技术干货丨锂电池充电技术，这次给你讲个透彻

    对于锂电池而言，充电方式对其性能影响非常大，科学合理的充电方式能延长锂电池的使用寿命、提升 充电速率。本文剖析了锂电池的各种各样充电方式，并在充电速度、使用寿命和实现成本上对彼此的优缺点开展了比较，供大家参照交流。

    1972年美国科学家J.A.Mas提出蓄电池在充电过程中存在较佳充电曲线：I=I0e-αt，式中；I0为电池起始充电电流；α为充电接收率；t为充电时长。I0和α的值与电池种类、结构特征和新旧的程度相关。

    目前对电池充电方式的科学研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如图1所示，假如充电电流超出这条较佳充电曲线，不但无法提升 充电速率，并且会提高电池的析气量；假如小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池产生损害，但是会延长充电时长，减低充电速率。

图1锂电池充电特性

    锂电池的充电方式有很多种，按充电速率可分为常规充电和快速充电。其中常规充电方式包括：恒流充电、恒压充电、重要环节充电和间歇充电，而快速充电包括脉冲充电和Reflex充电，在最后还对智能充电开展了剖析。

    按充电电流的大小恒流充电又可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在一整个充电过程中，一般选用调节电源充电电压或改变与电池串联的电阻值，来保持电池的充电电流大小一致。

    这种方式优势是操控简单，适用于对多个电池串联的电池组开展充电。缺点是锂电池的可接收充电的能力会伴随着充电的进行逐渐减低，在充电中后期过大的充电电流会使电池內部形成气泡，对电池产生受损。因而恒流充电，经常是作为阶段充电中的一个重要环节。

    恒压充电就是在一整个充电过程中，充电电压保持恒定，充电电流的大小伴随着电池状态的变化自动调节。伴随着充电的开展，充电电流逐渐降低。与恒流充电相比，其充电过程更加接近较佳充电曲线，操控简单、成本低。缺点是充电时长较长，并且在充电初期电池充电电流过大，直接影响锂电池的使用寿命和使用质量。所以恒压充电方式很少单独使用，只有在充电电源电压低而电流大时选用。

    如图2为恒流恒压充电曲线。在开始充电之前，第一步检验电池电压，若电池电压低于门限电压（2.5V上下），则以C/10的小电流对电池进行涓充充电，使电池电压逐渐上升；当电池电压到达门限电压时，进入恒流充电，在此阶段以较大的电流(0.5C～1C)强度对电池进行快速充电，电池电压上升较快，电池容量将到达其额定值的85%上下；在电池电压上升到上限电压（4.2V）后，电路转换到恒压充电模式，电池电压基本维持在4.2V，充电电流逐渐减小，充电速率减缓，这一阶段主要是确保电池充满，当充电电流降至0.1C或0.05C时，即判断电池充满。

图2恒流恒压充电曲线

    恒流恒压充电防止了恒压充电开始时充电电流过大的难题，又解决了恒流充电后期容易出现过充的状况，结构简单，成本较低，目前在锂电池的充电方式被广泛性运用。但它不能消除电池充电时的极化状况，影响充电效果。

    如图3所示，为脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

图3脉冲充电曲线

    在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，大部分电能被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压（4.2V）时，进入脉冲充电模式：用1C的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会维持上升，充电停止时电压会逐渐下降。当电池电压下降到上限电压（4.2V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下个充电周期，如此循环充电一直到电池充满。

    在脉冲充电过程中，电池电压下降速率会逐渐变缓，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认定电池已经充满，停止充电。与常规充电方式相比较，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛性运用。但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

    C. K.Leong等研究的脉冲充电，每个充电周期维持大约1s，第一步对电池进行正向充电，然后停充和反向放电各20～30ms。正向脉冲电流给电池充电，而负向脉冲电流减少气体从电极中析出，可对电池运用较大电流实现快速充电。

    锂电池间歇性充电法包含变电流间歇性充电法和变电压间歇性充电法。

    变电流间歇性充电法：变电流间歇性充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的，它的特征是将恒流充电改成限压变电流间歇性充电。如图4(a)图示，变电流间歇性充电法的第一阶段（也是主要环节），先选用较大电流值对电池充电，在电池电压到达截止电压V0时停止充电，此时电池电压急剧下降。

