锂电池非恒流恒压充电控制方法

锂电池非恒流恒压充电控制方法

岑长岸

广东美的制冷设备有限公司

摘要：目前锂电池的主流充电方法恒压-恒流充电并没有很好的改善电池欠充的问题，而且充电初期充电电流值单一，并不能实现安全、快速、高效的充电。本设计提出一种非恒流-恒压充电方式，在充电前期根据电池不同的电压范围采用对应的充电电流，而在充电末期根据电池电压范围设计不同的恒压充电值，从而解决电池欠充问题，实现安全、快速、高效的充电。

关联词：恒压充电 恒流充电  锂电池

0 引言

电池放电后，用直流电按与放电电流相反的方向通过电池，使它恢复工作能力，这个过程称为电池充电。电池充电时，电池正极与电源正极相联，电池负极与电源负极相联，充电电源电压必须高于电池的总电动势。充电方式有恒电流充电和恒电压充电两种。

恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

恒压充电是充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

1 锂电池主流充电方法

锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。

恒流充电初期充电电流远小于动力电池可接受的充电电流，因而造成前期充电时间较长；在充电后期，充电电流又大于动力电池可接受的充电电流，造成电池温度急剧升高，影响电池寿命。恒压充电法也有其不足之处，主要表现在充电初期充电电流过大，很可能超过电池可接受的最大充电电流值，对电池的寿命造成不利影响，同时容易使电池极板弯曲，造成电池报废；然而在充电末期，又由于电池电动势的回升使充电电流非常的小，容易造成电池的欠充问题。

恒流恒压充电法避免了充电初期阶段充电电流过大以及充电末期易造成过充的缺点，但它并没有很好的改善欠充的问题，而且充电初期阶充电电流值单一，并不能实现 安全、快速、高效的充电。为此本文提出一种变恒流恒压充电控制方法。

2 变恒流恒压充电控制

非恒流-恒压充电方式，是在充电前期根据电池不同的电压范围采用对应的充电电流，而在充电末期根据电池电压采用对应充电电压，其充电控制曲线如下图1所示。

                  图1 变恒流-恒压充电曲线

锂电池充电初期(即涓流 充电 )，充电电流较小且保持不变即恒流充电阶段，随着充电的进行，电压逐渐上升，当上升到大电流充电范围时，充电器随即转入第二阶段即变恒流充电阶段，在这一阶段中，充电机根据电池的反馈信息，迅速的将充电电流调整到合适的值。电流的调整方式是从最初设定的最大电流值I1呈阶梯式逐渐减小，直到合适的充电电流值，充电电压保持逐渐上升，当电流值降到最小设定值时，充电机进入第三阶段即变恒压充电阶段，如图1所示充电电压略小于变恒流充电时的上限电压(U1f)，在这一阶段充电电压保持不变，充电电流逐渐减小，直到小于设定值I2f，充电机进行恒电流充电，充电电压略小于恒流充电时的上限电压(U2f)时，充电电压保持不变，充电电流逐渐减小，直到电流小于I1f，结束恒压充电。至此，整个充电过程结束。

3 实验过程与结果

整个充电装置包括充电控制模块、电池端电压采样模块和充电电流采样模块，锂电池模块。充电控制模块包括烧录于MCU的一种控制充电逻辑算法及数据存储模块等，电压采样模块用于实时采样连到充电装置上的电池两端电压，电流采样模块用于采样充电时充电回路的电流值。

充电控制模块采用BUCK降压式控制拓扑；电流电压采用电阻分压等方式直接进入MCU的AD采用口；锂电池采用采用18650 2.6Ah电芯，串并方式为6并8串，标称电压 29.6V/28.8V，电压范围为24V~33.6V，标称容量：15.6Ah。

MCU控制的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于28V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1A，电压升到28V后，进入标准充电过程。标准充电过程以设定电流进行恒流充电，恒流分为3个阶段（小于31V充电电流为15.6A，小于32V充电电流为11.7A，小于32.5V充电电流为7.8A），电池电压升到32.5V时，改为恒压充电，保持充电电压为 33V，当充电电流降到1A时，充电电压设为33.6V，当电流降到0.8A时，充电结束。

实验采用初始电压为27V的电池进行充电，应用传统的恒流恒压充电（充电电流为7.8A）,充电机显示充满时，耗时2小时16分钟，此时拨开充电机，用万用表量电池端电压为33.1V；采用本论文所提的变恒流恒压充电，充电电流等如上所述，充电机显示充满时，耗时1小时36分钟，此时拨开充电机，用万用表量电池端电压为33.5V。

4结论

不适当的充电策略不但会造成电池的损坏和寿命缩短等现象，同时会使电池充电时间过长和欠充问题。本文提出一种非恒流-恒压充电方式，在充电前期根据电池不同的电压范围采用对应的充电电流，而在充电末期根据电池电压范围设计不同的恒压充电值。从实验数据看，其充电时间比传统的恒流恒压充电方法有大幅减少，同时也很好解决了电池欠充问题，从而实现电池安全、快速、高效的充电。

参考文献

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【2】  白锦文, 谭奇特. 锂电池储能技术发展方向[J]. 光源与照明, 2021(12): 51-53.

【3】  陈锦鹏. 储能锂电池的充电与管理系统设计[D]. 哈尔滨工业大学, 2020.

【4】  聂俊飞, 赵彦裴, 秦安祥,等.铅酸电池三段式快速智能充电仿真设计[J]. 仪表技术,                             2016, 000(009):28-29,44.

作者简介：岑长岸（19801117），男，汉族，广东省阳江市阳东县，硕士学位，研究方向：新电力电子应用研究，供职单位：广东美的制冷设备有限公司。