實時充電管理可以延長電池壽命嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-23 20:21
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通過利用測量SoC確定每個電池的真實狀態(tài)，不僅僅可以提供檢測臨近失效這種成熟的監(jiān)測架構(gòu)就能具備的功能；還可以設(shè)置其他功能和服務(wù)。
例如，電池組內(nèi)的單個電池的內(nèi)阻通常各不相同。隨著時間推移，這種狀態(tài)就會產(chǎn)生問題。SoC智能控制系統(tǒng)可以快速檢測這些單個電池，端電壓優(yōu)化系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移不能繼續(xù)充電的單個電池周圍的浮電流…
實時充電管理可以延長電池壽命：在端電壓相同的情況下，VRLA電池內(nèi)的浮充電流比富液電池內(nèi)的高。這可能加速陽極板腐蝕，降低電池的有效使用壽命，最多達(dá)30％。對一定比例使用壽命消除浮充可以降低這種不良效應(yīng)。不過這種對循環(huán)壽命的副作用也有一個好處，就是降低熱失控的發(fā)生率。
一種電池安裝模塊也可以提供整個壽命周期內(nèi)的端電壓和溫度記錄，以為制造商和用戶所用。
過度放電保護(hù)：這種裝置在充電器/UPS系統(tǒng)中很常見，尤其是電池監(jiān)測器，它們根據(jù)平均單個電池電壓終止放電以保護(hù)電池。不過，性能較差的電池的端電壓可能比電池平均電壓低很多，而且在其達(dá)到終止電壓以前，一直放電良好。因此開發(fā)了一種高精動態(tài)‘Time To Run（剩余運行時間）’算法，在任何單個電池即將耗盡時均會給出警告。
備用電池參數(shù)監(jiān)測必需盡可能詳盡，以便生成最能準(zhǔn)確體現(xiàn)電池狀態(tài)的結(jié)果。這不僅僅是一個技術(shù)問題，同時還是一個經(jīng)濟(jì)問題。避免在用電池失效是不可或缺的，不過過早更換尚未臨近壽命終期的電池是極端不合算的。除了測量每個電池的電壓、阻抗和放電性能，LEM還將監(jiān)測電池內(nèi)部溫度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)功能；這居于世界領(lǐng)先地位。目前LEM正在開發(fā)一種采用磁通門技術(shù)的浮充傳感器，其分辨率高于10mA，沒有或幾乎沒有溫度漂移，大電流放電后幾乎沒有剩磁，測量重復(fù)精度更高。集成這些高級特性，電池監(jiān)測器不再是價格昂貴的附加系統(tǒng)，而是極端合算的整體壽命管理系統(tǒng)。
所謂鋰離子電池是指分別用兩個能可逆地嵌入和脫嵌的鋰離子化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。鋰離子電池于20世紀(jì)90年代初由日本SONY公司率先研制成功并實現(xiàn)商品化。鋰離子電池作為一種高比能量、環(huán)保型的電源裝置而受到了全世界的關(guān)注，得到迅速開發(fā)和應(yīng)用。尤其在通信領(lǐng)域，鋰離子電池已逐步取代了鎘鎳和鎳氫電池而成為主要供電電源。理想的鋰離子電池，除了鋰離子在正負(fù)極之間嵌入和脫出外，不發(fā)生其他副反應(yīng)，不出現(xiàn)鋰離子的不可逆消耗。實際的鋰離子電池，每時每刻都有副反應(yīng)存在，也有活性物質(zhì)的不可逆消耗。由于大型鋰離子電池充放電電流大、體積大、散熱難，在充放電過程中容易導(dǎo)致電池升溫，使得鋰離子電池的循環(huán)壽命在一定程度上有所降低;加上出于安全方面的考慮使得作為動力電源的大型鋰離子電池的開發(fā)及應(yīng)用在很大程度上受到了限制(如作為車用動力電源)。本文針對大型鋰電池在常溫狀態(tài)下的循環(huán)性能和容量衰減情況進(jìn)行了研究，這些研究結(jié)果對鋰電池在常溫環(huán)境中的使用具有一定的參考價值。
例如，電池組內(nèi)的單個電池的內(nèi)阻通常各不相同。隨著時間推移，這種狀態(tài)就會產(chǎn)生問題。SoC智能控制系統(tǒng)可以快速檢測這些單個電池，端電壓優(yōu)化系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移不能繼續(xù)充電的單個電池周圍的浮電流…
