使用要求。依托對大功率鋰電池充放電設備的控制，可實現對鋰電池信息的實時監測，進而對鋰電池荷電狀態開展分析，為電動汽車安全有序運行提供有力保障[1]。由此可見，對大功率鋰電池的充放電特點與控制進行研究分析，具有十分重要的現實意義。

1 大功率鋰電池的充放電特點

1.1 鋰電池

蓄電池種類多種多樣，自電解質層面而言，可將鋰電池劃分為液態鋰電池、凝膠鋰電池、全固態鋰電池等類型；自正極材料層面而言，可將鋰電池劃分為磷酸鐵鋰電池、氧化錳鋰電池、氧化鎳鋰電池等類型。伴隨鋰電池技術的不斷發展及全球各國對節能減排的日益重視，作為環保的儲能設備，近年來鋰電池在諸多行業領域得到推廣，諸如電動汽車、不間斷電源、太陽能發電等。依托相應數量的鋰電池串聯、并聯組合，便可組成鋰電池組（包）。通常而言，方形結構的電池組，可運用立式結構或者臥式結構；而運用圓柱形結構的單體鋰電池組，通常為立式結構。鋰電池組主要由鋰電池單體、電池組結構件、電池連接器件等組成，其中電池組結構件可實現支撐電池單體及散熱功效，所以需要應用輕質、高強度及導熱性佳的材料[2]。

1.2 大功率鋰電池充電特點

鋰電池對電壓準確性提出了偏高的要求，倘若電壓誤差在1%以上便可能導致鋰電池損壞。現階段，常用的鋰電池額定電壓為3.7V，同時其充電終止電壓為4.2V。近年來，市場上流通的鋰電池主要采用的是恒流和恒壓充電模式，充電時電流保持穩定，而充電起初階段電壓偏低，伴隨充電時間的推進，電壓波動通常不超過1%，充電電流不斷減少，等到電流降低至相應水平時，便會轉變為涓流充電模式。涓流充電模式，換而言之即為人們常說的維護充電，在這一充電模式下，充電設備會維持在特定速率下，逐漸為電池補充電荷，并直至將鋰電池充滿。

1.3 大功率鋰電池放電特點

鋰電池在放電過程中，電流不宜過大，倘若電流過大則會加大鋰電池內部熱量，進一步對鋰電池帶來不可逆的損壞。除此之外，鋰電池電壓不足放電終止電壓時仍然保持放電狀態，則會引發過放現象，進而造成鋰電池出現損壞。在各式各樣的放電狀態下，鋰電池電壓變化也不盡相同。鋰電池電壓與放電率呈負相關關系。如果將鋰電池放電速率控制在0.2C，則鋰電池電能可能降低至2.75V，可放出額定電量；而如果將鋰電池放電速率控制在1C，則其可釋放出電池額定電量的98%[3]。

2 大功率鋰電池的充放電控制

2.1 大功率鋰電池充放電設備控制總體設計

圖1 大功率鋰電池充電整體結構示意圖

首先，大功率鋰電池充放電電路總體設計。充放電主電路通過二極管不控整流，緊接著由隔離的DC/DC變換器獲取對應需求的充電電壓，進而對鋰電池進行充電，如圖1所示。大功率鋰電池放電過程中，依托Buck降壓斬波器將電池電能通過電阻負載放電，進而通過發熱以進行放電，如圖2所示。

圖2 大功率鋰電池放電整體結構示意圖

然后，大功率鋰電池系統充放電設備控制結構設計。電池系統主電路硬件電路主要包括核心控制電路、采樣電路、JTAG接口電路、PWM驅動電路等，如圖3所示。其中，采樣點路，指的是采集充電過程中的充電電流、充電電壓、外電檢測及放電過程中的放電電流、放電電壓、環境溫度[4]。

