实时充电管理可以延长电池寿命吗？
来源：宝鄂实业
2019-06-23 20:21
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通过利用测量SoC确定每个电池的真实状态，不仅仅可以提供检测临近失效这种成熟的监测架构就能具备的功能；还可以设置其他功能和服务。
例如，电池组内的单个电池的内阻通常各不相同。随着时间推移，这种状态就会产生问题。SoC智能控制系统可以快速检测这些单个电池，端电压优化系统可以转移不能继续充电的单个电池周围的浮电流…
实时充电管理可以延长电池寿命：在端电压相同的情况下，VRLA电池内的浮充电流比富液电池内的高。这可能加速阳极板腐蚀，降低电池的有效使用寿命，最多达30％。对一定比例使用寿命消除浮充可以降低这种不良效应。不过这种对循环寿命的副作用也有一个好处，就是降低热失控的发生率。
一种电池安装模块也可以提供整个寿命周期内的端电压和温度记录，以为制造商和用户所用。
过度放电保护：这种装置在充电器/UPS系统中很常见，尤其是电池监测器，它们根据平均单个电池电压终止放电以保护电池。不过，性能较差的电池的端电压可能比电池平均电压低很多，而且在其达到终止电压以前，一直放电良好。因此开发了一种高精动态‘Time To Run（剩余运行时间）’算法，在任何单个电池即将耗尽时均会给出警告。
备用电池参数监测必需尽可能详尽，以便生成最能准确体现电池状态的结果。这不仅仅是一个技术问题，同时还是一个经济问题。避免在用电池失效是不可或缺的，不过过早更换尚未临近寿命终期的电池是极端不合算的。除了测量每个电池的电压、阻抗和放电性能，LEM还将监测电池内部温度设置为标准功能；这居于世界领先地位。目前LEM正在开发一种采用磁通门技术的浮充传感器，其分辨率高于10mA，没有或几乎没有温度漂移，大电流放电后几乎没有剩磁，测量重复精度更高。集成这些高级特性，电池监测器不再是价格昂贵的附加系统，而是极端合算的整体寿命管理系统。
所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌的锂离子化合物作为正负极构成的二次电池。锂离子电池于20世纪90年代初由日本SONY公司率先研制成功并实现商品化。锂离子电池作为一种高比能量、环保型的电源装置而受到了全世界的关注，得到迅速开发和应用。尤其在通信领域，锂离子电池已逐步取代了镉镍和镍氢电池而成为主要供电电源。理想的锂离子电池，除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池，每时每刻都有副反应存在，也有活性物质的不可逆消耗。由于大型锂离子电池充放电电流大、体积大、散热难，在充放电过程中容易导致电池升温，使得锂离子电池的循环寿命在一定程度上有所降低;加上出于安全方面的考虑使得作为动力电源的大型锂离子电池的开发及应用在很大程度上受到了限制(如作为车用动力电源)。本文针对大型锂电池在常温状态下的循环性能和容量衰减情况进行了研究，这些研究结果对锂电池在常温环境中的使用具有一定的参考价值。
例如，电池组内的单个电池的内阻通常各不相同。随着时间推移，这种状态就会产生问题。SoC智能控制系统可以快速检测这些单个电池，端电压优化系统可以转移不能继续充电的单个电池周围的浮电流…
实时充电管理可以延长电池寿命：在端电压相同的情况下，VRLA电池内的浮充电流比富液电池内的高。这可能加速阳极板腐蚀，降低电池的有效使用寿命，最多达30％。对一定比例使用寿命消除浮充可以降低这种不良效应。不过这种对循环寿命的副作用也有一个好处，就是降低热失控的发生率。
一种电池安装模块也可以提供整个寿命周期内的端电压和温度记录，以为制造商和用户所用。
过度放电保护：这种装置在充电器/UPS系统中很常见，尤其是电池监测器，它们根据平均单个电池电压终止放电以保护电池。不过，性能较差的电池的端电压可能比电池平均电压低很多，而且在其达到终止电压以前，一直放电良好。因此开发了一种高精动态‘Time To Run（剩余运行时间）’算法，在任何单个电池即将耗尽时均会给出警告。
备用电池参数监测必需尽可能详尽，以便生成最能准确体现电池状态的结果。这不仅仅是一个技术问题，同时还是一个经济问题。避免在用电池失效是不可或缺的，不过过早更换尚未临近寿命终期的电池是极端不合算的。除了测量每个电池的电压、阻抗和放电性能，LEM还将监测电池内部温度设置为标准功能；这居于世界领先地位。目前LEM正在开发一种采用磁通门技术的浮充传感器，其分辨率高于10mA，没有或几乎没有温度漂移，大电流放电后几乎没有剩磁，测量重复精度更高。集成这些高级特性，电池监测器不再是价格昂贵的附加系统，而是极端合算的整体寿命管理系统。
