鋰離子電池由於工作電壓高、體積小、質量輕、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長,是一種理想電源。在實際使用中,為了獲得更高的放電電壓,一般將至少兩隻單體鋰離子電池串聯組成鋰離子電池組使用。目前,鋰離子電池組已經廣泛應用於筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種領域。
因此如何在充電時將鋰離子電池組使用好顯得尤為關鍵,現將鋰離子電池組常用的幾種充電方法以及本人認為的最適合的充電方法試述如下:
1. 普通的串聯充電
目前鋰離子電池組的充電一般都採用串聯充電,這主要是因為串聯充電方法結構簡單、成本低、較容易實現。但由於單體鋰離子電池之間在容量、內阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異,在對鋰離子電池組串聯充電時,電池組中容量最小的那隻單體鋰離子電池將最先充滿電,而此時,其他電池還沒有充滿電,假如繼續串聯充電,則已充滿電的單體鋰離子電池就可能會被過充電。
而鋰離子電池過充電會嚴重損害電池的性能,甚至可能會導致爆炸造成人員傷害,因此,為了防止出現單體鋰離子電池過充電,鋰離子電池組使用時一般配有電池管理系統(Battery Management System,簡稱BMS),通過電池管理系統對每一隻單體鋰離子電池進行過充電等保護。串聯充電時,假如有一隻單體鋰離子電池的電壓達到過充保護電壓,電池管理系統會將整個串聯充電電路切斷,停止充電,以防止這只單體電池被過充電,而這樣會造成其他鋰離子電池無法充滿電。
2. 並聯充電
為了解決電池組中某些單體電池過充和充不滿電的問題,又發展出了並聯充電的辦法. 但是並聯充電方法要採用多個低電壓、大電流的充電電源為每一隻單體電池充電,存在充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線徑粗等缺陷,因此目前沒有大範圍使用這種充電方法。
3. 電池管理系統和充電機協調配合串聯充電
電池管理系統是對電池的性能和狀態了解最為全面的設備,所以將電池管理系統和充電機之間建立聯繫,就能使充電機實時地了解電池的信息,從而更加有效地解決電池的充電時出現一些的問題。
電池管理系統和充電機協調配合充電模式的原理為:電池管理系統通過對電池的當前狀態(如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等)進行監控,並利用這些參數對當前電池的最大允許充電電流進行估算;充電過程中,通過通信線將電池管理系統和充電機聯繫起來,實現數據的共享。電池管理系統將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓、最高允許單體電池電壓以及最大允許充電電流等參數實時地傳送到充電機,充電機就能根據電池管理系統供應的信息改變自己的充電策略和輸出電流。
當電池管理系統供應的最大允許充電電流比充電機設計的電流容量高時,充電機按照設計的最大輸出電流充電;當電池的電壓、溫度超限時,電池管理系統能實時檢測到並及時通知充電機改變電流輸出;當充電電流大於最大允許充電電流時,充電機開始跟隨最大允許充電電流,這樣就有效地防止了電池過充電,達到延長電池壽命的目的。充電過程中一旦出現故障,電池管理系統可以將最大允許充電電流設為0,迫使充電機停機,防止發生事故,保障充電的安全。
在該充電模式下,既完善了電池管理系統的管理和控制功能,又能使充電機根據電池的狀態,實時地改變輸出電流,達到防止電池組中所有電池發生過充電以及優化充電的目的,電池組的實際放電容量也要大於普通的串聯充電方法,但是這種方法還是解決不了電池組中某些電池充不滿電的問題,特別是當電池組串數多、電池一致性差、充電電流較大時。
4. 串聯大電流充電加小電流並聯充電
由於上述三種充電方法都存在一定的問題,本人推荐一種最適合高電壓電池組,特別是電動汽車電池組的充電方法,即採用電池管理系統和充電機協調配合串聯大電流充電加恆壓限流的並聯小電流充電的模式。
此充電方法有如下特點:
(1)由於此系統的BMS具有防止過充電的功能,從而保證電池不會出現過充電的問題。當然假如BMS不能與並聯充電電源進行通信和控制,由於並聯充電電源的恆壓值一般與鋰離子電池組中單體鋰離子電池充滿電時的電壓值相同,所以也不會出現過充電的問題。
(2)由於可以進行並聯充電所以不要可靠性低,成本相對較高的均衡電路,並且充電效果要好於只帶均衡電路的串聯充電方法,並且其維護管理也簡便易行。
(3)由於串聯充電的最大電流遠大於並聯充電的電流(一般5倍以上),從而可以保證在較短的時間充進去較高的容量,從而發揮出串聯充電的最大效果。
(4)充電時串聯充電與並聯充電的順序以及並聯充電電源的數量可以靈活掌握,可以同時進行充電;可以串聯充電結束後再進行並聯充電;也可以用一個並聯充電電源根據電池組中電壓的情況給電壓最低的電池進行輪流充電。
(5)隨著技術的發展,並聯充電電源可以為非接觸性充電電源(無線充電電源)或太陽能電池電源,從而使並聯充電變得簡單。
(6)當鋰離子電池組中單體鋰離子電池數目較多時,可以將鋰離子電池組分成數個鋰離子電池組模塊,對每個鋰離子電池組模塊採用BMS和充電機協調配合串聯大電流充電與恆壓限流的並聯小電流充電相結合的方式進行充電。
其重要目的是減少電池組中串聯電池數量較多時,單體電池之間一致性相對更差,從而導致BMS和充電機協調配合的充電方法的充電效果差的缺點,以便發揮出BMS和充電機協調配合充電模式的最大效果。
總之,這種採用電池管理系統和充電機協調配合串聯大電流充電加恆壓限流的並聯小電流充電的充電方法可有效解決鋰離子電池組串聯充電易出現的過充電、充不滿電等問題,且可防止並聯充電的充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線徑粗等問題,是目前最適合高電壓電池組,特別是電動汽車電池組的充電方法。