鋰離子電池充電關鍵技術

用鋰離子電池替代鎘鎳、氫鎳電池不能套用簡單的“即插即用”方式，這是因為鋰離子電池與鎘鎳
、氫鎳電池有一個最大的不同點：鋰離子電池嚴禁過充電。因此，必須結合鋰離子電池特性設計新的充電管理電路。鋰離子電池充電管理電路關鍵點（與鎘鎳
、氫鎳電池充電管理電路主要不同點）主要包括兩方麵：充電方式和均衡充電。

在zai工gong程cheng應ying用yong中zhong，鋰li離li子zi電dian池chi單dan體ti或huo由you單dan電dian池chi並bing聯lian組zu成cheng的de電dian池chi模mo塊kuai必bi然ran要yao串chuan聯lian成cheng電dian池chi組zu
，故gu必bi須xu考kao慮lv充chong電dian過guo程cheng中zhong各ge電dian池chi單dan體ti或huo電dian池chi模mo塊kuai的de失shi衡heng現xian象xiang
，而er且qie隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi，這zhe種zhong失shi衡heng現xian象xiang會hui愈yu加jia嚴yan重zhong，嚴yan重zhong影ying響xiang電dian池chi壽shou命ming和he可ke靠kao性xing
，因yin此ci均jun衡heng充chong電dian也ye是shi鋰li離li子zi充chong電dian的de關guan鍵jian技ji術shu。

恒流-恒壓（TAPER）型充電控製

在采用鎘鎳、氫鎳電池的衛星電源係統中

，基本上都采用恒流充電方式，當達到V-T曲線、電子電量、壓力、disandianjidengkongzhifangshidekongzhidianshitingzhichongdian，wanchengyigechongdianguocheng。lilizidianchibushihecaiyongzhexiechongdiankongzhifangshi，yinweizhexiechongdianfangshibunengbaozhenglilizidianchidechongdianzhongyashizhongxiandingzaiguidingdefanweinei，jishichongdianzhongyayoubaozheng，wangwangshidaodachongdianzhongyahoulijitingzhichongdian，erlilizidianchizaidaodachongdianzhongyahourengranxuyaobuchong30%左右的電量。從鋰離子電池多年發展來看，恒流-恒壓充電控製是最普遍、zuishihecaiyongdechongdiankongzhifangshi。zaicifangshixia，chongdianqishouxianduililizidianchijinxinghengdingdianliuchongdian，zheshidianchidianyazhujiantaigao
，dangdianchidianyadadaoshedingzhishijinxinghengdingdianyachongdian，zheshichongdiandianliujinsizhishuguilvjianxiao，suoyizhezhongchongdianfangshiyechengweiTAPER型充電控製。

圖1：旁路式鋰離子電池充電控製電路　　

均衡充電技術

航(hang)天(tian)用(yong)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)，這(zhe)種(zhong)觀(guan)點(dian)在(zai)國(guo)內(nei)外(wai)已(yi)經(jing)得(de)到(dao)完(wan)全(quan)認(ren)同(tong)。均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)主(zhu)要(yao)解(jie)決(jue)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)長(chang)期(qi)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)偏(pian)差(cha)現(xian)象(xiang)，因(yin)此(ci)均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)方(fang)式(shi)的(de)優(you)劣(lie)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)、資金、人力投入才能得到有效驗證。

鋰離子電池均衡充電在民用產品中還沒有得到廣泛重視和應用

，因為多節單電池串聯的應用較少，可靠性、壽shou命ming要yao求qiu不bu高gao。在zai電dian動dong車che鋰li離li子zi電dian池chi係xi統tong中zhong，單dan電dian池chi串chuan聯lian的de節jie數shu較jiao多duo
，已yi經jing采cai用yong均jun衡heng充chong電dian技ji術shu，一yi般ban是shi采cai用yong單dan片pian機ji係xi統tong控kong製zhi並bing在zai單dan電dian池chi上shang的de分fen流liu電dian阻zu上shang實shi行xing通tong斷duan，從cong而er控kong製zhi單dan電dian池chi的de充chong電dian量liang。這zhe種zhong方fang法fa控kong製zhi複fu雜za、效率低、熱耗大、均衡時間長
，在早期的航天產品方案中移植了這種方法
，現在國內外的技術人員正在探討更加理想方案。

