锂电池高压充电发展研究

锂电池高压充电发展研究

王震昭,杨宇,蒙世玉,邵明硕,王红

（山东协和学院，山东 济南 250107）

[摘要]锂离子电池具有充放电快速、寿命长、功率密度大等优点，因而其逐渐占据能源市场的较大份额，并受到研究者们的广泛关注。本文针对便携式电子产品锂电池进行研究，讨论了六种常见的充电控制方式。

［关键词］锂离子电池 电流电压特性 控制方式 能源市场

1.引言

17世纪初，伏特发明了原始电池——不同金属作电极，电解质进行能量转换。此后200年间，随着电子产品的频繁使用，人们对高能量密度的要求，促使二次电池出现。在这个环境下，可充电性能更好的二次电池——铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池以及现在的锂电池应运而生。锂电池问世于20世纪70年代，可大致分为金属锂电池、合金锂电池、锂离子电池。金属锂电池和合金锂电池通常不可充电，因为它们循环性不好，容易在充电时短路。随着人们对便携、绿色可循环的追求，这两种锂电池逐渐被淘汰。锂离子电池因具有充电快、轻便、功率密度大及循环寿命较长的优良特性，被广泛应用于电子烟、手机、笔记本电脑等移动电子，电动自行车、电动汽车等混合交通工具，以及航空航天领域。目前，人们通常把锂离子电池简称为锂电池

锂离子电池按照正极材料可以分为：锰酸锂电池、钴酸锂电池、镍酸锂电池、磷酸铁锂电池等。其中钴酸锂和镍酸锂的热稳定性相对要低一些，但能量密度却相对高一点。离子电池的负极也是含锂的化合物，这样才保证了锂离子电池能够进行循环充放电。根据电解质的形态，锂离子电池又可以分为液态电解质锂电池、固态电解质锂电池。其中，固态电解质通常是聚合物，所以固态电解质锂电池也称聚合物锂电池。现在新能源汽车所使用的电池就是聚合物锂电池中的三元锂电池，包括镍钴锰酸锂电池（NCM）和镍钴铝酸锂电池（NCA）。在新能源汽车所使用的三元锂电池中，NCM占据了更大份额。

锂离子电池的量产和性能提高，离不开各国对锂离子电池进行广泛深入的研究。1990年，索尼公司率先研发出锂离子电池，第二年就将其产业化。尽管我国很早就开始研究锂离子电池，但在产业化进程上仍落后于日本。韩国及欧美一些国家在首次投产锂离子电池上也落后于日本，但现在已经逐渐追平，甚至在某些锂离子电池应用领域实现了反超。在2017年，麻省理工学院通过在磷酸铁锂电池正极表面生成纳米沟槽，极大地提高了电池的充放电速度；我国中科院也研究出一种柔性电池，并提高了电池的充放电性能；日本理化学研究所研发出超薄太阳能电池，其可应用于穿戴式设备：美国莱斯大学将沥青中多孔的碳制成电池阳极，实现了高达20mA/的电流密度。各国的研究表明，锂离子电池的充放电性能、电流密度是决定电池能否广泛应用的一大因素。然而，高性能的锂离子电池能否长期使用取决于电池充电器的设计。

2.发展趋势

早期的电池充电器是由工频变压器、整流桥和电容组成，其结构简单、耐用，但体积大、笨重。随后为适应不同的电池规格，万能充应运而生，并以其通用便携的优点迅速占领充电器市场。然而随着智能一体机的出现，以及电池容量的大幅提升，万能充被逐渐淘汰，快充充电器成为时代主流。在便携式电子产品日新月异的今天，电池充电管理芯片应用前景广阔、市场需求居高不下，其发展趋势为：

（1）高效率、高稳定性。近年来，随着电子产品的大量普及与电源管理技术的飞速发展，锂电池充电管理产品层出不穷，激烈的市场竞争要求各大厂商提高充电电路的稳定性能。效率的提高能减少充电电路发热，进而提高系统的稳定性。

