四种高电压锂离子电池组的充电方法比较

摘要：本文介绍了高电压锂离子电池组的四种充电方法，并进行了优缺点的比较。
   　　关键词：高电压；锂离子电池组；串联充电；并联充电
   　　Abstract: Four charge techniques of high voltage lithium ion battery packs were introduced in this paper, and their advantages and drawbacks were compared.
   　　Key words: high voltage; lithium ion battery pack; series charging; parallel charging
   　　锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是一种理想电源。在实际使用中，为了获得更高的放电电压，一般将至少两只单体锂离子电池串联组成锂离子电池组使用。目前，锂离子电池组已经广泛应用于笔记本电脑、电动自行车和备用电源等多种领域。
   　　因此如何在充电时将锂离子电池组使用好显得尤为关键，现将锂离子电池组常用的几种充电方法以及本人认为的最适合的充电方法试述如下：
   　　1 普通的串联充电
   　　目前锂离子电池组的充电一般都采用串联充电，这主要是因为串联充电方法结构简单、成本低、较容易实现。但由于单体锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，在对锂离子电池组串联充电时，电池组中容量最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，如果继续串联充电，则已充满电的单体锂离子电池就可能会被过充电。
   　　而锂离子电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害，因此，为了防止出现单体锂离子电池过充电，锂离子电池组使用时一般配有电池管理系统（Battery Management System，简称BMS），通过电池管理系统对每一只单体锂离子电池进行过充电等保护。串联充电时，如果有一只单体锂离子电池的电压达到过充保护电压，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，停止充电，以防止这只单体电池被过充电，而这样会造成其他锂离子电池无法充满电。
   　　经过多年的发展，磷酸铁锂动力电池由于具有较高的安全性、很好的循环性能等优势，已经基本能满足电动车特别是纯电动轿车的要求，工艺上也基本具备了大规模生产的条件。然而，磷酸铁锂电池的性能与其他锂离子电池存在着一定的差异，特别是其电压特征与锰酸锂电池、钴酸锂电池等不同。以下是磷酸铁锂与锰酸锂两种锂离子电池的充电曲线与锂离子脱嵌对应关系的比较：
   
   
   
  
图1 锰酸锂电池锂离子脱嵌与充电曲线对应关系
   
   
   
  
图2 磷酸铁锂电池锂离子脱嵌与充电曲线对应关系
   　　从上图的曲线不难看出，磷酸铁锂电池在快充满电时，锂离子几乎完全从正极脱嵌到负极，电池端电压会快速上升，出现充电曲线的上翘现象，这样会导致电池很容易达到过充电保护电压。因此磷酸铁锂电池组中某些电池充不满电的现象相对锰酸锂电池组而言会更为明显。
   　　另外，虽然有些电池管理系统带有均衡功能，但由于从成本、散热、可靠性等多方面考虑，电池管理系统的均衡电流一般远小于串联充电的电流，因此均衡效果不是很明显，也会出现某些单体电池充不满电的情况，这对于需要大电流充电的锂离子电池组，例如电动汽车用的锂离子电池组而言则更为明显。
   　　例如，将100只放电容量都为100Ah的锂离子电池串联起来组成电池组，但如果成组前其中99只单体锂离子电池荷电80Ah，另外1只单体锂离子电池荷电100Ah，将此电池组进行串联充电时，其中荷电100Ah的那只单体锂离子电池会先充满电，从而达到过充保护电压，为了防止这只单体锂离子电池被过充电，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，也就使得其他99只电池无法充满电，从而整个电池组放电容量也就只有80Ah。
   　　一般电池厂家出厂时测试容量时是将单体电池先恒流充电再恒压充电，然后恒流放电从而测出放电容量。一般放电容量约等于恒流充电容量加上恒压充电容量。而实际电池组串联充电过程中对单体电池而言一般没有恒压充电过程，所以恒压充电容量就会没有，电池组容量就会小于单体电池容量。而一般充电电流越小，恒压充电容量比例越小，电池组损失容量越小，因此又发展出了电池管理系统和充电机协调配合串联充电的模式。
   　　2 电池管理系统和充电机协调配合串联充电
   　　电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备，所以将电池管理系统和充电机之间建立联系，就能使充电机实时地了解电池的信息，从而更有效地解决电池的充电时产生一些的问题，其原理图如下。
   
   
  
图3 动力锂电池系统集成方案
   
   
  