均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)的(de)意(yi)義(yi)就(jiu)是(shi)使(shi)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)電(dian)壓(ya)偏(pian)差(cha)保(bao)持(chi)在(zai)預(yu)期(qi)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)每(mei)個(ge)單(dan)電(dian)池(chi)在(zai)衛(wei)星(xing)壽(shou)命(ming)期(qi)間(jian)不(bu)受(shou)到(dao)過(guo)應(ying)力(li)衝(chong)擊(ji)而(er)發(fa)生(sheng)損(sun)壞(huai)。若(ruo)不(bu)進(jin)行(xing)均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)，隨(sui)著(zhe)充(chong)放(fang)電(dian)循(xun)環(huan)的(de)增(zeng)加(jia)，各(ge)單(dan)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)逐(zhu)漸(jian)分(fen)化(hua)。

一般情況下
，充電時鋰離子電池單體電壓的偏差在50mV之內是完全可以接受的。我們可以認為造成偏差的主要原因是單電池充電效率、自(zi)放(fang)電(dian)率(lv)存(cun)在(zai)差(cha)異(yi)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)
，單(dan)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)也(ye)必(bi)須(xu)認(ren)真(zhen)考(kao)慮(lv)，有(you)時(shi)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)消(xiao)耗(hao)的(de)電(dian)流(liu)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)電(dian)池(chi)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)量(liang)級(ji)。在(zai)做(zuo)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)實(shi)驗(yan)時(shi)，有(you)的(de)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)反(fan)映(ying)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)第(di)一(yi)隻(zhi)或(huo)最(zui)後(hou)一(yi)隻(zhi)常(chang)常(chang)最(zui)先(xian)損(sun)壞(huai)，這(zhe)往(wang)往(wang)是(shi)由(you)於(yu)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)消(xiao)耗(hao)造(zao)成(cheng)的(de)。

充電控製電路

旁路式充電控製

如圖1所suo示shi
，光guang照zhao期qi太tai陽yang電dian池chi充chong電dian陣zhen通tong過guo二er極ji管guan直zhi接jie給gei鋰li離li子zi蓄xu電dian池chi組zu充chong電dian，蓄xu電dian池chi組zu的de每mei隻zhi電dian池chi都dou設she置zhi了le充chong電dian旁pang路lu電dian路lu。當dang某mou一yi單dan電dian池chi的de電dian壓ya到dao達da設she定ding值zhi時shi，充chong電dian旁pang路lu電dian路lu中zhong的de功gong率lv三san極ji管guan開kai始shi導dao通tong，分fen流liu掉diao部bu分fen充chong電dian電dian流liu，保bao持chi該gai單dan電dian池chi電dian壓ya恒heng定ding在zai很hen窄zhai的de一yi個ge範fan圍wei內nei。蓄xu電dian池chi的de特te性xing決jue定ding了le充chong電dian電dian流liu逐zhu漸jian減jian小xiao（近似指數規律）
，直至光照期結束。這種充電方法能夠保證每隻單電池均衡充電，但旁路電路功耗較大，充電電流很難測量。

分流式充電控製

單(dan)電(dian)池(chi)循(xun)檢(jian)電(dian)路(lu)分(fen)別(bie)采(cai)樣(yang)各(ge)個(ge)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)

，經(jing)過(guo)或(huo)門(men)電(dian)路(lu)取(qu)出(chu)單(dan)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)最(zui)大(da)值(zhi)
，在(zai)信(xin)號(hao)變(bian)換(huan)電(dian)路(lu)中(zhong)與(yu)基(ji)準(zhun)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)產(chan)生(sheng)誤(wu)差(cha)信(xin)號(hao)，誤(wu)差(cha)信(xin)號(hao)送(song)入(ru)分(fen)流(liu)調(tiao)節(jie)器(qi)電(dian)路(lu)，控(kong)製(zhi)鋰(li)離(li)子(zi)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)單(dan)體(ti)電(dian)壓(ya)。任(ren)一(yi)隻(zhi)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)到(dao)達(da)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)平(ping)均(jun)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)。若(ruo)采(cai)用(yong)開關型分流調節器，則在單體恒壓充電時，充電電流是脈動的，所以采用這種充電控製方法需要鋰離子蓄電池組能夠適應脈動充電電流。