所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌的锂离子化合物作为正负极构成的二次电池。锂离子电池于20世纪90年代初由日本SONY公司率先研制成功并实现商品化。锂离子电池作为一种高比能量、环保型的电源装置而受到了全世界的关注，得到迅速开发和应用。尤其在通信领域，锂离子电池已逐步取代了镉镍和镍氢电池而成为主要供电电源。理想的锂离子电池，除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池，每时每刻都有副反应存在，也有活性物质的不可逆消耗。由于大型锂离子电池充放电电流大、体积大、散热难，在充放电过程中容易导致电池升温，使得锂离子电池的循环寿命在一定程度上有所降低;加上出于安全方面的考虑使得作为动力电源的大型锂离子电池的开发及应用在很大程度上受到了限制(如作为车用动力电源)。本文针对大型锂电池在常温状态下的循环性能和容量衰减情况进行了研究，这些研究结果对锂电池在常温环境中的使用具有一定的参考价值。
试验
本试验研究采用的蓄电池是自制LiCoO2体系80Ah聚合物锂离子蓄电池。蓄电池在室温状态下进行充放电循环测试，采用恒流恒压充电制度(CC-CV)和恒流放电制度，充放电电压范围为3.0V～4.15V，首先以80A恒流充电至4.15V，转4.15V恒压充电至电流小于4A时停止，搁置10min，以80A恒流放电至3.0V，搁置10min，如此循环充放电500次。循环数据的采集在电池程控测试仪(LX-PCBT-188-5D)上进行，环境温度为12.2℃～22.9℃。
结果与讨论
充电
充电特性曲线
蓄电池的充电特性曲线见图1。
由图1可以看出，第1次循环充电容量75.651Ah，恒流充电时间52分11秒，恒压充电时间14分31秒，总充电时间1小时6分42秒。随着循环次数的增加，充电时间减少。
蓄电池的充电平台在3.8V～4.15V，该阶段充入容量达到总充电容量的80%以上。并且随着循环次数的增加，电压上升速度加快，充电容量减少。
恒流充电容量占总充电容量的百分比
(1)1-100次循环
恒流充电容量占总充电容量的91.49%(均值)。恒压充电容量占充电容量的8.51%(均值)。
(2)200-300次循环
恒流充电容量占总充电容量的90.98%(均值)。恒压充电容量占充电容量的9.02%(均值)。
(3)400-500次循环
恒流充电容量占总充电容量的89.9%(均值)。恒压充电容量占充电容量的10.1%(均值)。
恒流充电容量占总充电容量的百分率与循环次数关系见图2。
由以上数据和图2可以看出，随着循环次数的增加，恒流充电容量占总充电容量的百分率平缓下降，则恒压充电容量占总充电容量的百分率平缓上升。
放电曲线
蓄电池的放电特性曲线见图3。
由图3可以看出，蓄电池的放电平台在4.1V～3.6V，该阶段放电容量达到总放电容量的90%以上。随着循环次数的增加，蓄电池放电容量降低，且放电平台降低。
阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。
阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的 散热问题。
大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。
阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%。
阶段4：充电终止——与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。
有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。
上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停。
锂离子充电——系统注意事项
要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：
输入源
许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。
在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS。假设额定输入电压为120VRMS，容差为+10%, −25%。充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：
VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD
REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻(RP/a2)的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。
利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V。
