鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(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極中使用金屬鋰，容易在充電過程中產(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，嚴重時可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問題，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)移到負極或者從負極轉(zhuǎn)移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過程是通過鋰離子電池正負極中的嵌入和脫嵌來實現(xiàn)的，當(dāng)電池充電時，正極釋放出鋰離子于電解質(zhì)中，這個過程是脫嵌，負極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個過程是嵌入，當(dāng)電池放電時發(fā)生與上述相反的過程，這種充放電時鋰離子往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅一樣搖來搖去，故有人稱鋰離子電池為“搖椅電池”。一般鋰離子電池的負極由碳(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(相對其他的蓄電池)。從安全性來講，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)過過充、短路、穿刺、沖擊(壓)等濫用實驗(ABUSE TEST)，均無危險發(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，且無記憶效應(yīng)，遠比Cd-Ni電池優(yōu)越;它的自放電率遠比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護的角度看，世界環(huán)境保護組織早已把鎘(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題。當(dāng)然，鋰離子電池也有一些缺點，比如低溫放電率不高，電池的價格比較高等。

1.2鋰電池的充放電特性

蓄電池的充電過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，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，充電電流在充電過程中隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡單恒流或恒壓控制充電全過程。

(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。

作為給水下機器人提供動力的電池組，由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，其充放電過程也更為復(fù)雜，尤其是過充電和過放電會對電池的結(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，但對監(jiān)測系統(tǒng)也有更高的要求。

如果控制不當(dāng)?shù)脑?，不僅對電池的結(jié)構(gòu)會造成破壞，還會發(fā)生危險。

鋰離子電池的標稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對過充電和過放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰電池易受到的過充電、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、保護方式對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。