傅晓晴+孟蕊

[摘 要]为提高锂离子动力电池使用效率，充电技术一直是国内外研究的热点，并且已经研究出多种充电方法。选择合理的充电方法，对加快充电速度、提高使用效率、减轻对电池的损伤都非常重要。

[关键词]锂离子 动力电池 充电方法 安全保护措施

中图分类号：TN521 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0155-01

1.锂离子动力电池特点

锂离子动力电池与传统的铅酸和镉镍等电池相比，具有比能量高、重量轻、使用寿命长、污染小、低温性能好和工作电压高等特点。但是锂离子动力电池材料稳定性差，所以锂离子动力电池对充电的温度、电流和电压都有严格要求，操作不当，就可能导致电池受损，报废，甚至燃烧、爆炸，造成严重损失。

2.锂离子动力电池充电方法

2.1 恒流充电

恒流充电即在对电池进行充电的整个过程或者部分时间段内保持电流不变的充电方式。根据其充电电流的大小可以分为涓流充电、标准恒流充电和分段恒流充电。恒流充电方式建立在能对SOC准确预测的基础上，但目前各种算法都有一定的误差累计，所以电池很容易发生过充或未充满的现象。

2.2 涓流充电

涓流充电的电流比较小，一般电流I<0.1C，对锂离子动力电池充电及保护应用研究电池的损伤比较小，但是充电时间太长（t>10h）。目前主要适用于对电池的修复和激活。

2.3 标准恒流充电

该充电方式与涓流充电的原理基本一致，只是电流比较大，一般电流I在0.2～1C之间，如图1所示耗费时间较少。该充电方式操作比较简单，易于实现，但由于动力电池的可接受电流能力随着充电过程的进行逐渐下降，在电池的充电后期，若充电电流仍然不变，就会造成电池内部极板上活性物质的脱落，影响电池的使用寿命。

2.4 分段恒流充电

分段恒流充电方式，分别分析了在2阶段、3阶段、4阶段和6阶段充放电方式下电的表现形式

（1）2阶段充电，电池的第1阶段电流的大小对电池的影响比较大。电流过大，电池的内部损伤严重，容量下降比较快；电流过小，充电时间太长。

（2）3阶段充电，最初的工作电流只要在电池可接受的范围内，电流值为30A或60A对电池的损伤差别都不太明显。

（3）多阶段充电，4阶段和6阶段充电效率和电池寿命都没有明显的变化。对电池采用不同的充放电方式进行了温度的采集，最终提出了dv/dt和dT/dt双控制标准，使电池的充放电寿命提高20%，同时在短时间内可以完成80%的容量。利用蚁群算法对5阶段恒流充电方法的每步电流值进行优化分析。在2.5～0.5C之间进行随机匹配，根据蚁群算法的加权分析找出最佳的工作流程。采用这种方法，电池在前30min内充入70%的容量，同时延长了电池20%的使用寿命。利用连续正交算法优化5阶段充电电流值大小，确定出最佳的充电电流的配比。

2.5 恒压充电

在恒压充电过程中，充电电源的电压在整个充电过程中保持恒定，随着动力电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减小。当电流达到设定值时，标志电池的充电结束。该种充电方式可以有效避免电池发生过充的问题，防止电池内部发生不可逆的副反应，使电池的使用寿命得到延长。但是起初电流过大，易造成电池晶格坍塌、電池极柱破裂和粉化。电池在恒流（CC）和恒压（CV）两种充放电方式下的不同特性，从电池的容量和充电时间两方面进行对比，指出电池采用恒压充电可有效节省充电时间，但容量损伤比较大。

2.6 恒流恒压充电

在对电池进行充电的过程中，首先采用设定好的固定电流对电池进行充电，当电池的电压达到预先设定值时，转为恒压充电，直至充电电流达到预定值，充电过程结束。该方法结合了恒流（CC）和恒压（CV）两种充电方式的优点，克服了恒流充电易过充和充电不足的问题，避免了恒压充电初期电流过高对电池的损伤，操作也比较简单（以图2为例）。