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主誤差放大器（MEA）caiyangmuxiandianyaxinhao，chanshengwuchaxinhaohousongdaofenliutiaojieqi。yejiushishuo，fenliutiaojieqitongshishoumuxiandianyahexudianchidandianchidianyakongzhi。fenliushililizidianchichongdiankongzhidianlurutu2所示。

圖2：分流式鋰離子電池充電控製電路

分段式充電控製

單(dan)電(dian)池(chi)循(xun)檢(jian)比(bi)較(jiao)電(dian)路(lu)采(cai)樣(yang)單(dan)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)
，任(ren)何(he)一(yi)隻(zhi)單(dan)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)設(she)定(ding)值(zhi)，或(huo)門(men)電(dian)路(lu)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)個(ge)一(yi)過(guo)壓(ya)信(xin)號(hao)，通(tong)過(guo)鎖(suo)定(ding)電(dian)路(lu)斷(duan)開(kai)一(yi)路(lu)充(chong)電(dian)陣(zhen)
，使(shi)得(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)減(jian)小(xiao)1/3，當dang再zai次ci產chan生sheng一yi個ge過guo壓ya信xin號hao時shi關guan掉diao第di二er個ge充chong電dian陣zhen
，直zhi至zhi關guan掉diao最zui後hou一yi個ge充chong電dian陣zhen。當dang脈mai衝chong負fu載zai來lai臨lin或huo者zhe進jin入ru地di影ying期qi時shi
，解jie鎖suo電dian路lu產chan生sheng解jie鎖suo信xin號hao
，使shi得de充chong電dian控kong製zhi電dian路lu能neng夠gou進jin行xing下xia一yi個ge充chong電dian過guo程cheng。很hen顯xian然ran，當dang恒heng壓ya充chong電dian時shi

，充chong電dian電dian流liu不bu是shi近jin似si指zhi數shu規gui律lv
，而er是shi階jie梯ti型xing逐zhu級ji遞di減jian。分fen段duan式shi鋰li離li子zi電dian池chi充chong電dian控kong製zhi電dian路lu見jian圖tu3。

圖3：分段式鋰離子電池充電控製電路

單電池峰值電壓限製型線性充電控製

單dan電dian池chi循xun檢jian電dian路lu分fen別bie采cai樣yang各ge個ge單dan電dian池chi電dian壓ya，經jing過guo或huo門men電dian路lu取qu出chu單dan電dian池chi電dian壓ya最zui大da值zhi，經jing過guo信xin號hao變bian換huan電dian路lu送song入ru限xian壓ya控kong製zhi電dian路lu，限xian壓ya控kong製zhi電dian路lu通tong過guo動dong態tai調tiao整zheng功gong率lv管guan的de阻zu抗kang控kong製zhi鋰li離li子zi蓄xu電dian池chi組zu中zhong的de單dan電dian池chi電dian壓ya。當dang任ren一yi隻zhi單dan電dian池chi電dian壓ya都dou未wei到dao達da設she定ding值zhi時shi，太tai陽yang電dian池chi陣zhen以yi相xiang對dui穩wen定ding的de電dian流liu通tong過guo限xian壓ya控kong製zhi電dian路lu中zhong的de功gong率lv管guan對dui鋰li離li子zi蓄xu電dian池chi組zu充chong電dian
，功gong率lv管guan的de阻zu抗kang接jie近jin於yu零ling；dangrenyizhidandianchidianyadaodashedingzhishi，gonglvguandezukangzhujianzengda，xudianchizudechongdiandianliuzhujianjianxiao

，chongdiandianliujianxiaodeguilvyoulilizixudianchizudetexingjueding（近似指數規律）。zhezhongdianludeyoudianshichongdianhengyajieduanchongdiandianliulianxujianxiao，jibenshangshizhishuguilv
，jiaoshiyinglilizixudianchidechongdianxiguan，chongdiandianludegonghaoyebuda。dandianchifengzhidianyaxianzhixingxianxingchongdiankongzhidianlurutu4所示。