（2）高精度、高集成度。由于锂电池对于电压电流等因素非常敏感，高精度的充电电压与充电电流有助于延长锂电池的使用寿命，这也符合绿色低碳的时代诉求。

（3）智能化。在当代社会，万物互联的理念日渐深入人心，电子产品的应用需求推动锂电池充电管理电路不断丰富自身的功能，譬如LED状态指示、输入适配器识别。

3.锂电池充电控制方式

常见的锂离子电池充电控制方式有恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电、间

歇充电、Ref1ex快速充电和智能充电等六种。

（1）恒流充电

恒流充电是指电流维持在恒定值的充电。是一种广泛采用的充电方法。蓄电池的初充电，运行中的蓄电池的容量检查，运行中的牵引蓄电池的充电以及蓄电池极板的化成充电，多采用恒流或分阶段恒流充电。此法的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间。

（2）恒压充电

恒压充电是指在充电过程中，保持电池电压恒定，电流会根据电池SOC自动

进行改变。如果恒压值设置得合适，一段时间后电池就会充满。

恒压充电方法具有控制简单、成本低等优点，其更接近最佳充电曲线,但其具有充电初期充电电流过大且极易损坏电池的缺点。因此，恒压充电法只适用在充电电源电压低而电流已经较大的时候。

（3）恒流恒压充电

恒流恒压充电适用于考虑到电池SOC低的时候，不能用大电流充电。恒流恒压充电方式采用先涓流，再快速恒流，最后恒压的三阶段式。

事实上，在恒流阶段完成时，电池容量可达到其额定值的85%左右，这对于大多数用户来说够用了。恒流恒压充电方法避免了恒压法初始时充电电流大的缺点，也克服了恒流法容易出现过充或者充电时间太长的问题，所以目前在锂电池充电中被广泛应用，但和恒流法、恒压法一样不能消除电池充电时的极化现象，对实际充电效果有所影响。

（4）间歇充电

间歇充电法分为变电流间歇充电和变电压间歇充电。其中，变电流间歇充电是由厦门大学陈体衔教授提出，其不同于恒流恒压充电之处在于将涓流、快速恒流阶段改为限压变电流间歇充电。

间歇充电法具有充电过程更快、充电时间更短等优点，但具有控制模式复杂、成本高等缺点。同时，间歇充电法也没有考虑初始时刻SOC小的电池不宜大电流充电的问题。因此，这种充电方式一般应用在大功率快充的场合。

（5）Ref1ex快速充电

Reflex快速充电方法，也叫“打嗝”充电或反射充电,由摩托罗拉公司提出。采用这种方法给单体锂电池充电，可使得充电时间缩短至40分钟，而充电过程中电池温度仅上升1.1℃，同时充电效率达到87.51%。

Ref1ex快充方法的优点是充电时间短，克服了电池极化的问题，但大电流放电会降低放电效率，严重缩短锂离子电池的循环寿命。

（6）智能充电

智能充电方法是比较先进的充电方法。智能充电方法是通过实时检查电池电压和电流变化，判断电池状态及其可接受电流，保证充电电流一直在最佳充电曲线附近，电池就能在析气很少的情况下快速充满。

智能充电方法具有充电快的优点，但是其和恒流充电一样会析气，且具有控制模块非常复杂、成本大等问题。

4.结语

近年来，由于环保观念发展及政策导向影响，新能源汽车市场规模迅速扩大这是推动锂电池行业快速发展的重要驱动因素，同时科技进步，各类消费类电子的快速更新换代及通信储能系统升级，都使得锂电池行业充满发展动力，因此其还有更广阔的研究前景。

5.参考文献

[1]张志刚,张涛,汤爱华,姚疆,蒋依汗.车用锂电池健康状态下快充方法研究综述[J].西南大学学报(自然科学版),2022,44(02):194-206.

[2]于仲安,熊莹燕.基于可重构电路的锂电池组充电均衡研究[J].汽车技术,2022(06):27-32.

作者简介：王震昭，男，物联网应用技术专业2020级。

指导老师：王红，女，副教授，研究方向：数据分析、嵌入式

[项目基金]2022年度山东协和学院实验室项目（绿色环保-锂电池高压充电IC的研究与设计，项目编号：2022SYKF13）；2020年度山东协和学院一流课程（线上线下混合式一流课程，课程名称：数字逻辑）