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(fù)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(yán)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(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程是通過鋰離子電池正負(fù)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(fù)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(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(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(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(biāo)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(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。

鋰電池在充電時的特性如圖：

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)整個過程中，電量不斷增加。

(4)在接近充滿時，充電電流會達(dá)到很小的值。

經(jīng)過多年的研究，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，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，如果此時用比較大的電流充電，也有可能對電池有損害。如同人在劇烈運動前要進行必要的熱身活動一樣，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，有效的保護電池。

鋰離子電池具有很好的負(fù)載能力，它在不同電流時的放電特性如圖：

(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技術(shù)實現(xiàn)對參數(shù)的動態(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)可測的電池參數(shù)對現(xiàn)存電池容量狀態(tài)作出準(zhǔn)確的估算是一個難題。目前，國內(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% 。