圖4：單電池峰值電壓限製型線性充電控製電路

幾種均衡充電技術

恒定分流電阻均衡充電

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電阻分流均衡充電原理如圖5所示。

圖5：恒定分流電阻均衡充電原理

meigelilizidianchidantishangdoubinglianyigefenliudianzu。congdianluzhongkeyikanchu，dianzushangdefenliudianliubixuyuandayudianchidezifangdiandianliu，cainengdadaojunhengchongdiandexiaoguo。yibanlilizidianchidezifangdiandianliuweiC/20000左右，所以流過分流電阻上的電流取C/200是比較合適的。

另外，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經過一定次數的充放電循環後
，單電池的偏差可以用下麵的公式確定：

V電池電壓偏差=R分流×I自放電＋2×V單電池×K電阻偏差

若分流電阻取20Ω±0.05%
，則電池電壓偏差能夠控製在50mV範圍內。每個電阻的平均功率為0.72W
，但是無論電池充電過程還是電池放電過程，分流電阻始終消耗功率。

通斷分流電阻均衡充電

通斷分流電阻均衡充電原理如圖6所示。

圖6：通斷分流電阻均衡充電原理

通tong斷duan分fen流liu電dian阻zu均jun衡heng充chong電dian與yu電dian阻zu分fen流liu均jun衡heng充chong電dian的de區qu別bie就jiu是shi增zeng加jia了le一yi個ge通tong斷duan開kai關guan，這zhe個ge開kai關guan的de控kong製zhi可ke以yi由you單dan片pian機ji係xi統tong軟ruan件jian來lai實shi現xian，也ye可ke以yi通tong過guo簡jian單dan的de邏luo輯ji電dian路lu來lai實shi現xian。采cai用yong這zhe種zhong控kong製zhi方fang式shi的de均jun衡heng電dian路lu隻zhi在zaiTAPER充chong電dian的de恒heng壓ya充chong電dian段duan工gong作zuo


，其qi他ta時shi間jian通tong斷duan開kai關guan始shi終zhong斷duan開kai
，這zhe樣yang需xu要yao電dian池chi組zu放fang電dian時shi

，分fen流liu電dian阻zu不bu消xiao耗hao寶bao貴gui的de能neng量liang。在zai光guang照zhao期qi，太tai陽yang電dian池chi發fa電dian功gong率lv是shi有you富fu餘yu的de
，這zhe時shi均jun衡heng電dian路lu消xiao耗hao一yi定ding的de能neng量liang對dui於yu電dian源yuan係xi統tong來lai說shuo具ju有you一yi定ding的de合he理li性xing。在zaiLEO軌道，這種均衡電路的工作時間隻占10%左右，所以要達到上麵論述的均衡效果，電阻值需減小10倍，可見峰值熱功耗是相當大的，這是這種電路的主要缺點。另外，通斷開關的實效是致命故障
，所以必須采用冗餘手段。

開關電容均衡充電

圖7：開關電容均衡充電原理

開關電容均衡充電原理如圖7所(suo)示(shi)，從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，順(shun)序(xu)開(kai)關(guan)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)主(zhu)要(yao)由(you)時(shi)鍾(zhong)電(dian)路(lu)構(gou)成(cheng)，它(ta)驅(qu)動(dong)多(duo)路(lu)開(kai)關(guan)順(shun)序(xu)閉(bi)合(he)

，順(shun)序(xu)把(ba)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)接(jie)入(ru)傳(chuan)送(song)電(dian)容(rong)器(qi)，通(tong)過(guo)傳(chuan)送(song)單(dan)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)的(de)不(bu)平(ping)衡(heng)能(neng)量(liang)，達(da)到(dao)均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)的(de)目(mu)的(de)。同(tong)時(shi)，通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)傳(chuan)送(song)電(dian)容(rong)器(qi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)來(lai)監(jian)測(ce)各(ge)個(ge)單(dan)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)。若(ruo)某(mou)個(ge)單(dan)電(dian)池(chi)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)故(gu)障(zhang)，低(di)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)器(qi)輸(shu)出(chu)開(kai)關(guan)禁(jin)止(zhi)信(xin)號(hao)
，禁(jin)止(zhi)短(duan)路(lu)的(de)單(dan)電(dian)池(chi)接(jie)入(ru)傳(chuan)送(song)電(dian)容(rong)器(qi)，防(fang)止(zhi)影(ying)響(xiang)其(qi)他(ta)單(dan)電(dian)池(chi)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，同(tong)時(shi)給(gei)恒(heng)流(liu)恒(heng)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)送(song)入(ru)電(dian)池(chi)低(di)電(dian)壓(ya)報(bao)警(jing)信(xin)號(hao)，使(shi)恒(heng)流(liu)恒(heng)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)根(gen)據(ju)單(dan)電(dian)池(chi)短(duan)路(lu)的(de)情(qing)況(kuang)確(que)定(ding)正(zheng)[page]
確的恒定電壓。這種均衡電路的最大優點是能源浪費極低，缺點是電路複雜，多路開關的通態電阻、gaogongmoxianzhidouhuiyingxiangjunhengchongdiandeshixian。lingyifangmian，canshuxuanqubijiaokunnan，zhenduibutongdedianyuanxitongpeizhi
，dianlucanshuxuxiangxideshejiyuyanzheng
，zheduiyanzhizhouqishibulide。