图4 锂离子蓄电池系统基础体系
   
    图5 BMS和充电机协调配合串联充电示意简图
   　　电池管理系统和充电机协调配合充电模式的原理为：电池管理系统通过对电池的当前状态（如温度、单体电池电压、电池工作电流、一致性以及温升等）进行监控，并利用这些参数对当前电池的最大允许充电电流进行估算；充电过程中，通过通信线将电池管理系统和充电机联系起来，实现数据的共享。电池管理系统将总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压、最高允许单体电池电压以及最大允许充电电流等参数实时地传送到充电机，充电机就能根据电池管理系统提供的信息改变自己的充电策略和输出电流。
   　　当电池管理系统提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时，充电机按照设计的最大输出电流充电；当电池的电压、温度超限时，电池管理系统能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出；当充电电流大于最大允许充电电流时，充电机开始跟随最大允许充电电流，这样就有效地防止了电池过充电，达到延长电池寿命的目的。充电过程中一旦出现故障，电池管理系统可以将最大允许充电电流设为0，迫使充电机停机，避免发生事故，保障充电的安全。
   　　在该充电模式下，既完善了电池管理系统的管理和控制功能，又能使充电机根据电池的状态，实时地改变输出电流，达到防止电池组中所有电池发生过充电以及优化充电的目的，电池组的实际放电容量也要大于普通的串联充电方法，但是这种方法还是解决不了电池组中某些电池充不满电的问题，特别是当电池组串数多、电池一致性差、充电电流较大时。
   　　3 并联充电
　
　　为了解决电池组中某些单体电池过充和充不满电的问题，又发展出了并联充电的办法，其原理图如下。
   
   
  图6 并联充电示意简图
   
   　　但是并联充电方法需要采用多个低电压、大电流的充电电源为每一只单体电池充电，存在充电电源成本高、可靠性低、充电效率低、连接线径粗等缺陷，因此目前没有大范围使用这种充电方法。
   　　4 串联大电流充电加小电流并联充电
   　　由于上述三种充电方法都存在一定的问题，本人发展出一种最适合高电压电池组，特别是电动汽车电池组的充电方法，即采用电池管理系统和充电机协调配合串联大电流充电加恒压限流的并联小电流充电的模式，原理图见下。
   
   
    图7 电池管理系统和充电机协调配合串联充电加并联充电示意简图
   此充电方法有如下特点：
   　　（1）由于此系统的BMS具有防止过充电的功能，从而保证电池不会出现过充电的问题。当然如果BMS不能与并联充电电源进行通信和控制，由于并联充电电源的恒压值一般与锂离子电池组中单体锂离子电池充满电时的电压值相同，所以也不会出现过充电的问题。
   　　（2）由于可以进行并联充电所以不需要可靠性低，成本相对较高的均衡电路，并且充电效果要好于只带均衡电路的串联充电方法，并且其维护管理也简便易行。
   　　（3）由于串联充电的最大电流远大于并联充电的电流（一般5倍以上），从而可以保证在较短的时间充进去较高的容量，从而发挥出串联充电的最大效果。
   　　（4）充电时串联充电与并联充电的顺序以及并联充电电源的数量可以灵活掌握，可以同时进行充电；可以串联充电结束后再进行并联充电；也可以用一个并联充电电源根据电池组中电压的情况给电压最低的电池进行轮流充电。
   　　（5）随着技术的发展，并联充电电源可以为非接触性充电电源（无线充电电源）或太阳能电池电源，从而使并联充电变得简单。
   　　（6）当锂离子电池组中单体锂离子电池数目较多时，可以将锂离子电池组分成数个锂离子电池组模块，对每个锂离子电池组模块采用BMS和充电机协调配合串联大电流充电与恒压限流的并联小电流充电相结合的方式进行充电。
   　　其主要目的是减少电池组中串联电池数量较多时，单体电池之间一致性相对更差，从而导致BMS和充电机协调配合的充电方法的充电效果差的缺点，以便发挥出BMS和充电机协调配合充电模式的最大效果。
   　　这种方法特别适合高电压电池组是由可快速更换的低电压（例如48V）电池模块系统组成的电池系统，这样就可以在电池更换站或充电站进行并联充电或修复（一般的用户平时充电时可以不用并联充电），并由专人根据实际情况进行分选和重新配组。
   　　总之，这种采用电池管理系统和充电机协调配合串联大电流充电加恒压限流的并联小电流充电的充电方法可有效解决锂离子电池组串联充电易出现的过充电、充不满电等问题，且可避免并联充电的充电电源成本高、可靠性低、充电效率低、连接线径粗等问题，是目前最适合高电压电池组，特别是电动汽车电池组的充电方法。