實時充電管理可以延長電池壽命：在端電壓相同的情況下，VRLA電池內(nèi)的浮充電流比富液電池內(nèi)的高。這可能加速陽極板腐蝕，降低電池的有效使用壽命，最多達(dá)30％。對一定比例使用壽命消除浮充可以降低這種不良效應(yīng)。不過這種對循環(huán)壽命的副作用也有一個好處，就是降低熱失控的發(fā)生率。
一種電池安裝模塊也可以提供整個壽命周期內(nèi)的端電壓和溫度記錄，以為制造商和用戶所用。
過度放電保護(hù)：這種裝置在充電器/UPS系統(tǒng)中很常見，尤其是電池監(jiān)測器，它們根據(jù)平均單個電池電壓終止放電以保護(hù)電池。不過，性能較差的電池的端電壓可能比電池平均電壓低很多，而且在其達(dá)到終止電壓以前，一直放電良好。因此開發(fā)了一種高精動態(tài)‘Time To Run（剩余運行時間）’算法，在任何單個電池即將耗盡時均會給出警告。
備用電池參數(shù)監(jiān)測必需盡可能詳盡，以便生成最能準(zhǔn)確體現(xiàn)電池狀態(tài)的結(jié)果。這不僅僅是一個技術(shù)問題，同時還是一個經(jīng)濟(jì)問題。避免在用電池失效是不可或缺的，不過過早更換尚未臨近壽命終期的電池是極端不合算的。除了測量每個電池的電壓、阻抗和放電性能，LEM還將監(jiān)測電池內(nèi)部溫度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)功能；這居于世界領(lǐng)先地位。目前LEM正在開發(fā)一種采用磁通門技術(shù)的浮充傳感器，其分辨率高于10mA，沒有或幾乎沒有溫度漂移，大電流放電后幾乎沒有剩磁，測量重復(fù)精度更高。集成這些高級特性，電池監(jiān)測器不再是價格昂貴的附加系統(tǒng)，而是極端合算的整體壽命管理系統(tǒng)。
所謂鋰離子電池是指分別用兩個能可逆地嵌入和脫嵌的鋰離子化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。鋰離子電池于20世紀(jì)90年代初由日本SONY公司率先研制成功并實現(xiàn)商品化。鋰離子電池作為一種高比能量、環(huán)保型的電源裝置而受到了全世界的關(guān)注，得到迅速開發(fā)和應(yīng)用。尤其在通信領(lǐng)域，鋰離子電池已逐步取代了鎘鎳和鎳氫電池而成為主要供電電源。理想的鋰離子電池，除了鋰離子在正負(fù)極之間嵌入和脫出外，不發(fā)生其他副反應(yīng)，不出現(xiàn)鋰離子的不可逆消耗。實際的鋰離子電池，每時每刻都有副反應(yīng)存在，也有活性物質(zhì)的不可逆消耗。由于大型鋰離子電池充放電電流大、體積大、散熱難，在充放電過程中容易導(dǎo)致電池升溫，使得鋰離子電池的循環(huán)壽命在一定程度上有所降低;加上出于安全方面的考慮使得作為動力電源的大型鋰離子電池的開發(fā)及應(yīng)用在很大程度上受到了限制(如作為車用動力電源)。本文針對大型鋰電池在常溫狀態(tài)下的循環(huán)性能和容量衰減情況進(jìn)行了研究，這些研究結(jié)果對鋰電池在常溫環(huán)境中的使用具有一定的參考價值。
試驗
本試驗研究采用的蓄電池是自制LiCoO2體系80Ah聚合物鋰離子蓄電池。蓄電池在室溫狀態(tài)下進(jìn)行充放電循環(huán)測試，采用恒流恒壓充電制度(CC-CV)和恒流放電制度，充放電電壓范圍為3.0V～4.15V，首先以80A恒流充電至4.15V，轉(zhuǎn)4.15V恒壓充電至電流小于4A時停止，擱置10min，以80A恒流放電至3.0V，擱置10min，如此循環(huán)充放電500次。循環(huán)數(shù)據(jù)的采集在電池程控測試儀(LX-PCBT-188-5D)上進(jìn)行，環(huán)境溫度為12.2℃～22.9℃。
結(jié)果與討論
充電
充電特性曲線
蓄電池的充電特性曲線見圖1。
由圖1可以看出，第1次循環(huán)充電容量75.651Ah，恒流充電時間52分11秒，恒壓充電時間14分31秒，總充電時間1小時6分42秒。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，充電時間減少。