降壓型變換器均衡充電

圖8：降壓型變換器均衡充電原理

降壓型變換器均衡充電原理如圖8所示。

jiangyaxingbianhuanqijunhengchongdianfanganyeshiyizhongdixiaohaodejunhengfangan。tadesiluhenqingxi，zhuhuilushibiaozhundejiangyashitiaojieqi，zaichunengdianganshangzengjiaduozuxiangtongdeciraozu，yongyudianchidantidefuzhuchongdian。xianran，dianyadidedandianchihuicongciraozushangdedaogengduodenengliang
，dianyagaodededaonengliangshao，zheyangjiudadaolejunhengchongdiandemude。weilededaolianghaodejunhengxiaoguo，ciraozudeyizhixingxuyaoyangekongzhi。dandianganraozudeyizhixingshifeichangnanyukongzhide，yincizheshizhezhongkongzhifangfadeyigezuidaquedian。zhezhongchongdianfangshideyanjiuganggangqibu，chongdianxiaolv
、均衡效果、可靠性分析等需要進一步的深入研究。

平均電池電壓均衡充電

圖9：平均電池電壓均衡充電原理

平均電池電壓均衡充電原理如圖9所示
，圖中隻給出了一隻單電池的均衡電路，其他各單電池也配備相同的均衡電路
，其中，放大器由單電池供電。

這種均衡充電控製電路的思路是：單dan電dian池chi電dian壓ya與yu平ping均jun單dan電dian池chi電dian壓ya相xiang比bi較jiao
，控kong製zhi功gong率lv開kai關guan將jiang電dian池chi電dian壓ya高gao於yu平ping均jun電dian壓ya的de單dan電dian池chi分fen流liu。因yin此ci
，所suo有you單dan電dian池chi電dian壓ya在zai均jun衡heng電dian路lu的de作zuo用yong下xia趨qu向xiang平ping均jun電dian池chi電dian壓ya。

此ci電dian路lu初chu看kan起qi來lai是shi開kai環huan控kong製zhi，實shi際ji上shang由you於yu電dian池chi內nei阻zu的de作zuo用yong
，均jun衡heng電dian路lu工gong作zuo在zai具ju有you負fu反fan饋kui特te性xing的de閉bi環huan狀zhuang態tai。為wei了le防fang止zhi均jun衡heng電dian路lu在zai電dian池chi組zu放fang電dian時shi工gong作zuo
，可ke以yi在zai功gong率lv開kai關guan下xia端duan串chuan聯lian穩wen壓ya二er極ji管guan，這zhe樣yang在zai電dian池chi放fang電dian時shi，電dian池chi電dian壓ya較jiao低di而er失shi去qu分fen流liu回hui路lu。

平均電池電壓均衡充電電路模式已經深入研究，被認為是效果非常好的方案。這種電路被列入LEO軌道鋰離子電池應用的首選方案，已經申請了法國和歐洲的專利。

以上討論了鋰離子電池充電管理電路的關鍵技術：恒流-恒壓（TAPER）充電方式和均衡充電技術。通過比較
，我們認為
，“單電池峰值電壓限製型線性”充電控製方案比較適應小衛星的使用，可避開“旁路式”控製巨大熱耗、“分流式”控製巨大脈動充電電流

、“分段式”恒壓充電階段充電電流減小不連續的缺點；平均電池電壓均衡充電電路適應性強

，各方麵指標均比較理想。