锂电池管理系统的研究与实现 — 锂电池的原理特性及剩余电量研究

1.1锂电池的工作原理

早期的锂电池直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积，并且产生腐蚀现象，大大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。为了解决这一问题，人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者从负极转移到正极。

锂离子电池的充放电工作过程是通过锂离子电池正负极中的嵌入和脱嵌来实现的，当电池充电时，正极释放出锂离子于电解质中，这个过程是脱嵌，负极从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入，当电池放电时发生与上述相反的过程，这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌过程好像摇椅一样摇来摇去，故有人称锂离子电池为"摇椅电池"。一般锂离子电池的负极由碳（C）材料构成，正极由锂金属氧化物（LiMO₂）构成，主要的化学反应为：



锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压平稳、贮存寿命长（相对其他的蓄电池）。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击（压）等滥用实验（ABUSE TEST），均无危险发生。锂离子电池与镍镉电池（Cd-Ni），镍氢电池（MH-Ni）电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比Cd-Ni电池优越；它的自放电率远比MH-Ni电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格比较高等。

1.2锂电池的充放电特性

蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：

（1）多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。

（2）非线性一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。

（3）复杂的电化学性即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。

作为给水下机器人提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对电池的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。

如果控制不当的话，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。

锂离子电池的标称电压为3.6V，充满电压为4.2V，对过充电和过放电都比较敏感。为了最大限度减少锂电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害，单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。

不同的电池可能具有不同的容量，同容量数值相同的电流值称为1C.锂电池在不同的电流下的充、放电特性会有不同，因此研究它的充、放电特性，使用正确的充、放电控制、保护方式对于其使用安全和提高使用寿命具有很大的理论和应用意义。

锂电池在充电时的特性如图：




锂电池在充电中具有如下的特性：

（1）在充电前半段，电压是逐渐上升的。

（2）在电压达到4.2V后，内阻变化，电压维持不变。

（3）整个过程中，电量不断增加。

（4）在接近充满时，充电电流会达到很小的值。

经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法：

（1）首先使用恒流进行充电，使电压基本达到4.2V.安全电流为小于0.8C.

（2）恒流阶段基本能达到电量的80%.

（3）转为恒压充电，电流逐渐减小。

（4）在电流达到较小的值（如0.05C ）时，电池达到充满状态。

这种恒流-恒压的充电方式能很好的到达电池的充满状态，并且不损害电池，已经成为锂电池的主要充电方式。但是在电池电压己经很低的情况下，电池内部的锂离子活性减弱，如果此时用比较大的电流充电，也有可能对电池有损害。如同人在剧烈运动前要进行必要的热身活动一样，锂离子的活性也要逐步激活。可以在电池低压段采用脉动方式，有效激活电池电压到3.0V以上，然后采用恒流-恒压的充电方式，有效的保护电池。

锂离子电池具有很好的负载能力，它在不同电流时的放电特性如图：



（1）最大可安全的提供3C的放电电流。

（2）不同的放电电流对电压和电量的影响不同，能够输出的有效电量也相差很大。

（3）放电到3V左右，电池电量已经基本输出完毕。

根据放电特性，本文将研究采用合适的放电管理和保护技术实现对参数的动态管理。2锂电池剩余容量的研究