小型电动无人机锂离子动力电池的充电策略浅析

焦永磊

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047）

小型电动无人机锂离子动力电池的充电策略浅析

焦永磊

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047）

回顾了锂离子电池的充电特性和相关理论研究。从充电过程角度对各种充电方法进行详细介绍，分析了它们对电池性能的影响，并对比了各种方法的优点和缺点，为锂离子动力电池充电在工程应用提供了较高的参考价值。

无人机；动力电池；充电

小型电动无人机由于其体积小、重量轻、机动灵活、成本低等特点，广泛应用于军事和民用方面。蓄电池是小型电动无人机飞行最为关键的系统之一，要满足电动无人机的苛刻性能：高比功率（起飞和爬升阶段要求）、高比能量（续航时间的要求）和高充放电效率（使用环境的要求）。锂离子电池因其具有超长寿命，自放电小，比能量高，无记忆效应，体积小质量轻[1]等诸多优点，成为小型电动无人机的首选动力电源。

锂离子电池在应用过程中的性能越来越受到关注和重视，其中充电技术是阻碍锂电池广泛应用的原因之一[2]。充电方式的差异会对电池性能产生很大的影响，而采用科学的充电方法不仅可以有效地降低电池性能的衰减，而且还能够延长其循环寿命。本文通过对国内外常用的锂离子电池充电方式的介绍，详细分析了各种充电方法对动力电池性能的影响。

1 锂电池充电特性

20世纪60年代，美国科学家Joseph A．Mas通过多次试验，获得了大量数据，并进行了处理分析，从而总结出了蓄电池的最佳充电曲线，该曲线如图1所示。

图1 蓄电池的最优充电曲线

蓄电池可以接受的充电电流I和充电时间t之间的关系为：

在上面的公式中，I表示在充电过程中某一时刻电池充电可以接受的电流；IO表示充电过程开始（t=0）时电池可以接受的最大的充电电流；a代表充电过程中电池可以接受电流的衰减常数，它和电池的状态以及结构有关。充电过程中锂离子电池存在以下特点：

（1）变量多

锂离子电池在进行充电时，它的性能受到电压大小、充电的电流大小、所处环境温度和充放电频率等一系列因素的影响。

（2）电化学性能复杂

相同型号的电池在充电进行过程中，不同工况都会影响锂离子电池的一些相关特性，如果发生过充的情况，会严重损坏其内部性能，将会直接对其电特性产生负面影响。

（3）非线性

在充电过程中，锂离子电池的伏安特性并不表现为线性变化，而是表现出指数变化趋势。

2 充电方法研究

2.1 恒流－恒压充电

当开始对锂离子电池充电时，首先使用设置好的恒定电流对其进行充电。当电压达到之前设定的数值时，将变换为恒压方式充电，当充电电流达到预定数值时，充电过程结束。这种方法综合了恒流充电和恒压充电这两种方式的优点，克服了恒流充电方式带来的充电过充和充电不足的缺点，进而避免了恒压充电初期由于电流过高对电池所造成的伤害。恒流-恒压充电是锂离子电池传统充电方法，充电曲线如图2所示。

图2 恒流恒压充电曲线图

2.2 脉冲式充电

脉冲式充电方法，在充电初期用电流I0对电池实行恒流充电。当充电电压第一次达到预先设定值Umax时，即终止恒流阶段，转换为脉冲充电。在该阶段，则是以恒定的电流I0对电池以间歇性的方式进行恒流充电。脉冲式充电，其优点是充电速度快、充电效率高。但其存在性价比很低、控制难度大，电池在较大脉冲电流值下易损伤。锂离子电池的脉冲式充电曲线如图3所示。

图3 脉冲充电曲线图

2.3 间歇变电流-恒压式充电法

采用间歇变电流-恒压充电方式给锂离子电池充电，充电初期所使用的是变电流间歇式充电。每当电池的电压达到截止电值压时，就会停止充电，这样能提高电池的充电量；每当进行到充电后期时，充电电流值变的很小，这时转换为恒压充电。间歇变电流-恒压充电方法具有能量效率高、析气量少，而且充电速度很快的优点。间歇变电流-恒压充电法，其充电曲线如图4所示。

图4 间歇变电流－恒压充电法充电曲线

2.4 分段式充电法

基于对锂离子电池特性的理解，行业内已经形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略：涓流充电、恒流充电、恒压充电[1]。其中涓流充电的作用是对电池状态进行调整，以便进入大电流充电状态。恒流充电的意义是将电能迅速储存到电池中，而恒压阶段则是最终的调整阶段，它能够让电池容量达到最大化，但这个过程是完全按照电池自身的需要所启动的。恒流充电会对电池产生强大的电场力，一旦发生任何有违电池自身特性的行为，特别是高于电池过充电压或超出电池承受能力的过大电流的操作都将对电池的寿命产生不良影响。锂离子电池的分阶段充电策略如图5所示。