圖3 大功率鋰電池系統充放電控制結構示意圖

2.2 大功率鋰電池充放電控制軟硬件設計

依托控制器STM32F103{能否調整為89C51單片機，如調整圖1,2,3應相應變化}集成的各項功能，并結合本次研究設計大功率鋰電池充放電主電路及不同模塊接口電路，主要包括電源電路設計、復位電路設計、時鐘電路設計、JTAG仿真器接口電路設計、信號采樣電路設計、人機界面電路設計，IGBT器件使用，等等。為了進一步實現充電設備智能化，進行設計的策劃工作，在硬件設計的同時，同步開展對應的軟件設計，主要包括系統主程序設計、充電電路控制程序設計、AD采樣DMA傳輸程序設計、通信程序設計、人機界面的監控等。

2.3 實驗結果及分析

本次研究選取容量為16Ah的磷酸鐵鋰電池組，室溫控制在20℃。鋰電池先開展恒流恒壓充電，等到電流不足0.033C時，意味著蓄電池已經充滿，且SOC值為1。然后，將蓄電池以不同方式進行放電，記錄蓄電池電壓、溫度等參數，并在各種電池模型基礎上應用卡爾曼濾波法開展蓄電池SOC估算。經實驗研究得出，蓄電池放電電流與蓄電池持續放電時間、蓄電池溫度變化呈正相關關系。在應用卡爾曼濾波法開展SOC估算過程中，構建模型不同，則獲取結果也不盡相同。在小電流持續放電過程中，以RC模型、Thevenin模型為前提的SOC估算結果差別較小，而在大電流持續放電過程中，以RC模型為前提的SOC估算則更為準確。在蓄電池不持續放電過程中，電流保持恒定放電。以RC模型、Thevenin模型為前提SOC估算，均存在一定的誤差，當應用RC模型開展的估算更為可靠、準確。

3 結束語

總而言之，在倡導綠色低碳發展理念的當前時代背景下，應用綠色環保的能源是時代的大勢所趨。相較于其他電池能源，鋰電池表現出使用壽命長、無記憶效應、能量質量比高等優勢，可在人們生活的方方面面得到廣泛推廣，并對現代產品生產有著十分重要的影響。本次充電設備的研究，為高電壓、大電流電動汽車充放電設備研發打下了堅實的基礎。今后鋰電池將會進一步趨于小體積、輕重量及高能量密度。伴隨對鋰電池研究的不斷深入，對鋰電池一系列參數的了解勢必會越來越精確，與之相應的新充放電方法及控制技術也會誕生，進而為人類社會發展做出更大的貢獻。

[1] 陳錦棠.關于鋰電池充放電特性分析和測試探討[J].化工設計通訊, 2017, 43(02):136-136.

[2] 朱文杰,黃辰.鋰離子電池充放電電路模型及其仿真[J].物聯網技術,2017,07(04):64-65.

[3] 馮晶晶,肖華鋒,謝少軍.大功率鋰電池的充放電管理器控制技術研究[J].信息化研究, 2009, 35(12):14-17.

[4] 楊宗霄,陳偉,李玉彬.鋰電池組的兩級均衡充放電控制策略[J].河南科技大學學報(自然科學版), 2018,09(01):53-58.

Analysis on Charge and Discharge Characteristics and Control ofHigh Power Lithium Batteries

Zhang Songqing, Li Jinbo

（Henan Institute of Technology, Henan Xinxiang 453000）

Lithium battery has the advantages of small size, light weight, fast charging and high energy. Compared with other types of batteries, it has superior comprehensive performance and shows a strong competitive advantage. This paper analyzes the charging and discharging characteristics of high-power lithium batteries, and discusses the charging control of high-power lithium batteries. The purpose is to provide a necessary reference for studying how to promote the safe and orderly operation of high-power lithium batteries.

high-power lithium battery; charge and discharge characteristics; charge and discharge control

B

1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

B

1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

張松青（1966.1-），女，漢族，河南新鄉人，本科，碩士，河南工學院，教授，研究方向：車輛工程、電動汽車。

李進波（1967.9-），男，漢族，河南新鄉人，本科，河南工學院，高級工程師，研究方向：電子和機械產品。

河南省高等學校重點科研項目《電動客車便攜式智能充電設備的研制》（項目編號：17A580005）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.013