鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ― 鋰電池的原理特性及剩余電量研究

1.1鋰電池的工作原理

早期的鋰電池直接在負(fù)極中使用金屬鋰，容易在充電過(guò)程中產(chǎn)生鋰沉積，并且產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，大大縮短了電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重時(shí)可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問(wèn)題，人們開發(fā)出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負(fù)極中采用可以容納鋰離子的晶狀結(jié)構(gòu)活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極或者從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過(guò)程是通過(guò)鋰離子電池正負(fù)極中的嵌入和脫嵌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電池充電時(shí)，正極釋放出鋰離子于電解質(zhì)中，這個(gè)過(guò)程是脫嵌，負(fù)極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個(gè)過(guò)程是嵌入，當(dāng)電池放電時(shí)發(fā)生與上述相反的過(guò)程，這種充放電時(shí)鋰離子往返的嵌入和脫嵌過(guò)程好像搖椅一樣搖來(lái)?yè)u去，故有人稱鋰離子電池為“搖椅電池”。一般鋰離子電池的負(fù)極由碳(C)材料構(gòu)成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構(gòu)成，主要的化學(xué)反應(yīng)為：

鋰離子電池有許多優(yōu)越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長(zhǎng)(相對(duì)其他的蓄電池)。從安全性來(lái)講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經(jīng)過(guò)過(guò)充、短路、穿刺、沖擊(壓)等濫用實(shí)驗(yàn)(ABUSE TEST)，均無(wú)危險(xiǎn)發(fā)生。鋰離子電池與鎳鎘電池(Cd-Ni)，鎳氫電池(MH-Ni)電池一樣，可以快速充電，且無(wú)記憶效應(yīng)，遠(yuǎn)比Cd-Ni電池優(yōu)越;它的自放電率遠(yuǎn)比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護(hù)的角度看，世界環(huán)境保護(hù)組織早已把鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)三種元素列為有害物質(zhì)。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環(huán)境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問(wèn)題。當(dāng)然，鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)，比如低溫放電率不高，電池的價(jià)格比較高等。

1.2鋰電池的充放電特性

蓄電池的充電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過(guò)程，其復(fù)雜性表現(xiàn)為：

(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質(zhì)的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對(duì)蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

(2)非線性一般而言，充電電流在充電過(guò)程中隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡(jiǎn)單恒流或恒壓控制充電全過(guò)程。

(3)復(fù)雜的電化學(xué)性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時(shí)放電的歷史狀態(tài)不一樣，剩余電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給水下機(jī)器人提供動(dòng)力的電池組，由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，其充放電過(guò)程也更為復(fù)雜，尤其是過(guò)充電和過(guò)放電會(huì)對(duì)電池的結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術(shù)與傳統(tǒng)的電池技術(shù)相比有很大的性能優(yōu)勢(shì)，但對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有更高的要求。

如果控制不當(dāng)?shù)脑?，不僅對(duì)電池的結(jié)構(gòu)會(huì)造成破壞，還會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對(duì)過(guò)充電和過(guò)放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰電池易受到的過(guò)充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。

不同的電池可能具有不同的容量，同容量數(shù)值相同的電流值稱為1C.鋰電池在不同的電流下的充、放電特性會(huì)有不同，因此研究它的充、放電特性，使用正確的充、放電控制、保護(hù)方式對(duì)于其使用安全和提高使用壽命具有很大的理論和應(yīng)用意義。

鋰電池在充電時(shí)的特性如圖：

鋰電池在充電中具有如下的特性：

(1)在充電前半段，電壓是逐漸上升的。

(2)在電壓達(dá)到4.2V后，內(nèi)阻變化，電壓維持不變。

(3)整個(gè)過(guò)程中，電量不斷增加。

(4)在接近充滿時(shí)，充電電流會(huì)達(dá)到很小的值。

經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)找到了較好的充電控制方法：

(1)首先使用恒流進(jìn)行充電，使電壓基本達(dá)到4.2V.安全電流為小于0.8C.

(2)恒流階段基本能達(dá)到電量的80%.

(3)轉(zhuǎn)為恒壓充電，電流逐漸減小。

(4)在電流達(dá)到較小的值(如0.05C )時(shí)，電池達(dá)到充滿狀態(tài)。

這種恒流-恒壓的充電方式能很好的到達(dá)電池的充滿狀態(tài)，并且不損害電池，已經(jīng)成為鋰電池的主要充電方式。但是在電池電壓己經(jīng)很低的情況下，電池內(nèi)部的鋰離子活性減弱，如果此時(shí)用比較大的電流充電，也有可能對(duì)電池有損害。如同人在劇烈運(yùn)動(dòng)前要進(jìn)行必要的熱身活動(dòng)一樣，鋰離子的活性也要逐步激活。可以在電池低壓段采用脈動(dòng)方式，有效激活電池電壓到3.0V以上，然后采用恒流-恒壓的充電方式，有效的保護(hù)電池。

鋰離子電池具有很好的負(fù)載能力，它在不同電流時(shí)的放電特性如圖：

(1)最大可安全的提供3C的放電電流。

(2)不同的放電電流對(duì)電壓和電量的影響不同，能夠輸出的有效電量也相差很大。

(3)放電到3V左右，電池電量已經(jīng)基本輸出完畢。

根據(jù)放電特性，本文將研究采用合適的放電管理和保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)管理。2鋰電池剩余容量的研究

2.1影響電池剩余容量的因素

在電池的使用過(guò)程中電池容量受許多不確定因素的影響，因而如何根據(jù)可測(cè)的電池參數(shù)對(duì)現(xiàn)存電池容量狀態(tài)作出準(zhǔn)確的估算是一個(gè)難題。目前，國(guó)內(nèi)外較為普遍采用電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)作為電池容量狀態(tài)描述參數(shù)，反映電池的剩余容量，其數(shù)值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值：

式中：CQ是電池的剩余能量，0C為電池標(biāo)稱容量，即在規(guī)定電流和溫度下處于理想狀態(tài)時(shí)的所能放出的容量。通常把一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)100%，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)0% 。