锂离子电池管理系统充电策略及其温度影响

刘红兵，郭　辉

(1.湖南科技大学，湖南湘潭411201；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001)

锂离子电池管理系统充电策略及其温度影响

刘红兵1,2，郭辉2

(1.湖南科技大学，湖南湘潭411201；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001)

对锂离子电池管理系统充电策略与温度的关系进行了研究。在介绍锂离子电池特性的前提下，对锂离子电池的保护方法进行了阐述。根据锂离子电池的保护方法，对其充电策略进行了阐述，并研究了温度对充电策略的影响，较好地阐释了锂离子电池管理系统中充电策略的选取和温度控制对锂离子电池保护的重要性，为具体电池管理系统的研究与开发提供了一定的理论基础和思路。

锂离子电池；电池管理系统；充电策略；温度影响

锂离子电池是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非电解质的可充电电池。根据阳极材料的不同，锂离子电池表现出不同的特性，最明显的电特性差异表现在公称电压的不同上，与之相应的充电终止电压与放电截止电压也不相同。锂作为电池材料具有很多的优点，同时也具有非常活跃的特性，极易燃烧，而燃烧带来的高温以及体积膨胀往往会造成灾难性的后果，因此，除了锂离子电池本身在制作、保存、运输、操作上要执行严格的规范外，充放电的管理及其策略的选取也极其重要，此外，温度在电池管理系统中的影响亦不可忽视。

1　锂离子电池的保护

锂离子电池在使用中最重要的是确保其不会被过度充电和放电。过度充电和放电对锂离子电池的影响是不可修复的，甚至是危险的，过度的充放电可能破坏其内部结构，燃烧或者爆炸都有可能发生，因此锂离子电池的保护非常重要。锂离子电池的保护电路主要是确保其不会过度的充放电，目前锂离子电池的保护主要采用立琦科技的RT9454，其功能主要是防止过流过压，实现过充过放保护，其保护电路如图1所示。

图1　锂离子电池保护电路

在保护电路中，由于存在寄生二极管的缘故，充电和放电的保护开关没办法仅用一个管子就可以实现双向保护，因此在电路中采用两个MOSFET Q1和Q2用于充电和放电时的保护开关，同时也可实现过流检测。当IC在开关两端检测到过大的电压降时，就会强制MOSFET进入截止状态，从而关闭流过电池的电流，起到保护电池的目的。由于电流侦测是通过MOSFET两端电压差的侦测来实现的，因此在选择MOSFET时，其导通电阻的参数同样至关重要。

过压和欠压状态的侦测是通过对VDD和VSS之间的电压侦测而完成的，大部分锂离子电池选择4.35和2.50 V作为过充保护电压和过放保护电压。

2　锂离子电池充电策略

2.1电池容量和循环寿命与充电截止电压的关系

图2是一种容量为950 mAh锂离子电池容量和循环寿命与充电截止电压的关系图。从图中可以看出，仅靠锂离子电池保护电路提供的4.35 V作为充电截止电压，那么它的初始容量是比较大的，但循环寿命极短，容量下降速度极快。

图2　锂离子电池容量和循环寿命与充电截止电压的关系图

2.2电池容量和循环寿命与放电电流的关系

图3是锂离子电池容量和循环寿命与放电电流的关系图。从图可以看出，对900 mAh锂离子电池，以1.0C的速率进行充电，500个循环后的容量大概是780 mAh，若单以2.0C的速率进行充电，500个循环后的容量大概是500 mAh。从图中曲线的变化趋势可以看出，随着充电速率的提升，其容量衰减的速率基本上是按指数递增。

图3　锂离子电池容量和循环寿命与放电电流的关系图

2.3锂离子电池充电策略

在充电过程中，在充电器施加外电场作用下，Li+从正极LiCoO2中脱出进入电解液并向负极移动，依次进入石墨组成的负极，在那儿形成LiC化合物。如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积，长大成树枝状的晶体，俗称枝晶。另一种情形是，随着负极的充满程度越来越高，LiC晶格留下的空格越来越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会也越来越少，所需时间越来越长，如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部Li+的堆积，因此，在充电的后半段，必须逐渐缩小充电电流，枝晶的长大最终会刺破正负极之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电速度越快越危险，充电截止电压越高越危险，充电的时间越长越危险。

