蓄电池充电器调研资料综述Word下载.docx

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一般锂离子电池的负极山碳（C）材料构成，正极由锂金属氧化物（LiM02）构成，主要的化学反应如下：

对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能也会有所区别。

负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。

其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电压）、高容量和可恢复的优点，被广泛采用。

正极材料中，主要以锂金属氧化物为主目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO，）、锂镍氧化物（LiNiO：

），锂锰氧化物（LiMn：

O。

）以及纳米锰氧化物。

2.2锂离子电池充放电特性

2.2.1充电终止电压与电池容量和寿命的关系—避免过压

锂电池电池对充电终止电压的精度要求很高，误差不能超过额定值的1％。

终止电压过高，会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；

终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时问变短。

下图显示了充放电时电池电压随电池容量变化的关系，在4.1V时锂电池容量接近100％．

下图显示了充电终止电压对电池寿命的影响。

可以看到，充电终止电压越高，电池寿命越短，4.2V是充电曲线函数的拐点。

因此，结合充电终止电压对电池容量和电池寿命的影响，一般将充电终止电压设定在4.2V。

2.2.2充电电流对锂电池的影响—避免过充

充电电流方面，锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。

虽然某些电池充电率可达2C（C为电池的容量），但常用的充电率为0.5-1C。

在采用大电流对锂离子电池充电时，因充电过程中电池内部的电化学反应会产生热，因此有一定的能量损失，同时必须检测电池的温度以防过热损坏电池或产生爆炸。

此外对锂电池充电，若全部用恒定电流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电结束控制不当还会造成过充现象。

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。

过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；

过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

2.2.3放电电流对锂电池的影响—避免过放

放电方面，锂电池的最大放电电流一般被限制在2．3C左右。

更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。

同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。

在造成过放电（低于3．OV）时，还会造成电池的失效。

对于过放电的锂电池，在充电前需要进行预处理，即使用小电流充电，使电池内部被过放电的单元被激活。

在电池电压被充电至3．OV后再按正常方式充电通常将这一阶段的充电称为预充电。

锂电池的充电温度一般应该被限制在O℃-60℃范围。

电池温度过高会损坏电池并可能引起爆炸；

温度过低虽不会造成安全方面的问题，但很难将电池充满。

由于充电过程中，电池内部将有一部分热能产生，因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时停止充电以保证安全。

2.3锂离子电池性能参数指标

2.3.1电池内阻

电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。

有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。

电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。

内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。

电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。

2.3.2电池的容量

电池的容量有额定容量和实际容量之分。

锂离子电池规定在常温、恒流（1C）、恒压（4.2V）控制的充电条件下，充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所放出的电量为其额定容量。

电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。

容量单位：

mAh、Ah（1Ah=1000）。

2.3.3开路电压和工作电压

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。

一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。

通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。

在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。

锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。

2.3.4放电平台时间

放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电时间。

例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。

因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求，如果低于要求值，则会出现无法工作的情况。

所以放电平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。

2.3.5充放电倍率

充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，1C在数值上等于电池额定容量，通常以字母C表示。

如电池的标称额定容量为10Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推。

2.3.6自放电率

自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。

主要受电池的制造工艺、材料、储存条件等因素的影响。

是衡量电池性能的重要参数。

2.3.7充电效率和放电效率

充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。

主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率要低。

放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。

温度越低，放电效率越低。

2.4.8循环寿命

电池循环寿命是指电池容量下降到某一规定的值时，电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数。

锂离子电池GB规定，1C条件下电池循环500次后容量保持率在60%以上。

2.4锂离子电池充电方法

充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。

随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。

目前针对各种各样的可充电电池，存在的主要充电方法包括：

恒流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法、恒流恒压充电法、分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态充电法、变电流间歇／恒压充电法及变电压间歇充电法等。

这些充电方法根据各自特点，被运用在不同充电管理系统中。

2.4.1恒流充电（CC）

恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。

该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图所示。

这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。

但由于锂离子电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂离子电池的寿命。

2.4.2恒压充电法（CV）

在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时问里保持恒定的数值，随着锂离子电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

充电曲线如图所示。

从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂离子电池的寿命会造成很大影响。

与恒流充电一样，该方法操作简单，易于做到。

但在电池放电深度过深时，充电初期电流过大，容易对电池及电路造成损伤。

2.4.3恒压限流充电

该方法在恒压充电的基础上，通过在充电设备输出电压与电池之间增加限流元件（一般为电阻）来对充电电流进行调整。

充电初期，充电电流大，电阻上的压降也大，充电设备输出的电压损失也大，充电电流被限制在一定范围以内。

充电结束时，电流减小，充电设备输出的电压损失也小（如图所示）。

该方法克服了恒压模式下电流过大的缺点。

但由于增加了限流电阻，充电效率降低。

2.4.4恒流恒压充电法（CC／CV）

在CC／CV充电器中，充电通过恒定电流开始。

在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。

当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。

在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85％的容量。

在CV充电周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10C容量时，充电周期完成。

恒流恒压充电曲线如图所示。

2.4.5分级定电流充电法

分级定电流充电法与恒流恒压充电方法相似。

它根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充电过程划分为几个阶段，在不同的阶段采用不同的充电电流或电压，这种充电方法在恒流恒压充电方法的基础上，将充电过程进一步细划，可以达到保护电池和快速充电的目的，是目前运用最广泛的充电方法。

