锂离子电池充放电电路模型及其仿真

2017-05-16朱文杰黄辰

物联网技术 2017年4期

朱文杰+黄辰

摘要：锂离子电池具有体积小、重量轻、能量高、寿命长、可快速充电等优点。相较于其它类型的电池而言，具有明显优越的综合性能，竞争优势不可忽视。其特点决定了它需要性能完备的充电管理芯片。文中简单描述了锂离子电池的充放电模型，并对锂离子电池的充放电特性进行分析，讨论了充放电的特性曲线。

关键词：锂离子电池；充放电；模型；特性曲线

中图分类号：TM46；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-02

0 引言

目前锂电池被广泛应用在便携式设备中。在便携式应用中，一般采用容量相对不大的锂电池，以求在设备的便携性和工作时间之间取得一定的平衡。同样，作为设备内部锂电池管理系统，其体积和重量也应相应缩小。由于电池容量不大，管理系统相对简单，一般不涉及复杂的均衡等问题。因此，基于专用芯片在一定外围电路的配合下，能够实现锂电池的充放电管理和保护功能，完全满足便携式设备的需要，同时有效控制了设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。目前的芯片有的能够单独使用，实现充放电保护功能；也有的带微机控制接口，能够与处理设备协同工作，实现复杂功能。基于专用芯片的锂电池管理已成为便携式设备电池管理的最主要方式。

1 锂离子电池充放电模型

1.1 锂离子电池放电模型

锂离子电池的最终电压表达式见公式（1）：

其中，Vbatt为电池电压；E0为恒压源电压；K为极化电阻比例；Q为电池容量；it为电池的实际充电量；R为电池内阻；i为电池电流；A为指数区振幅；B为指数区时间反向比例；i*为过滤电流。按照公式（1）构建电池放电模型如图1所示。

1.2 锂离子电池充电模型

在充电模型中，极化电阻会一直增大直到电池达到充满状态，此时it=0，极化电阻会急剧增大。在充电模型中极化电阻为：

因此当it=0时极化电阻无意义。公式（2）在实际中并非完全正确。事实上，实验已经证明了极化电阻的变化也与百分之十的电池容量有关。所以此时极化电阻为：

充电模型中公式（1）就改为

此充放电模型在Battery中的封装如图2所示。

在图2（b）中，当i*<0时，即为充电模型，当i*>0时即为放电模型。

在图2（c）中，当电池类型不同时其模型输出也不同。铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池这3类电池的输出为exp（t），有exp（t）=B·|i（t）|· （-exp（t）+A·u（t））。当为充电模型时，u（t）=1，当为放电模型时，u（t）=0。

2 仿真