电池在恒流恒压充电过程中，还受到温度、充电终止电压和充放电倍率等参数的影响。通过加速寿命试验得到电池衰减的量化数据，为电池在这种充电模式下确定最佳的工作温度和充电倍率提供了相应的依据。在进行恒流恒压充电时增设了电流电压传感器，利用采集到的数值作为反馈，预测出电池目前的健康状态和？SOC？值，进而调整充电电流或者电压的设定值。

对电池进行恒流充电，此阶段SOC随时间呈线性增长，直到其电压达到预先设定的上限，然后进入恒压充电阶段，恒压阶段电流达到设定值时，认为电池充满，充电过程结束。当充电前电池电压过低时，在前还有一个预充电过程，即采用小电流对电池进行恢复性充电，当电池电压达到3V左右时，可承受大电流充电。

3.锂离子动力电池的安全隐患及保护措施

3.1 锂离子动力电池安全隐患

锂离子动力电池安全隐患主要来源于三个方面即：锂离子电池的设计方面、材料方面以及制造工艺方面。

3.1.1 锂离子电池的设计方面

由于动力电池能量密度很高，如果发生热失控反应，放出的很高的热量容易导致不安全行为发生；此外，锂离子电池由于采用有机电解质体系，有机溶剂是碳氢化合物，在4.6V左右易发生氧化，并溶剂易燃，若出现泄露等情况，会引起电池着火，甚至燃烧、爆炸；还有锂离子电池过充电反应会是正极材料结构发生变化而使材料具有很强的氧化作用，使电解液中溶剂发生强烈氧化，并且这种作用是不可逆的，反应引发的热量如果积累会存在引发热失控的危险。因此，电池设计对安全性有很大的影响，要获得可靠性与安全性好的锂离子动力电池，设计时必须考虑时效性，尤其应考虑电池在使用后期的安全性。

3.1.2 锂离子动力电池材料方面

一般而言，电池材料的热稳定性是锂离子动力电池安全性的重要因素。这主要与电池材料的热活性有关，当电池温度升高时，电池内部会发生许多放热反应，如果产生的热量超过了热量的散失，就会发生热溢溃。

3.1.3 锂离子动力电池制造工艺方面

锂离子电池的制造工艺分为液态和聚合物锂离子电池的制造工艺，无论是什么结构的锂离子电池，电极制造、电池装配等制造过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。

3.2 锂离子电池使用安全保护

对于锂离子动力电池，无论单体容量高低，必然采用电池的组合应用，如果不能精确控制，对某个单体来说，无异于滥用。锂离子电池在实际应用中为了提高安全性，目前已经具有成熟的保护电路系统。包括过充电保护、过放电保护、过电流及短路保护等。本文在传统保护电路的基础提出主动预防控制管理研究，保护系统依据所测的参数进行逻辑判断，参数包括：单体之间压差、温度差、放电时电压下降率、温度变化率、甚至电池的形变量等，通过项目前期大数据分析，建立合理的判断条件，发现问题及时采取措施进行控制，避免不良反应进一步发展，保证蓄电池组的安全性。主动预防控制管理可采用分布式管理系统（BMU+多个LMU方式）将电池模组的功能独立分离，整个系统形成了单体管理单元（LMU）和电池管理单元（BMU）两个网络的形式，将各个模块的信息整合发送给BMU，由BMU进行逻辑控制，判断支路是否接入动力母线或采用哪一支路进行工作。

结语

随着电池体系的发展，锂离子动力电池设计、材料、生产工艺不断完善，并且利用正确的方法对组合电池产品进行充电与安全保护，增加主动预防控制管理更进一步避免不安全因素的发生，延长锂离子动力电池的使用寿命，促进锂离子动力电池健康可持续发展。