在锂离子电池充电管理中所采用的三阶段充电法，基本上就是这种方法在应用过程中的一种变体。

三阶段充电法将锂电池充电过程分为三个阶段，第一阶段为小电流充电阶段，主要起保护电池的作用；

第二阶段为恒流充电阶段，采用固定电流对电池充电以实现快速充电的目的：

第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满及防止过充电。

（如图所示）。

2.4.6脉冲充电方法

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。

脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。

当电池电压上升到充电终止电压Vcv后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。

在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。

每次充电时间为Tc后，然后关闭充电回路。

充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压Vcv；

当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。

电池电压恢复NVcv时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。

在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复NVcv的时间达到某个预设的值To为止，可以认为电池已接近充满，如图所示。

2.4.7定化学反应状态充电法

定化学反应状态充电是近几年提出来的充电方法。

采用这种方法充电，充电设备的闭环跟踪系统动态跟踪电池可接受的充电电流。

这样充电电流始终与电池可接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程在最佳状态下进行（图所示）。

这种充电方式具有充电效率高，充电时间短等优点。

但其电路系统较为复杂，造价高，不易实现。

2.4.8变电流间歇／定电压充电法

变电流间歇／定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方法。

该方法目前主要用于对铅酸蓄电池进行充电。

它们采用分级电流或电压对电池进行间歇式充电，以提高充电效率和速度。

2.4.9市场目前的锂电池充电方法

目前对锂电池仍然以恒流恒压的充电方法为主。

充电初期一般采用小电流对电池进行预处理，防止电池过放电带来的影响；

接着用大电流快速充电；

在电池电压达到额定充电终止电压时，转为恒压模式确保电池充满。

例如三阶段充电法，如图：

二．铅酸电池充电方法综述

铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。

但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。

影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。

研究发现：

电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

2.1铅酸电池介绍

铅酸蓄电池的组成原理

2.1.1蓄电池的组成

2.1.1.1正负极板

是由板栅和活性物质组成。

正极活性物质主要成份为二氧化铅，负极活性物质主要成份为海绵状铅。

2.1.1.2隔板：

是由PVC、PE塑料、微孔橡胶或玻璃纤维等制成，主要作用：

防止正负极板短路；

使电解液中正负离子顺利通过；

阻缓正负极板活性物质的脱落，防止正负极板因震动而损伤。

2.1.1.3电解液：

汽车蓄电池采用电解液密度为1.280±

0.01g/cm3（25℃）的稀硫酸。

电解液的作用：

参与正负极板的电化学反应；

传导电流。

2.1.1.4蓄电池的壳体（电池槽、盖）

是由PP塑料、橡胶等材料制成，是盛放正、负极板和电解液等的容器。

2.1.1.5其它：

蓄电池除上述主要部件外，还有连接条、端子、极柱、电眼等零部件。

2.1.2蓄电池的基本结构

正、负极板分别由汇流排并联，间隔参插在一起，且正、负极板由隔板隔开，组成一个单体电池。

铅酸电池的电动势为2V左右。

可由三或六个单体电池串联组成一个额定电压6V或12V的蓄电池。

2.1.3铅酸蓄电池工作原理

⏹放电：

H2SO4浓度下降，正极上的PbSO4增加，内阻增大，电解液密度下降。

⏹充电：

电解液密度增加，内阻减小，电池电压升高，充电后期由于水的电解，将有大量气泡产生。

⏹铅酸蓄电池的标称电压是2V，理论比能量是166.9Wh/kg，实际比能量为35～45Wh/kg

⏹铅酸蓄电池的电动势只与酸的浓度有关，与蓄电池中含有的铅、二氧化铅或硫酸铅的量无关；

正负极的稳定电势接近于它们的平衡电极电势，故电池的开路电压与电池的电动势接近.

上面公式中，硫酸密度在1.12—1.30之间。

2.2铅酸电池充电方法

2.2.1蓄电池充电理论基础

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图1最佳充电曲线

由图1可以看出：

初始充电电流很大，但是衰减很快。

主要原因是充电过程中产生了极化现象。

在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

蓄电池是可逆的。

其放电及充电的化学反应式如下：

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值现象，就是极化现象。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。

在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。

为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。

该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。

随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。

实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。

也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。

这种现象称为浓度极化。

3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

例如：

电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－e→Me＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－e→Me＋反应进行。

总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.2.2充电方法的研究

2.2.2.1常规充电法

常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。

其中最著名的就是“安培小时规则”：

充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。

实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。

这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。

一般来说，常规充电有以下3种。

2.2.2.1.1恒流充电法

恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

图2恒流充电曲线

2.2.2.1.2阶段充电法

此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

1）二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3所示。

首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。

一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

图3二阶段法曲线

2）三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。

当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。

这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。

2.2.2.1.3恒压充电法

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

用恒定电压快速充电，如图4所示。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

图4恒压充电法曲线

这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。

但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。

2.2.2.2快速充电技术

为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展。

下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。

这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。

2.2.2.2.1脉冲式充电法

这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图5所示。

充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率[5]。

图5脉冲式充电曲线

2.2.2.2.2REFLEXTM快速充电法

这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。

由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。

铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴[3]。

如图6所示，REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段[3]。

图6REFLEXTM快速充电法

2.2.2.2.3变电流间歇充电法

这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图7所示。

其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。

充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。

充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。

通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

图7变电流间歇充电曲线

2.2.2.2.4变电压间歇充电法

在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图8所示。

与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

图8变电压间歇充电曲线

比较图7和图8，可以看出：

图8更加符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，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[4]。

2.2.2.2.5变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法

综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。

脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：

1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；

2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

图9采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

图9波浪式间歇正负零脉冲快速充电

2.3博意