基于对锂离子电池特性的理解，业界已经形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略：预充电、恒流充电、恒压充电。预充电的意义在于对电池状态进行调整，使之进入可以进行大电流充电的状态，恒流充电的作用是将电能快速地存储到电池中，恒压阶段则是最后的调整阶段，它使电池的容量最大化，但其进行过程是完全依照电池自身的需要进行的，不像恒流充电那样对电池具有强大的电场力，任何违背电池本身特性的行为，尤其是超过电池接受能力的过大电流或超过电池过充电压的操作都会对电池的寿命产生很大的影响，所以任何完善的管理方案都必须按照严格的规范来进行设计。

锂离子电池进行充电时的三阶段策略图如图4所示。

图4　锂离子电池进行充电时的三阶段策略图

预充电(Precharge)发生在电池电压比较低时，对于大多数锂离子电池来说，这个电压一般定义在2.9～3.0 V以下，此时的充电电流容许在C/10以下。恒流充电的电流一般设置在1C左右，在恒压充电阶段，充电电流将逐渐减小，电流减小一定值(通常是C/10)以后，这时电池已经充满，充电过程将截止。图4显示的最后一个阶段被称为补充阶段，它实际上是恒流阶段和恒压阶段的组合，是为了弥补电池自放电和其他与之相连的负载的消耗而造成的电容量下降，这样可以确保电池和充电设备分离式总处于尽可能充满电的状态。

3　电池所处温度对充电策略的影响

电池所处温度对充电策略具有重大影响。由于构成电池的材料在不同温度下的特性不同，电池的容量，合适的充电电压也会发生巨大的变化。图5为温度对锂离子电池容量和电压的影响。

图5　温度对锂离子电池容量和电压的影响

通常情况下，温度过低或者温度过高都应该禁止对锂离子电池充电，电池充电管理系统一般采用RT9503A来实现，其应用电路图如图6所示。图中虚线处将一个可变电阻与电池连在一起，这个可变电阻是热敏电阻，把它和电池放一起是为了表示测量的是电池本身的温度，在实际工作中，RT9503A

图6　RT9503A应用电路图

其次根据RT9528的内部电路框图，专门设有TEMPIN，同时将TEMPIN的信号输入一组比较器中，这些比较器会根据电压的高低给出比较结果，分别代表太热、热、冷、太冷。控制器会根据这些判断结果和预先制定的规格进行参数调整。

图7和图8分别具体显示出了温度由常温变冷、再变到太冷时充电电流的变化情况和温度由常温变热、再变到太热时充电电压的变化情况。

图7　温度由常温变冷、再变到太冷时充电电流的变化情况图

此外一些设计可以通过外部控制电路或者通讯接口命令以改变充电电流和电压。而有些器件则仅提供最基本的恒流和恒压输出，把所有的设定部分都开放给了硬件设计者，这对于构建完备的电池管理系统，具有积极的意义。

图8　温度由常温变热、再变到太热时充电电压的变化情况图

4　总结与结论

本文在介绍锂离子电池特性的前提下，对锂离子电池的保护方法进行了阐述，根据锂离子电池的保护方法，对其三阶段的充电策略进行详细的阐述，并研究了温度对充电策略的影响，较好地阐释了锂离子电池管理系统中充电策略的选取和温度控制对锂离子电池保护的重要性。此外，在现有IC条件下，开放硬件设定部分权限也给锂离子电池充电管理系统的开发提供了思考方向。

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Charging strategy of lithium-ion battery management system and its temperature effect

LIU Hong-bing1,2,GUO Hui2
(1.Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201,China;2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou Hunan 412001,China)

The relationship between the charging policies of lithium-ion battery management systems and charging policies and temperature were researched.Based on the introduction of lithium-ion battery characteristics,the lithium-ion battery protection methods were described.According to the lithium-ion battery protection method,its charging policies were introduced and the effect of temperature on charging policies was studied.The lithium-ion rechargeable battery management system strategy selection and temperature control importance of the lithium-ion battery protection was interpreted,providing a theoretical basis and ideas for research and specific battery management system.

lithium-ion battery;battery management system;charging policy;temperature

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1939-02

2016-03-05

刘红兵(1975—)，男，湖南省人，本科，副教授，主要研究方向为应用电子技术、控制工程等。