图4间歇性充电曲线

    维持一段停充时间后，选用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电，如此往复数次（一般约为3～4次）充电电流将减小设定的截止电流值。然后进入恒电压充电环节，以恒定电压对电池充电一直到充电电流减小到下限值，充电完毕。变电流间歇性充电法的主充环节在限定充电电压条件下，选用了电流逐渐减小的间歇性方式加大了充电电流，即加快了充电过程，缩短了充电时间。但是这样的充电模式电路比较复杂、造价高，一般只有在大功率快充时才考虑选用。

    变电压间歇性充电：在变电流间歇性充电法的基础上，有人又探究了变电压间歇性充电法。两者的差异就就在于第一阶段的充电过程，将间歇性恒流换成间歇性恒压。比较图4(a)和图4(b)，可见恒压间歇性充电更符合最佳充电的充电曲线。在每个恒压充电环节，由于电压恒定，充电电流自然依照指数规律性降低，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐降低的特征。

    Reflex快速充电方法，又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。该方法的每个工作周期包含正向充电、反向瞬间放电和停充3个环节。它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

    Sheng-YuanOu和Jen-HungTian对Reflex快速充电方法进行了探究，充电曲线如图5图示，在每个充电周期中，先选用2C的电流充电时间为10s的Tc，然后停充时间为0.5s的Tr1，反向放电时间为1s的Td，停充时间为0.5s的Tr2，每个充电循环时间为12s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。实验证明，这样的充电方法可以使单体锂电池的充电时间提高到40min，电池温度只是上升1.1℃，充电效率到达87.51%。

图5Reflex充电曲线

    智能充电是现阶段较领先的充电方式，如图6(a)所示，其主要工作原理是应用du/dt和di/dt控制技术，通过检测电池电压和电流的增加量来判断电池充电状况，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流至始至终在电池可接受的最大充电曲线附近。这样电池能在非常少析气的状况下快速将电充满。

图6智能充电

    如图6(b)所示，将神经网络与模糊控制相结合，探究出了模糊神经网络控制器、神经网络模型，设计了智能充电控制系统。它既具备模糊控制器的擅于表达人类的经验知识、推理能力强等特性，又具备神经网络控制器的直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特性。实验验证，智能充电法在充电过程中电压变化平稳，充电时间短，因而它作为模糊自适应控制方案中的一种，将来将得到愈来愈多的高度重视。

    深圳市百耐信科技科技有限公司是一家集研发、制造、销售与技术服务为一体的国家高新技术企业。公司2010年成立于深圳市，经近十年的发展建立并健全了高质量的目标管理体系，专门为新能源锂电组装以及制造领域提供整套的生产设备与技术服务。公司秉承百分百投入，耐心服务，值得信赖的经营理念，不断开拓创新，拼搏进取，我们致力于成为优秀的新能源锂电池组装设备与技术服务商。

    随着18650电池在新能源领域的广泛应用，自动化设备成为电池企业核心竞争力之一。作为国内设备企业的代表企业，百耐信科技根据电池模块组的特点，自主开发了锂电池PACK自动化装配线：该自动线集成了锂电池贴纸机、锂电池分选机、锂电池电池组自动组装机、CCD视觉识别系统、锂电池自动点焊机。选用全自动上料、自动分选机构，保证产品采用电芯一致性的同时，可全自动扫描获取电芯条形码，并与PACK条形码做好等级划分然后绑定和记录，结合后台系统能够完整追溯产品生产制造的数据信息。

    现阶段该装配线已实现电池及模组在上料、分捡、组装、焊接、测试等环节的全过程自动化，节奏稳定。现阶段在生产关键步骤中增加了自动检测系统、自动校验、自动处理系统，完全使用机械手替代了传统式人工的繁杂作业，确保了产品品质的稳定性。目前实际运营数据表明，自动线整体运行安全稳定、处理效率高、成品品质稳定。

    该自动线具有对整个生产制造过程的所有测试数据进行采集、管控、统计，让计划层和控制层进行信息交互，实现对生产过程中的测试结果和数据进行有效追踪和品质管控，真正实现锂电池组组装生产的信息化和自动化的“两化”融合，使锂电池组组装向“工业4.0”迈进。

