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。

zaigongchengyingyongzhong，lilizidianchidantihuoyoudandianchibinglianzuchengdedianchimokuaibiranyaochuanlianchengdianchizu，gubixukaolvchongdianguochengzhonggedianchidantihuodianchimokuaideshihengxianxiang
，erqiesuizheshijiandetuiyi，zhezhongshihengxianxianghuiyujiayanzhong
，yanzhongyingxiangdianchishouminghekekaoxing，yincijunhengchongdianyeshililizichongdiandeguanjianjishu。

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、第(di)三(san)電(dian)極(ji)等(deng)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)的(de)控(kong)製(zhi)點(dian)時(shi)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)
，完(wan)成(cheng)一(yi)個(ge)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)。鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)不(bu)適(shi)合(he)采(cai)用(yong)這(zhe)些(xie)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)充(chong)電(dian)方(fang)式(shi)不(bu)能(neng)保(bao)證(zheng)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)終(zhong)壓(ya)始(shi)終(zhong)限(xian)定(ding)在(zai)規(gui)定(ding)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)，即(ji)使(shi)充(chong)電(dian)終(zhong)壓(ya)有(you)保(bao)證(zheng)
，往(wang)往(wang)是(shi)到(dao)達(da)充(chong)電(dian)終(zhong)壓(ya)後(hou)立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)

，而(er)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)到(dao)達(da)充(chong)電(dian)終(zhong)壓(ya)後(hou)仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)補(bu)充(chong)30%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

、最zui適shi合he采cai用yong的de充chong電dian控kong製zhi方fang式shi。在zai此ci方fang式shi下xia，充chong電dian器qi首shou先xian對dui鋰li離li子zi電dian池chi進jin行xing恒heng定ding電dian流liu充chong電dian，這zhe時shi電dian池chi電dian壓ya逐zhu漸jian抬tai高gao，當dang電dian池chi電dian壓ya達da到dao設she定ding值zhi時shi進jin行xing恒heng定ding電dian壓ya充chong電dian，這zhe時shi充chong電dian電dian流liu近jin似si指zhi數shu規gui律lv減jian小xiao
，所suo以yi這zhe種zhong充chong電dian方fang式shi也ye稱cheng為weiTAPER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、shoumingyaoqiubugao。zaidiandongchelilizidianchixitongzhong，dandianchichuanliandejieshujiaoduo，yijingcaiyongjunhengchongdianjishu，yibanshicaiyongdanpianjixitongkongzhibingzaidandianchishangdefenliudianzushangshixingtongduan，congerkongzhidandianchidechongdianliang。zhezhongfangfakongzhifuza、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

dandianchixunjiandianlufenbiecaiyanggegedianchidianya，jingguohuomendianluquchudandianchidianyazuidazhi，zaixinhaobianhuandianluzhongyujizhunxinhaojinxingbijiaochanshengwuchaxinhao，wuchaxinhaosongrufenliutiaojieqidianlu

，kongzhililizixudianchizuzhongdedantidianya。renyizhidianchidianyadaodashedingzhishi

，xudianchizudepingjunchongdiandianliuzhujianjianxiao。ruocaiyong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）采cai樣yang母mu線xian電dian壓ya信xin號hao，產chan生sheng誤wu差cha信xin號hao後hou送song到dao分fen流liu調tiao節jie器qi。也ye就jiu是shi說shuo
，分fen流liu調tiao節jie器qi同tong時shi受shou母mu線xian電dian壓ya和he蓄xu電dian池chi單dan電dian池chi電dian壓ya控kong製zhi。分fen流liu式shi鋰li離li子zi電dian池chi充chong電dian控kong製zhi電dian路lu如ru圖tu2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，dangzaicichanshengyigeguoyaxinhaoshiguandiaodiergechongdianzhen，zhizhiguandiaozuihouyigechongdianzhen。dangmaichongfuzailailinhuozhejinrudiyingqishi，jiesuodianluchanshengjiesuoxinhao
，shidechongdiankongzhidianlunenggoujinxingxiayigechongdianguocheng。henxianran
，danghengyachongdianshi，chongdiandianliubushijinsizhishuguilv，ershijietixingzhujidijian。fenduanshililizidianchichongdiankongzhidianlujiantu3。

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

dandianchixunjiandianlufenbiecaiyanggegedandianchidianya，jingguohuomendianluquchudandianchidianyazuidazhi
，jingguoxinhaobianhuandianlusongruxianyakongzhidianlu
，xianyakongzhidianlutongguodongtaitiaozhenggonglvguandezukangkongzhililizixudianchizuzhongdedandianchidianya。dangrenyizhidandianchidianyadouweidaodashedingzhishi，taiyangdianchizhenyixiangduiwendingdedianliutongguoxianyakongzhidianluzhongdegonglvguanduililizixudianchizuchongdian，gonglvguandezukangjiejinyuling；當(dang)任(ren)一(yi)隻(zhi)單(dan)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)到(dao)達(da)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，功(gong)率(lv)管(guan)的(de)阻(zu)抗(kang)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)，蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)
，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)減(jian)小(xiao)的(de)規(gui)律(lv)由(you)鋰(li)離(li)子(zi)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)特(te)性(xing)決(jue)定(ding)（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

每(mei)個(ge)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)上(shang)都(dou)並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)。從(cong)電(dian)路(lu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)分(fen)流(liu)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)遠(yuan)大(da)於(yu)電(dian)池(chi)的(de)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)
，才(cai)能(neng)達(da)到(dao)均(jun)衡(heng)充(chong)電(dian)的(de)效(xiao)果(guo)。一(yi)般(ban)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)為(wei)C/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(zai)LEO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7suoshi，congtuzhongkeyikanchu
，shunxukaiguanqudongdianluzhuyaoyoushizhongdianlugoucheng，taqudongduolukaiguanshunxubihe
，shunxubalilizidianchidantijieruchuansongdianrongqi，tongguochuansongdandianchizhijiandebupinghengnengliang，dadaojunhengchongdiandemude。tongshi

，tongguoceliangchuansongdianrongqishangdedianyalaijiancegegedandianchidedianya。ruomougedandianchifashengduanluguzhang
，didianyabijiaoqishuchukaiguanjinzhixinhao，jinzhiduanludedandianchijieruchuansongdianrongqi
，fangzhiyingxiangqitadandianchidezhengchanggongzuo，tongshigeihengliuhengyabianhuanqisongrudianchididianyabaojingxinhao，shihengliuhengyabianhuanqigenjudandianchiduanludeqingkuangquedingzheng[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
、高gao共gong模mo限xian製zhi都dou會hui影ying響xiang均jun衡heng充chong電dian的de實shi現xian。另ling一yi方fang麵mian
，參can數shu選xuan取qu比bi較jiao困kun難nan，針zhen對dui不bu同tong的de電dian源yuan係xi統tong配pei置zhi，電dian路lu參can數shu需xu詳xiang細xi的de設she計ji與yu驗yan證zheng
，這zhe對dui研yan製zhi周zhou期qi是shi不bu利li的de。

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。

cidianluchukanqilaishikaihuankongzhi，shijishangyouyudianchineizudezuoyong，junhengdianlugongzuozaijuyoufufankuitexingdebihuanzhuangtai。weilefangzhijunhengdianluzaidianchizufangdianshigongzuo
，keyizaigonglvkaiguanxiaduanchuanlianwenyaerjiguan，zheyangzaidianchifangdianshi
，dianchidianyajiaodiershiqufenliuhuilu。

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。