图5锂离子电池的分阶段充电曲线

图5 中，涓流充电在电池电压比较低时进行，对多数锂离子电池来讲，电压值在2.9～3.0 V以下，这时的充电电流设置在C/10以下。恒流阶段的充电电流通常设定为1C上下。进入恒压充电阶段后，充电电流会慢慢减小，当减小到一定值(通常是C/10)之后，此时电池已达到充满状态，充电过程即将结束。图5中充电的最后一个阶段叫做浮充阶段，其本质是恒流阶段和恒压阶段的一种组合，目的是为了弥补电池由于自身放电原因，或者某些和它相连的负载产生消耗从而导致电容量下降的缺陷，采用这种方式能够有效地确保当电池和充电设施分离时总处于趋于满电状态。

2.5 各充电方法优点和缺点的对比

综合分析以上锂离子电池的不同充电方法，笔者认为，恒流恒压充电是传统的充电方式，而脉冲式充电、间歇变电流—恒压充电和分段式充电属于现代的快速充电方式，这几种方式各具优缺点。

恒流恒压充电方法对电池的伤害相对较小，不过随着其容量的衰减，在充电的过程中，电池的电压增加很快，极化电压就会表现的十分明显。这种模式主要表现为以恒压充电方式为主，耗费时间比较长，这不符合现代人们快速而紧凑的生活方式。

采用脉冲充电对锂离子电池进行充电，会发生短时间的放电或间歇，从而减小甚至消除电池内部存在的极化电压，使电池内部的离子浓度呈现均衡化趋势。这种方式优点是能够保证每次充电时，电池内部几乎都处在准平衡状态，从而有益于提高电池的充放电功率。缺点是充电的倍率大小或者倍率分布如果不合适，非但不能缩短充电时间，反而会快速衰减电池的使用寿命。

间歇变电流－恒压充电方式的优点是能量效率高，不会产生大量析气现象，充电速度也比较快。它的缺陷是造价高，控制硬件较为复杂，因此常用在大功率、快速充电的情况。

分段充电策略优点较多。首先，它比恒流充电方式安全，不会造成过充；其次，这种方式比现有其他充电方式效率更高；再者，分段充电比脉冲充电容易控制，而且它的可靠性更高。由此可见，分段式充电方法，不仅提高了电池充电效率，而且又避免电池因为过充而损坏，最后采取浮充的方式让电池满充，最大程度的利用了电池自身容量，延长了电池的使用周期，提高电池的工作寿命。采用这种方式，不仅能够实现锂离子电池充电的安全性、高效性，而且充电质量较为理想，具有广阔而优良的应用前景。

3 结束语

锂离子动力电池是当今和未来军用、民用市场上动力电池的首选技术产品。基于马斯的锂电池充电原理得知，锂离子电池有一条最佳的充电曲线，当充电过程最接近该曲线时，充电效果最佳。本文结合马斯原理，根据实际工程应用讨论了几种常见的充电方法，并对它们的优缺点进行了分析比较，由此寻求确保电池性能的最佳充电方式。选用最佳的充电方式对锂离子电池来讲至关重要，不仅可以提高充电效率，节约成本和时间，而且能够提高锂离子电池的功率和寿命，对动力锂离子电池在小型电动无人机领域的应用具有深远意义[3-6]。

[1]刘红兵，郭辉.锂离子电池管理系统充电策略及其温度影响[J].电源技术，2016（10）：1939-1940，1982.

[2]刘炎金，李新静等.锂离子动力电池的不同充电方式[J].电源技术，2015（9）：1846-1848.

[3]郭佩.锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究[J].安全与电磁兼容，2015（4）：41-42，47.

[4]刘真，刘以建等.基于DSP的锂电池充电式方式研究[J].通信电源技术，2016（33）：24-25.

[5]赵长辉，陈立玮.电动飞机技术进展[J].科技导报，2012，30（12）：62-70.

[6]杨紫光，叶芳，郭航，等.航天电源技术研究进展[J].化工进展，2012，31（06）：1231-1237.

Brief Analysis of Charging Strategy of Lithium on Power Battery for Electric-Powered Mini-UAV

JIAO Yong-lei
（The Twenty-seventh Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047，China）

Review on charging characteristics of lithium ion batteries and related theory.A detailed description of various charging methods from the perspective of the charging process，analyzes their influence on the performance of the battery，and compares their advantages and disadvantages，to provide the reference value for the engineering application of charging for lithium ion batteries.

UAV；power battery；charging

TM912.9

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0066-03

2017-02-11

焦永磊（1982-），男，河南新乡人，工程师，工学学士，主要研究方向为无人机电源电气。