蓄電池的充電平臺在3.8V～4.15V，該階段充入容量達(dá)到總充電容量的80%以上。并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電壓上升速度加快，充電容量減少。
恒流充電容量占總充電容量的百分比
(1)1-100次循環(huán)
恒流充電容量占總充電容量的91.49%(均值)。恒壓充電容量占充電容量的8.51%(均值)。
(2)200-300次循環(huán)
恒流充電容量占總充電容量的90.98%(均值)。恒壓充電容量占充電容量的9.02%(均值)。
(3)400-500次循環(huán)
恒流充電容量占總充電容量的89.9%(均值)。恒壓充電容量占充電容量的10.1%(均值)。
恒流充電容量占總充電容量的百分率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系見圖2。
由以上數(shù)據(jù)和圖2可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，恒流充電容量占總充電容量的百分率平緩下降，則恒壓充電容量占總充電容量的百分率平緩上升。
放電曲線
蓄電池的放電特性曲線見圖3。
由圖3可以看出，蓄電池的放電平臺在4.1V～3.6V，該階段放電容量達(dá)到總放電容量的90%以上。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，蓄電池放電容量降低，且放電平臺降低。
階段1：涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時，先采用最大0.1C的恒定電流對電池進(jìn)行充電。
階段2：恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。恒流充電時的電流并不要求十分精確，準(zhǔn)恒定電流也可以。在線性充電器設(shè)計中，電流經(jīng)常隨著電池電壓的上升而上升，以盡量減輕傳輸晶體管上的 散熱問題。
大于1C的恒流充電并不會縮短整個充電周期時間，因此這種做法不可取。當(dāng)以更高電流充電時，由于電極反應(yīng)的過壓以及電池內(nèi)部阻抗上的電壓上升，電池電壓會更快速地上升。恒流充電階段會變短，但由于下面恒壓充電階段的時間會相應(yīng)增加，因此總的充電周期時間并不會縮短。
階段3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%。
階段4：充電終止——與鎳電池不同，并不建議對鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。這會使電池不穩(wěn)定，并且有可能導(dǎo)致突然的自動快速解體。
有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。
上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃)，那么充電會暫停。
鋰離子充電——系統(tǒng)注意事項
要快速可靠地完成充電過程需要一個高性能的充電系統(tǒng)。為實現(xiàn)可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：
輸入源
許多應(yīng)用都采用極廉價的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負(fù)載電流。
在美國標(biāo)準(zhǔn)的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS。假設(shè)額定輸入電壓為120VRMS，容差為+10%, −25%。充電器必須為電池提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：
VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD
REQ是次級繞組的電阻與初級繞組反射電阻(RP/a2)的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會使輸出電壓略有降低。
利用汽車適配器充電的應(yīng)用也會遇到類似的問題。汽車適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V。
