小型電動(dòng)無人機(jī)鋰離子動(dòng)力電池的充電策略淺析

焦永磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

小型電動(dòng)無人機(jī)鋰離子動(dòng)力電池的充電策略淺析

焦永磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

回顧了鋰離子電池的充電特性和相關(guān)理論研究。從充電過程角度對(duì)各種充電方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，分析了它們對(duì)電池性能的影響，并對(duì)比了各種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為鋰離子動(dòng)力電池充電在工程應(yīng)用提供了較高的參考價(jià)值。

無人機(jī)；動(dòng)力電池；充電

小型電動(dòng)無人機(jī)由于其體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事和民用方面。蓄電池是小型電動(dòng)無人機(jī)飛行最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，要滿足電動(dòng)無人機(jī)的苛刻性能：高比功率（起飛和爬升階段要求）、高比能量（續(xù)航時(shí)間的要求）和高充放電效率（使用環(huán)境的要求）。鋰離子電池因其具有超長(zhǎng)壽命，自放電小，比能量高，無記憶效應(yīng)，體積小質(zhì)量輕[1]等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為小型電動(dòng)無人機(jī)的首選動(dòng)力電源。

鋰離子電池在應(yīng)用過程中的性能越來越受到關(guān)注和重視，其中充電技術(shù)是阻礙鋰電池廣泛應(yīng)用的原因之一[2]。充電方式的差異會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大的影響，而采用科學(xué)的充電方法不僅可以有效地降低電池性能的衰減，而且還能夠延長(zhǎng)其循環(huán)壽命。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的鋰離子電池充電方式的介紹，詳細(xì)分析了各種充電方法對(duì)動(dòng)力電池性能的影響。

1 鋰電池充電特性

20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家Joseph A．Mas通過多次試驗(yàn)，獲得了大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了處理分析，從而總結(jié)出了蓄電池的最佳充電曲線，該曲線如圖1所示。

圖1 蓄電池的最優(yōu)充電曲線

蓄電池可以接受的充電電流I和充電時(shí)間t之間的關(guān)系為：

在上面的公式中，I表示在充電過程中某一時(shí)刻電池充電可以接受的電流；IO表示充電過程開始（t=0）時(shí)電池可以接受的最大的充電電流；a代表充電過程中電池可以接受電流的衰減常數(shù)，它和電池的狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)有關(guān)。充電過程中鋰離子電池存在以下特點(diǎn)：

（1）變量多

鋰離子電池在進(jìn)行充電時(shí)，它的性能受到電壓大小、充電的電流大小、所處環(huán)境溫度和充放電頻率等一系列因素的影響。

（2）電化學(xué)性能復(fù)雜

相同型號(hào)的電池在充電進(jìn)行過程中，不同工況都會(huì)影響鋰離子電池的一些相關(guān)特性，如果發(fā)生過充的情況，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞其內(nèi)部性能，將會(huì)直接對(duì)其電特性產(chǎn)生負(fù)面影響。

（3）非線性

在充電過程中，鋰離子電池的伏安特性并不表現(xiàn)為線性變化，而是表現(xiàn)出指數(shù)變化趨勢(shì)。

2 充電方法研究

2.1 恒流－恒壓充電

當(dāng)開始對(duì)鋰離子電池充電時(shí)，首先使用設(shè)置好的恒定電流對(duì)其進(jìn)行充電。當(dāng)電壓達(dá)到之前設(shè)定的數(shù)值時(shí)，將變換為恒壓方式充電，當(dāng)充電電流達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，充電過程結(jié)束。這種方法綜合了恒流充電和恒壓充電這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了恒流充電方式帶來的充電過充和充電不足的缺點(diǎn)，進(jìn)而避免了恒壓充電初期由于電流過高對(duì)電池所造成的傷害。恒流-恒壓充電是鋰離子電池傳統(tǒng)充電方法，充電曲線如圖2所示。

