鋰電池管理系統的研究與實現 ― 鋰電池的原理特性及剩餘電量研究

1.1鋰電池的工作原理

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175455.htm

早期的鋰電池直接在負極中使用金屬鋰，容易在充電過程中產生鋰沉積，並且產生腐蝕現象，大大縮短了電池的循環壽命，嚴重時可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問題，人們開發出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負極中採用可以容納鋰離子的晶狀結構活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉移到負極或者從負極轉移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過程是通過鋰離子電池正負極中的嵌入和脫嵌來實現的，當電池充電時，正極釋放出鋰離子於電解質中，這個過程是脫嵌，負極從電解質中吸入鋰離子，這個過程是嵌入，當電池放電時發生與上述相反的過程，這種充放電時鋰離子往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅一樣搖來搖去，故有人稱鋰離子電池為「搖椅電池」。一般鋰離子電池的負極由碳(C)材料構成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構成，主要的化學反應為：

鋰離子電池有許多優越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度範圍寬，工作電壓平穩、貯存壽命長(相對其他的蓄電池)。從安全性來講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是採取了控制措施後，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經過過充、短路、穿刺、衝擊(壓)等濫用實驗(ABUSE TEST)，均無危險發生。鋰離子電池與鎳鎘電池(Cd-Ni)，鎳氫電池(MH-Ni)電池一樣，可以快速充電，且無記憶效應，遠比Cd-Ni電池優越;它的自放電率遠比MH-Ni電池低。從環境保護的角度看，世界環境保護組織早已把鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)三種元素列為有害物質。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問題。當然，鋰離子電池也有一些缺點，比如低溫放電率不高，電池的價格比較高等。

1.2鋰電池的充放電特性

蓄電池的充電過程是一個複雜的電化學變化過程，其複雜性表現為：

(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質的濃度、極板活性物的狀態、充電環境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

(2)非線性一般而言，充電電流在充電過程中隨充電時間呈指數規律下降，不可能只用簡單恆流或恆壓控制充電全過程。

(3)複雜的電化學性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時放電的歷史狀態不一樣，剩餘電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給水下機器人提供動力的電池組，由於使用環境的複雜性，其充放電過程也更為複雜，尤其是過充電和過放電會對電池的結構造成不可恢復的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術與傳統的電池技術相比有很大的性能優勢，但對監測系統也有更高的要求。

如果控制不當的話，不僅對電池的結構會造成破壞，還會發生危險。

鋰離子電池的標稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對過充電和過放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰電池易受到的過充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。

不同的電池可能具有不同的容量，同容量數值相同的電流值稱為1C.鋰電池在不同的電流下的充、放電特性會有不同，因此研究它的充、放電特性，使用正確的充、放電控制、保護方式對於其使用安全和提高使用壽命具有很大的理論和應用意義。

鋰電池在充電時的特性如圖：

鋰電池在充電中具有如下的特性：

(1)在充電前半段，電壓是逐漸上升的。

(2)在電壓達到4.2V後，內阻變化，電壓維持不變。

(3)整個過程中，電量不斷增加。

(4)在接近充滿時，充電電流會達到很小的值。

經過多年的研究，已經找到了較好的充電控制方法：

(1)首先使用恆流進行充電，使電壓基本達到4.2V.安全電流為小於0.8C.

(2)恆流階段基本能達到電量的80%.

(3)轉為恆壓充電，電流逐漸減小。

(4)在電流達到較小的值(如0.05C )時，電池達到充滿狀態。

這種恆流-恆壓的充電方式能很好的到達電池的充滿狀態，並且不損害電池，已經成為鋰電池的主要充電方式。但是在電池電壓己經很低的情況下，電池內部的鋰離子活性減弱，如果此時用比較大的電流充電，也有可能對電池有損害。如同人在劇烈運動前要進行必要的熱身活動一樣，鋰離子的活性也要逐步激活。可以在電池低壓段採用脈動方式，有效激活電池電壓到3.0V以上，然後採用恆流-恆壓的充電方式，有效的保護電池。

鋰離子電池具有很好的負載能力，它在不同電流時的放電特性如圖：

(1)最大可安全的提供3C的放電電流。

(2)不同的放電電流對電壓和電量的影響不同，能夠輸出的有效電量也相差很大。

(3)放電到3V左右，電池電量已經基本輸出完畢。

根據放電特性，本文將研究採用合適的放電管理和保護技術實現對參數的動態管理。2鋰電池剩餘容量的研究

2.1影響電池剩餘容量的因素

在電池的使用過程中電池容量受許多不確定因素的影響，因而如何根據可測的電池參數對現存電池容量狀態作出準確的估算是一個難題。目前，國內外較為普遍採用電池的荷電狀態SOC(State of Charge)作為電池容量狀態描述參數，反映電池的剩餘容量，其數值定義為電池的剩餘容量佔電池容量的比值：

式中：CQ是電池的剩餘能量，0C為電池標稱容量，即在規定電流和溫度下處於理想狀態時的所能放出的容量。通常把一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態定義為荷電狀態100%，而將電池再不能放出能量的狀態定義為荷電狀態0% 。