    本系列产品为双面自动焊机，效率高；采用9轴纯电动伺服电机，支持阵列与非阵列电池组快速编程。编程界面操作简单，支持CAD导图，阵列，手动三种；并支持任一点位编程和阵列编程，可存储编程文件任意组。且支持断点启动功能。

    独家定制的可旋转180°焊头，焊头轻巧，有效防止因焊头过重导致焊接电池变形、漏液问题。旋转焊头结构可支持异型电池组及有效纯镍片粘针问题。焊头采用水循环散热，能有效降低焊针损耗，提升焊接效果。

    本系统具备焊针使用次数记录、报警、与清零功能。支持焊针更换预报提醒，19寸显示屏，搭配工控机，可实时将焊接参数及异常焊点采集并显示出来，并可实时采集焊接结果。自带焊接电流监控系统，有效杜绝虚焊、假焊现象。具备对焊点的假焊、漏焊监测记录，焊接的所有参数都可追溯跟踪，方便数据管理。

    可单独调节单点焊、两点焊、三点焊，并且两点焊与三点焊的间距可调节。焊针压力亦可独立调节。并且支持同时切换焊接能量、正负极焊接能量切换功能。

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    独家定制的可旋转180°焊头，适用点焊任意角度镍片分流槽方向，焊头轻巧，有效防止因焊头过重导致焊接电池变形、漏液问题。旋转焊头结构可支持异型电池组及有效纯镍片粘针问题。焊头采用水循环散热，能有效降低焊针损耗，提升焊接效果。

    本系统具备焊针使用次数记录、报警、与清零功能。支持焊针更换预报提醒，19寸显示屏，搭配工控机，可实时将焊接参数及异常焊点采集并显示出来，并可实时采集焊接结果。自带焊接电流监控系统，有效杜绝虚焊、假焊现象。具备对焊点的假焊、漏焊监测记录，焊接的所有参数都可追溯跟踪，方便数据管理。

    可单独调节单点焊、两点焊、三点焊，并且两点焊与三点焊的间距可调节。焊针压力亦可独立调节。并且支持同时切换焊接能量、正负极焊接能量切换功能。

    可选配焊头内置进口压力传感器，可实时监控压力值及自动追踪补偿，保证焊接过程中焊接压力一致性。

    本公司晶体管点焊机具备独特的双脉冲焊接性能，提供更优良的焊接质量脉冲，采用不同能量对焊接物体连续两次放电。电源采用精确的数字控制，能预存32组参数，并可随意更改、调用。采用数字化设置焊接参数，键盘操作清晰明了，方便快捷。

    焊接电流上升快，短时间内即可实现高品质焊接。能对焊接电流、电压、功率、电阻的波形进行动态实时监测。 焊接时间可调节的最小分度为10ms，让精度更加的精确。焊接脉冲宽度可调，焊接飞溅小，焊点不变色。并且提供定电流、定电压、电流和电压组合等三种控制方式。

    本公司自动分选机系列产品自带高精密内阻、电压、自动测试系统，此系列设备支持十档分选，能根据设定好的内阻、电压值，将电芯精准的送到指定的档位。每次可同时测五只电芯，分选速度快，稳定性高，可使每颗锂电池性能高度一致。并且可以和自动贴青稞纸机对接使用，大大节约人工。

    收料槽装备满料传感器，满料触发系统自动声光报警，取走电池后，收料器自动复位，如此循环工作。扫码机自带感应开关，感应到电芯时自动扫描电芯上的条码。喷码机上方也装有感应开关，感应到电芯时自动喷码至电芯上。

    设备的操作界面采用Windows操作系统，设计人性化，简单明了，轻松掌握。自带工控数据库，测试数据按批次存储，电芯条码与测试的电压内阻数据相对应，可下载提取并永久保存，方便后期数据追溯跟踪。

    本公司自动分选机系列产品自带高精密内阻、电压、自动测试系统，设备支持二十档分选，能根据设定好的内阻、电压值，将电芯精准的送到指定的档位。每次可同时测五只电芯，分选速度快，稳定性高，可使每颗锂电池性能高度一致。并且可以和自动贴青稞纸机对接使用，大大节约人工。