圖2 恒流恒壓充電曲線圖

2.2 脈沖式充電

脈沖式充電方法，在充電初期用電流I0對(duì)電池實(shí)行恒流充電。當(dāng)充電電壓第一次達(dá)到預(yù)先設(shè)定值Umax時(shí)，即終止恒流階段，轉(zhuǎn)換為脈沖充電。在該階段，則是以恒定的電流I0對(duì)電池以間歇性的方式進(jìn)行恒流充電。脈沖式充電，其優(yōu)點(diǎn)是充電速度快、充電效率高。但其存在性價(jià)比很低、控制難度大，電池在較大脈沖電流值下易損傷。鋰離子電池的脈沖式充電曲線如圖3所示。

圖3 脈沖充電曲線圖

2.3 間歇變電流-恒壓式充電法

采用間歇變電流-恒壓充電方式給鋰離子電池充電，充電初期所使用的是變電流間歇式充電。每當(dāng)電池的電壓達(dá)到截止電值壓時(shí)，就會(huì)停止充電，這樣能提高電池的充電量；每當(dāng)進(jìn)行到充電后期時(shí)，充電電流值變的很小，這時(shí)轉(zhuǎn)換為恒壓充電。間歇變電流-恒壓充電方法具有能量效率高、析氣量少，而且充電速度很快的優(yōu)點(diǎn)。間歇變電流-恒壓充電法，其充電曲線如圖4所示。

圖4 間歇變電流－恒壓充電法充電曲線

2.4 分段式充電法

基于對(duì)鋰離子電池特性的理解，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)的三階段策略：涓流充電、恒流充電、恒壓充電[1]。其中涓流充電的作用是對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以便進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。恒流充電的意義是將電能迅速儲(chǔ)存到電池中，而恒壓階段則是最終的調(diào)整階段，它能夠讓電池容量達(dá)到最大化，但這個(gè)過程是完全按照電池自身的需要所啟動(dòng)的。恒流充電會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)力，一旦發(fā)生任何有違電池自身特性的行為，特別是高于電池過充電壓或超出電池承受能力的過大電流的操作都將對(duì)電池的壽命產(chǎn)生不良影響。鋰離子電池的分階段充電策略如圖5所示。

圖5鋰離子電池的分階段充電曲線

圖5 中，涓流充電在電池電壓比較低時(shí)進(jìn)行，對(duì)多數(shù)鋰離子電池來講，電壓值在2.9～3.0 V以下，這時(shí)的充電電流設(shè)置在C/10以下。恒流階段的充電電流通常設(shè)定為1C上下。進(jìn)入恒壓充電階段后，充電電流會(huì)慢慢減小，當(dāng)減小到一定值(通常是C/10)之后，此時(shí)電池已達(dá)到充滿狀態(tài)，充電過程即將結(jié)束。圖5中充電的最后一個(gè)階段叫做浮充階段，其本質(zhì)是恒流階段和恒壓階段的一種組合，目的是為了彌補(bǔ)電池由于自身放電原因，或者某些和它相連的負(fù)載產(chǎn)生消耗從而導(dǎo)致電容量下降的缺陷，采用這種方式能夠有效地確保當(dāng)電池和充電設(shè)施分離時(shí)總處于趨于滿電狀態(tài)。

2.5 各充電方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的對(duì)比

綜合分析以上鋰離子電池的不同充電方法，筆者認(rèn)為，恒流恒壓充電是傳統(tǒng)的充電方式，而脈沖式充電、間歇變電流—恒壓充電和分段式充電屬于現(xiàn)代的快速充電方式，這幾種方式各具優(yōu)缺點(diǎn)。

恒流恒壓充電方法對(duì)電池的傷害相對(duì)較小，不過隨著其容量的衰減，在充電的過程中，電池的電壓增加很快，極化電壓就會(huì)表現(xiàn)的十分明顯。這種模式主要表現(xiàn)為以恒壓充電方式為主，耗費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)，這不符合現(xiàn)代人們快速而緊湊的生活方式。

