锂离子电池充电（锂电池充电技术是门学问）

　　锂离子电池充电（锂电池充电技术是门学问）
　　二次锂电池具有单体输出电压高、循环寿命长、比能量大、体积小、自放电低、无记忆效应、无污染和工作温度范围宽等优点，被广泛地应用到各个领域。对于锂电池来说，充电方法对其性能影响很大，合理的充电方法可延长锂电池的寿命、提高充电效率。
　　本文分析了锂电池的各种充电方法，并在充电速度、使用寿命和实现成本上对各自的优缺点进行了比较，供大家参考交流。
　　一、理论基础
　　1972年美国科学家J.A.Mas提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线：I=I0e-αt，式中；I0为电池初始充电电流；α为充电接受率；t为充电时间。I0和α的值与电池类型、结构和新旧程度有关。
　　现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如图1所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量；如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。
　　图1 锂电池充电特性
　　二、充电方法
　　锂电池的充电方法有很多种，按充电效率可分为常规充电和快速充电。其中常规充电方法包括：恒流充电、恒压充电、阶段充电和间歇充电，而快速充电包括脉冲充电和Reflex充电，最后还对智能充电进行了分析。
　　1. 恒流充电
　　按充电电流的大小恒流充电又可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在整个充电过程中，一般采用调整电源充电电压或改变与电池串联的电阻值，来维持电池的充电电流大小不变。这种方法优点是控制简单，适用于对多个电池串联的电池组进行充电。缺点是锂电池的可接受充电的能力会随着充电的进行逐渐降低，在充电后期过大的充电电流会使电池内部产生气泡，对电池造成损坏。因此恒流充电，常常是作为阶段充电中的一个环节。
　　2. 恒压充电
　　恒压充电就是在整个充电过程中，充电电压保持恒定，充电电流的大小随着电池状态的变化自动调整。随着充电的进行，充电电流逐渐减小。与恒流充电相比，其充电过程更加接近最佳充电曲线，控制简单、成本低。缺点是充电时间较长，并且在充电初期电池充电电流过大，直接影响锂电池的寿命和使用质量。所以恒压充电方法很少单独使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。
　　3. 恒流恒压充电
　　如图2为恒流恒压充电曲线。在开始充电之前，首先检测电池电压，若电池电压低于门限电压（2.5V左右），则以C/10的小电流对电池进行涓充充电，使电池电压缓慢上升；当电池电压达到门限电压时，进入恒流充电，在此阶段以较大的电流(0.5C～1 C)强度对电池进行快速充电，电池电压上升较快，电池容量将达到其额定值的85%左右；在电池电压上升到上限电压（4.2V）后，电路切换到恒压充电模式，电池电压基本维持在4.2V，充电电流逐渐减小，充电速度变慢，这一阶段主要是保证电池充满，当充电电流降到0.1C 或 0.05C 时，即判定电池充满。
　　图2 恒流恒压充电曲线
　　恒流恒压充电避免了恒压充电开始时充电电流过大的问题，又克服了恒流充电后期容易出现过充的现象，结构简单，成本较低，目前在锂电池的充电方法被广泛使用。但它不能消除电池充电时的极化现象，影响充电效果。
　　4. 脉冲充电
　　如图3所示，为脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。
　　图3 脉冲充电曲线
　　在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，大部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压（4.2V）时，进入脉冲充电模式：用1C的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压（4.2V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。
　　在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。
　　C.K.Leong等研究的脉冲充电，每个充电周期持续大约1s，首先对电池进行正向充电，然后停充和反向放电各20～30ms。正向脉冲电流给电池充电，而负向脉冲电流减少气体从电极中析出，可对电池采用较大电流实现快速充电。
　　5. 间歇充电法
　　锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。
　　变电流间歇充电法
　　变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的，它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。如图4(a)所示，变电流间歇充电法的第一阶段（也是主要阶段），先采用较大电流值对电池充电，在电池电压达到截止电压V0时停止充电，此时电池电压急剧下降。
　　图4 间歇充电曲线
　　保持一段停充时间后，采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电，如此往复数次（一般约为3～4次）充电电流将减小设定的截止电流值。然后进入恒电压充电阶段，以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值，充电结束。变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下，采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流，即加快了充电过程，缩短了充电时间。但是这种充电模式电路比较复杂、造价高，一般只有在大功率快充时才考虑采用。
　　变电压间歇充电
　　在变电流间歇充电法的基础上，有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程，将间歇恒流换成间歇恒压。比较图4(a)和图4(b)，可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。在每个恒压充电阶段，由于电压恒定，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。
　　6. Reflex 快速充电法
　　Reflex快速充电方法，又被称为反射充电方法或＂打嗝＂充电方法。该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3个阶段。它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。
　　Sheng-Yuan Ou和Jen-Hung Tian对Reflex快速充电方法进行了研究，充电曲线如图5所示，在每个充电周期中，先采用2C的电流充电时间为10s的Tc，然后停充时间为0.5s的Tr1，反向放电时间为1s的Td，停充时间为0.5s的Tr2，每个充电循环时间为12s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。实验证明，这种充电方法可以使单体锂电池的充电时间提升到40min，电池温度仅仅升高1.1 ℃，充电效率达到87.51%。
　　图5 Reflex 充电曲线
　　7. 智能充电法
　　智能充电是目前较先进的充电方法，如图6(a)所示，其主要原理是应用du/dt和di/dt控制技术，通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。这样电池能在很少析气的状态下快速将电充满。
　　图6 智能充电
　　如图6(b)所示，将神经网络与模糊控制相结合，研究出了模糊神经网络控制器、神经网络模型，设计了智能充电控制系统。它既具有模糊控制器的善于表达人类的经验知识、推理能力强等特点，又具有神经网络控制器的直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特点。实验验证，智能充电法在充电过程中电压变化平稳，充电时间短，因此它作为模糊自适应控制方案中的一种，未来将受到愈来愈多的重视。
　　三、结束语
　　本文分析了锂电池的各种充电方法，根据J.A.Mas的理论,其存在一个最佳充电曲线,无限接近这条曲线时，充电速度最快、效率最高，超过这条曲线,电池将会受到损害。相对于恒流和恒压充电，智能充电和脉冲充电更好地运用J.A.Mas理论,集合了各种方法的优点,应用较为广泛。在充电过程中电池极化问题一直影响着充电效果，如果将来能消除电池极化，电池充电速度将会上一个新的台阶。