浅析大功率锂电池的充放电特点与控制*

张松青，李进波



浅析大功率锂电池的充放电特点与控制*

张松青，李进波

（河南工学院，河南 新乡 453003）

锂电池具备体积小、重量轻、可快速充电、能量高等优点，和其他类型电池相比，其拥有优越的综合性能，表现出极强的竞争优势。文章通过分析大功率锂电池的充放电特点，对大功率锂电池充电控制展开探讨，旨在为研究如何促进大功率锂电池的安全有序运行提供必要参考。

大功率锂电池；充放电特点；充放电控制

引言

现阶段，大功率锂电池在不间断电源、二次回路操作电源、电动汽车、电动自行车等领域得到了推广。其中，大功率锂电池在电动汽车上更是得到广泛应用，而锂电池的容量、功率则很大程度上影响着电动汽车的使用性能及使用寿命。性能越高的电动汽车对锂电池的要求越严苛，因为锂电池单体电池电压偏低，所以要求对多节锂电池予以串联、并联处理，以满足电动汽车较大功能的需求，通常情况下，需要串并联数十甚至数百节锂电池获得大功率电池，方可满足电动汽车使用要求。依托对大功率锂电池充放电设备的控制，可实现对锂电池信息的实时监测，进而对锂电池荷电状态开展分析，为电动汽车安全有序运行提供有力保障[1]。由此可见，对大功率锂电池的充放电特点与控制进行研究分析，具有十分重要的现实意义。

1 大功率锂电池的充放电特点

1.1 锂电池

蓄电池种类多种多样，自电解质层面而言，可将锂电池划分为液态锂电池、凝胶锂电池、全固态锂电池等类型；自正极材料层面而言，可将锂电池划分为磷酸铁锂电池、氧化锰锂电池、氧化镍锂电池等类型。伴随锂电池技术的不断发展及全球各国对节能减排的日益重视，作为环保的储能设备，近年来锂电池在诸多行业领域得到推广，诸如电动汽车、不间断电源、太阳能发电等。依托相应数量的锂电池串联、并联组合，便可组成锂电池组（包）。通常而言，方形结构的电池组，可运用立式结构或者卧式结构；而运用圆柱形结构的单体锂电池组，通常为立式结构。锂电池组主要由锂电池单体、电池组结构件、电池连接器件等组成，其中电池组结构件可实现支撑电池单体及散热功效，所以需要应用轻质、高强度及导热性佳的材料[2]。

1.2 大功率锂电池充电特点

锂电池对电压准确性提出了偏高的要求，倘若电压误差在1%以上便可能导致锂电池损坏。现阶段，常用的锂电池额定电压为3.7V，同时其充电终止电压为4.2V。近年来，市场上流通的锂电池主要采用的是恒流和恒压充电模式，充电时电流保持稳定，而充电起初阶段电压偏低，伴随充电时间的推进，电压波动通常不超过1%，充电电流不断减少，等到电流降低至相应水平时，便会转变为涓流充电模式。涓流充电模式，换而言之即为人们常说的维护充电，在这一充电模式下，充电设备会维持在特定速率下，逐渐为电池补充电荷，并直至将锂电池充满。

1.3 大功率锂电池放电特点

锂电池在放电过程中，电流不宜过大，倘若电流过大则会加大锂电池内部热量，进一步对锂电池带来不可逆的损坏。除此之外，锂电池电压不足放电终止电压时仍然保持放电状态，则会引发过放现象，进而造成锂电池出现损坏。在各式各样的放电状态下，锂电池电压变化也不尽相同。锂电池电压与放电率呈负相关关系。如果将锂电池放电速率控制在0.2C，则锂电池电能可能降低至2.75V，可放出额定电量；而如果将锂电池放电速率控制在1C，则其可释放出电池额定电量的98%[3]。

2 大功率锂电池的充放电控制

2.1 大功率锂电池充放电设备控制总体设计

图1 大功率锂电池充电整体结构示意图

首先，大功率锂电池充放电电路总体设计。充放电主电路通过二极管不控整流，紧接着由隔离的DC/DC变换器获取对应需求的充电电压，进而对锂电池进行充电，如图1所示。大功率锂电池放电过程中，依托Buck降压斩波器将电池电能通过电阻负载放电，进而通过发热以进行放电，如图2所示。