采用脈沖充電對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，會(huì)發(fā)生短時(shí)間的放電或間歇，從而減小甚至消除電池內(nèi)部存在的極化電壓，使電池內(nèi)部的離子濃度呈現(xiàn)均衡化趨勢(shì)。這種方式優(yōu)點(diǎn)是能夠保證每次充電時(shí)，電池內(nèi)部幾乎都處在準(zhǔn)平衡狀態(tài)，從而有益于提高電池的充放電功率。缺點(diǎn)是充電的倍率大小或者倍率分布如果不合適，非但不能縮短充電時(shí)間，反而會(huì)快速衰減電池的使用壽命。

間歇變電流－恒壓充電方式的優(yōu)點(diǎn)是能量效率高，不會(huì)產(chǎn)生大量析氣現(xiàn)象，充電速度也比較快。它的缺陷是造價(jià)高，控制硬件較為復(fù)雜，因此常用在大功率、快速充電的情況。

分段充電策略優(yōu)點(diǎn)較多。首先，它比恒流充電方式安全，不會(huì)造成過充；其次，這種方式比現(xiàn)有其他充電方式效率更高；再者，分段充電比脈沖充電容易控制，而且它的可靠性更高。由此可見，分段式充電方法，不僅提高了電池充電效率，而且又避免電池因?yàn)檫^充而損壞，最后采取浮充的方式讓電池滿充，最大程度的利用了電池自身容量，延長(zhǎng)了電池的使用周期，提高電池的工作壽命。采用這種方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池充電的安全性、高效性，而且充電質(zhì)量較為理想，具有廣闊而優(yōu)良的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋰離子動(dòng)力電池是當(dāng)今和未來軍用、民用市場(chǎng)上動(dòng)力電池的首選技術(shù)產(chǎn)品?；隈R斯的鋰電池充電原理得知，鋰離子電池有一條最佳的充電曲線，當(dāng)充電過程最接近該曲線時(shí)，充電效果最佳。本文結(jié)合馬斯原理，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用討論了幾種常見的充電方法，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，由此尋求確保電池性能的最佳充電方式。選用最佳的充電方式對(duì)鋰離子電池來講至關(guān)重要，不僅可以提高充電效率，節(jié)約成本和時(shí)間，而且能夠提高鋰離子電池的功率和壽命，對(duì)動(dòng)力鋰離子電池在小型電動(dòng)無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義[3-6]。

[1]劉紅兵，郭輝.鋰離子電池管理系統(tǒng)充電策略及其溫度影響[J].電源技術(shù)，2016（10）：1939-1940，1982.

[2]劉炎金，李新靜等.鋰離子動(dòng)力電池的不同充電方式[J].電源技術(shù)，2015（9）：1846-1848.

[3]郭佩.鋰離子電池組循環(huán)壽命快速評(píng)估方法研究[J].安全與電磁兼容，2015（4）：41-42，47.

[4]劉真，劉以建等.基于DSP的鋰電池充電式方式研究[J].通信電源技術(shù)，2016（33）：24-25.

[5]趙長(zhǎng)輝，陳立瑋.電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012，30（12）：62-70.

[6]楊紫光，葉芳，郭航，等.航天電源技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31（06）：1231-1237.

Brief Analysis of Charging Strategy of Lithium on Power Battery for Electric-Powered Mini-UAV

JIAO Yong-lei
（The Twenty-seventh Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047，China）

Review on charging characteristics of lithium ion batteries and related theory.A detailed description of various charging methods from the perspective of the charging process，analyzes their influence on the performance of the battery，and compares their advantages and disadvantages，to provide the reference value for the engineering application of charging for lithium ion batteries.

UAV；power battery；charging

TM912.9

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0066-03

2017-02-11

焦永磊（1982-），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o人機(jī)電源電氣。