鋰離子電池充放電電路模型及其仿真

朱文杰+黃辰

摘 要：鋰離子電池具有體積小、重量輕、能量高、壽命長(zhǎng)、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。相較于其它類型的電池而言，具有明顯優(yōu)越的綜合性能，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不可忽視。其特點(diǎn)決定了它需要性能完備的充電管理芯片。文中簡(jiǎn)單描述了鋰離子電池的充放電模型，并對(duì)鋰離子電池的充放電特性進(jìn)行分析，討論了充放電的特性曲線。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；充放電；模型；特性曲線

中圖分類號(hào)：TM46；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

目前鋰電池被廣泛應(yīng)用在便攜式設(shè)備中。在便攜式應(yīng)用中，一般采用容量相對(duì)不大的鋰電池，以求在設(shè)備的便攜性和工作時(shí)間之間取得一定的平衡。同樣，作為設(shè)備內(nèi)部鋰電池管理系統(tǒng)，其體積和重量也應(yīng)相應(yīng)縮小。由于電池容量不大，管理系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不涉及復(fù)雜的均衡等問(wèn)題。因此，基于專用芯片在一定外圍電路的配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池的充放電管理和保護(hù)功能，完全滿足便攜式設(shè)備的需要，同時(shí)有效控制了設(shè)備的體積和成本，深受設(shè)備廠家的歡迎。目前的芯片有的能夠單獨(dú)使用，實(shí)現(xiàn)充放電保護(hù)功能；也有的帶微機(jī)控制接口，能夠與處理設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。基于專用芯片的鋰電池管理已成為便攜式設(shè)備電池管理的最主要方式。

1 鋰離子電池充放電模型

1.1 鋰離子電池放電模型

鋰離子電池的最終電壓表達(dá)式見(jiàn)公式（1）：

其中，Vbatt為電池電壓；E0為恒壓源電壓；K為極化電阻比例；Q為電池容量；it為電池的實(shí)際充電量；R為電池內(nèi)阻；i為電池電流；A為指數(shù)區(qū)振幅；B為指數(shù)區(qū)時(shí)間反向比例；i*為過(guò)濾電流。按照公式（1）構(gòu)建電池放電模型如圖1所示。

1.2 鋰離子電池充電模型

在充電模型中，極化電阻會(huì)一直增大直到電池達(dá)到充滿狀態(tài)，此時(shí)it=0，極化電阻會(huì)急劇增大。在充電模型中極化電阻為：

因此當(dāng)it=0時(shí)極化電阻無(wú)意義。公式（2）在實(shí)際中并非完全正確。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了極化電阻的變化也與百分之十的電池容量有關(guān)。所以此時(shí)極化電阻為：

充電模型中公式（1）就改為

此充放電模型在Battery中的封裝如圖2所示。

在圖2（b）中，當(dāng)i*<0時(shí)，即為充電模型，當(dāng)i*>0時(shí)即為放電模型。

在圖2（c）中，當(dāng)電池類型不同時(shí)其模型輸出也不同。鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池這3類電池的輸出為exp（t），有exp（t）=B·|i（t）|· （-exp（t）+A·u（t））。當(dāng)為充電模型時(shí)，u（t）=1，當(dāng)為放電模型時(shí)，u（t）=0。

2 仿真

本文采用的充放電電流如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)的Matlab/SimuLink仿真設(shè)計(jì)如圖4所示

該系統(tǒng)中使用Signal Builder（信號(hào)生成器）生成了如圖5所示的電流信號(hào)。通過(guò)對(duì)Battery進(jìn)行充放電然后在Scope（示波器）中顯示電池的電壓，SOC及電流值。

充放電系統(tǒng)的結(jié)果如圖5（a）所示。

初始化的SOC=0.8，在前100 s以1 A的恒定電流充電，則增加的SOC=[（100/3 600）×1]/6.5=0.043，所以第100 s時(shí)SOC=0.804 3，SOC的曲線如圖5（b）所示。

此處，Battery response time 設(shè)為30 s，因此可從圖中看到電壓明顯變化的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的30%。若設(shè)為100 s，圖形如圖5（b）所示，電壓明顯變化的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的100%。

從這兩個(gè)圖中可以看出，其電壓增長(zhǎng)曲線雖然不同，但最終結(jié)果一致。以1 A電流進(jìn)行充電，其最終電壓約為108.8 V，不充不放時(shí)其最終電壓約為108.3 V。以1 A電流放電時(shí)，其電壓約為108 V，當(dāng)其以2 A電流充電時(shí)，最終電壓約為109.5 V。

3 結(jié) 語(yǔ)

未來(lái)的鋰離子電池將會(huì)具有更高的能量密度，更小的體積和更輕的重量。隨著對(duì)鋰離子電池的深入研究，對(duì)電池各種參數(shù)的了解將越來(lái)越多也越來(lái)越精確。與其相應(yīng)的新充電方法和充電控制也會(huì)誕生，今后必將出現(xiàn)性能更加優(yōu)越的鋰電池充電器芯片。

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