    收料槽装备满料传感器，满料触发系统自动声光报警，取走电池后，收料器自动复位，如此循环工作。扫码机自带感应开关，感应到电芯时自动扫描电芯上的条码。   

    设备的操作界面采用Windows操作系统，设计人性化，简单明了，轻松掌握。自带工控数据库，测试数据按批次存储，电芯条码与测试的电压内阻数据相对应，可下载提取并永久保存，方便后期数据追溯跟踪。

    本公司自动贴纸分选一体机是将贴青稞纸机与分选机相结合形成自动流水线，工作效率大大提高。贴纸机产品采用伺服电机运动控制器与气动控制相结合，冲压刀模不粘胶，能循环工作，青稞纸贴合牢固，贴合一致性很好，可提高后期自动化点焊效率。

    而分选机部分自带高精密的内阻、电压、自动测试系统，可根据设定好的电压、电阻值范围，将电芯精准送到指定的档位。分选速度快，稳定性高，使每颗电芯的性能高度一致。

    操作界面简单明了，易于操作，设计非常人性化，可轻松掌握。

    本公司视觉CCD检测设备可通过CCD视觉识别方式判定电池组的电芯不同方式组合后电芯正负极的正反方向，并输出判定结果。以便快速确认所有电池组的全部电芯的正负极摆放是否正确。并且可支持自动启动及手动启动模式。

    该设备采用1000万像素高清定焦镜头，设备的最大检测范围为500mmx360mm，该设备编程简单便捷，可根据电芯的不同组合方式设定判定标准，可存储编程文件任意组。检测性能稳定可靠，效率高，可大大提供生产效率并降低错误率。

    百耐信-动力电池组综合测试系统功能支持：充电激活、单串压差测试、单串内阻差测试、充电电压、充电电流、充电△V充电DCR测试、充电过流保护、交流内阻（ACR）测试、直流内阻（放电DCR）、放电电压、放电电流、放电△V、放电过流保护、放电过流恢复、短路保护功能、短路激活充电等多项综合功能测试。

    综合测试仪电池放电电流增加两个档位，能快速看出两个测试结果差距。并且可以根据电池属性不同，在过流测试时，如果达不到过流测试起始电流，电池将自动进入保护状态。综合测试仪支持设置测试电流上限，电池过流测试达到设置值之后自动退出测试，防止大电流烧坏电池。 

    锂电池的不一致性的危害我们都很熟知：容量损失、寿命损失、内阻增大，而为了应对电池的不一致性除了在电池组组装之前进行精细的分选，再有就是综合测试仪中动态压差的测试功能，就是为了检测出电池组充放电的一致性。

    综合测试系统100V/400A/500A系列可细分为100V100A、100V200A、100V300A、100V400A、100V500A、100V600A五个档位，分别支持的放电电流及过流测试最大电流为100A、200A、300A、400A、500A、600A。

    综合测试仪是针对动力电池组的生产检测需要，研发专用于可充电池综合检测，测试仪可以对电池的一些参数做一个定量的精确的测量，可以测量电池的开路电压，内阻，充电，放电性能，电池容量特别针对锂电池的功能还有过充电保护，过放电保护，过电流保护，短路保护等功能，并测出过相应的数值，极大的方便了电池的生产和售前售后服务工作，采用非常简单的几个步骤就可以直观的判断电池的性能和好坏，同时也具有快速筛选的功能，可以设定测量参数的上限和下限，可以容易的从一批电池成品中快速检测出不良电池，提高了生产效率。

    百耐信-回馈型电池组老化柜系列的整个系统能量具有双向流动性，且能自动调节能量方向，电能从三相电网到电池包，放电时，电能从电池包回馈到三相电网。

    此系列老化柜配备大功率隔离变压器，能有效隔离整套系统与电网，保证系统的可靠、稳定运行。

    此系列老化柜的DCAC模块采用空间矢量调制技术，数字化控制，使得电压利用率高，电流谐波分流更小。储能模块可实现双通道充放电能量的内部转换；两个通道之间若充放电的能量相等，两个通道之间的能量相互转化效率可达99%。DCAC模块采用先进的PID调节技术，多重保护机制，保证设备运行稳定。

    此系列老化柜的输出电流转化快、电流无超调现象，避免设备对电池组的冲击。并且配备CAN2.0接口，可接入电池包BMS数据，能在充放电过程中实时掌控电池包的状态。并且能够与PACK生产线做通讯，如OPC、以太网等接口协议。