图2 大功率锂电池放电整体结构示意图

然后，大功率锂电池系统充放电设备控制结构设计。电池系统主电路硬件电路主要包括核心控制电路、采样电路、JTAG接口电路、PWM驱动电路等，如图3所示。其中，采样点路，指的是采集充电过程中的充电电流、充电电压、外电检测及放电过程中的放电电流、放电电压、环境温度[4]。

图3 大功率锂电池系统充放电控制结构示意图

2.2 大功率锂电池充放电控制软硬件设计

依托控制器STM32F103{能否调整为89C51单片机，如调整图1,2,3应相应变化}集成的各项功能，并结合本次研究设计大功率锂电池充放电主电路及不同模块接口电路，主要包括电源电路设计、复位电路设计、时钟电路设计、JTAG仿真器接口电路设计、信号采样电路设计、人机界面电路设计，IGBT器件使用，等等。为了进一步实现充电设备智能化，进行设计的策划工作，在硬件设计的同时，同步开展对应的软件设计，主要包括系统主程序设计、充电电路控制程序设计、AD采样DMA传输程序设计、通信程序设计、人机界面的监控等。

2.3 实验结果及分析

本次研究选取容量为16Ah的磷酸铁锂电池组，室温控制在20℃。锂电池先开展恒流恒压充电，等到电流不足0.033C时，意味着蓄电池已经充满，且SOC值为1。然后，将蓄电池以不同方式进行放电，记录蓄电池电压、温度等参数，并在各种电池模型基础上应用卡尔曼滤波法开展蓄电池SOC估算。经实验研究得出，蓄电池放电电流与蓄电池持续放电时间、蓄电池温度变化呈正相关关系。在应用卡尔曼滤波法开展SOC估算过程中，构建模型不同，则获取结果也不尽相同。在小电流持续放电过程中，以RC模型、Thevenin模型为前提的SOC估算结果差别较小，而在大电流持续放电过程中，以RC模型为前提的SOC估算则更为准确。在蓄电池不持续放电过程中，电流保持恒定放电。以RC模型、Thevenin模型为前提SOC估算，均存在一定的误差，当应用RC模型开展的估算更为可靠、准确。

3 结束语

总而言之，在倡导绿色低碳发展理念的当前时代背景下，应用绿色环保的能源是时代的大势所趋。相较于其他电池能源，锂电池表现出使用寿命长、无记忆效应、能量质量比高等优势，可在人们生活的方方面面得到广泛推广，并对现代产品生产有着十分重要的影响。本次充电设备的研究，为高电压、大电流电动汽车充放电设备研发打下了坚实的基础。今后锂电池将会进一步趋于小体积、轻重量及高能量密度。伴随对锂电池研究的不断深入，对锂电池一系列参数的了解势必会越来越精确，与之相应的新充放电方法及控制技术也会诞生，进而为人类社会发展做出更大的贡献。

[1] 陈锦棠.关于锂电池充放电特性分析和测试探讨[J].化工设计通讯, 2017, 43(02):136-136.

[2] 朱文杰,黄辰.锂离子电池充放电电路模型及其仿真[J].物联网技术,2017,07(04):64-65.

[3] 冯晶晶,肖华锋,谢少军.大功率锂电池的充放电管理器控制技术研究[J].信息化研究, 2009, 35(12):14-17.

[4] 杨宗霄,陈伟,李玉彬.锂电池组的两级均衡充放电控制策略[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2018,09(01):53-58.

Analysis on Charge and Discharge Characteristics and Control ofHigh Power Lithium Batteries

Zhang Songqing, Li Jinbo

（Henan Institute of Technology, Henan Xinxiang 453000）

Lithium battery has the advantages of small size, light weight, fast charging and high energy. Compared with other types of batteries, it has superior comprehensive performance and shows a strong competitive advantage. This paper analyzes the charging and discharging characteristics of high-power lithium batteries, and discusses the charging control of high-power lithium batteries. The purpose is to provide a necessary reference for studying how to promote the safe and orderly operation of high-power lithium batteries.

high-power lithium battery; charge and discharge characteristics; charge and discharge control

B

1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

B

1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

张松青（1966.1-），女，汉族，河南新乡人，本科，硕士，河南工学院，教授，研究方向：车辆工程、电动汽车。

李进波（1967.9-），男，汉族，河南新乡人，本科，河南工学院，高级工程师，研究方向：电子和机械产品。

河南省高等学校重点科研项目《电动客车便携式智能充电设备的研制》（项目编号：17A580005）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.013