动力电池恒流恒压充电技术研究资料.docx
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动力电池恒流恒压充电技术研究资料
南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
袁晨
学号：
0910190251
学院（系）:
自动化
专业:
电气工程及其自动化
题目:
动力电池恒压/恒流充电技术研究
教授
方斌
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2013年5月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
随着当今社会科学技术的发展，二次电源的市场迅速拓展。
而锂离子电池以其高效、无污染、噪声小等优点成为电动汽车、便携设备等行业的一个重要研究领域。
而锂离子电池的使用寿命和容量受充电电路的影响较大，故一个性能优异的充电器显得尤为重要。
本文主要介绍了锂离子电池的工作原理、应用和发展以及几种充电原理和方法。
运用一种电池模型,搭建了恒流、恒压、恒流-恒压三种充电电路。
通过Multisim软件进行了几种充电电路的仿真研究，并通过示波器观察电流、电压变化曲线，并与理论曲线相比较。
这样更加透彻的了解了锂电池的充电过程,直观地反映了各种充电方法的优缺点，为更加优异的充电方法提供了思路。
关键词锂电池恒流/恒压充电器Multisim
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleStudyofconstantvoltage/constantcurrentchargingtechnologyforbattery
Abstract
Intoday'ssocietywiththedevelopmentofscienceandtechnology,themarketofsecondarypowerexpandsrapidly.Thelithium-ionbatterybecomeanimportantresearchareaoftheelectriccar,portableequipmentandotherindustriesduetoitsadvantagesofhighefficiency,nopollution,littlenoise.Andtheservicelifeofthelithium-ionbatteryandcapacityaregreatlyinfluencedbythechargingcircuit，soaexcellentchargerisofgreatimportance.
Thispapermainlyintroducestheworkingprinciple,applicationanddevelopmentofthelithiumionbatteryaswellasthechargingprincipleandmethods.Wesetupthreemodelsofchargingcircuit,constantcurrentconstantvoltageandconstantcurrent-constantvoltageincluded,andhavearesearchofthechargingcircuitswiththehelpofMultisim.Bycomparingthecurrent,voltagecurvewiththetheoreticalcurve,wecanhaveathoroughlyunderstandingofthechargingprocessofthelithiumionbatteryandseetheadvantagesanddisadvantagesofvariouschargingmethods.Thisprovidesawayforbetterchargingmethods.
KeywordsThelithium-ionbatteryConstantcurrent-constantvoltageChargerMultisim
目次
1引言1
1.1背景1
1.2结构安排2
2锂电池简介和发展3
2.1锂电池介绍3
2.2锂电池的应用7
2.3锂电池的市场和生产状况7
2.4发展趋势7
3充电原理和方法9
3.1理论基础9
3.2充电方法10
3.3均衡充电13
4充电器件及电路16
4.1充电电池模型16
4.2器件LM317介绍17
4.3充电保护20
4.4变压器整流直流电源的产生21
5仿真及结果23
5.1简单稳压充电23
5.2恒流充电24
5.3恒流恒压充电25
结论30
致谢31
参考文献32
1引言
1.1背景
汽车在社会进步和经济发展中扮演着重要的角色,但是汽车的发展主要以地球上有限的矿物燃料资源为基本前提，目前及今后相当长的一段时间里,绝大部分汽车都是靠燃烧各种燃料驱动的。
随着世界原油储备的下降，能源短缺的问题逐渐凸显。
此外,气候变化、环境污染等问题都促使人们对汽车节能减排更加的关注。
随着中国经济的快速发展与人民生活水平的逐步提升,越来越多的中国普通百姓家庭拥有了汽车,汽车及相关产业的发展将成为中国的重要经济支柱之一。
2009年中国的汽车保有量已经达到6962万辆,由于汽车保有量的快速增加,我国的燃油消耗也相应快速增加,对我国燃油供应甚至是整个中国经济都造成了相当程度的冲击。
自1993年开始,我国己成为石油净进口国,而且进口数量在逐年增加,对国际市场原油依存度与日俱增。
资料显示到2020年后,我国石油消耗总量的50%以上需要进口石油来提供,这无疑对我国能源安全形成严重威胁。
随着我国汽车保有量的增加，汽车排放的问题日益严重。
汽车造成的污染除了交通扬尘，主要是尾气排放。
发动机燃烧后，排放的主要污染物包括碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和细微颗粒物。
汽车尾气更接近地面,也更接近经常在市区活动的人群，因此对我们的健康有更大的危害。
汽车尾气中细小的颗粒物可进入我们的呼吸道，附着在肺壁上能引起呼吸系统疾病，损坏肺部，使己有的呼吸及心血管问题恶化。
当颗粒有毒时，可能导致癌症，还可刺激皮肤和眼睛，造成皮炎、眼结膜炎。
尾气在直接危害人体健康的同时，还影响着气候和环境。
汽车尾气容易导致酸雨的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长。
二氧化碳则是引起地球变暖的罪魁祸首，全球变暖会造成两极冰川融化，平面上升，此外还会造成农作物减产甚至大量物种灭绝。
了减缓全球气候变暖，多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。
为了应对能源危机、环境污染和气候变化，发展电动汽车是一个重要的方向。
电池是电动车的重要能量存储系统，是关键核心部件。
其性能直接关系到电动汽车的行驶里程、使用寿命、经济性与动力性等问题。
锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点，锂离子电池的放电曲线很平坦,可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。
因此锂电池成为车用动力电池的首选。
同时锂电池以其独特的优势在科学技术日益发展的今天在很多行业中广泛应用，其市场迅速拓展。
在我们日常生活中也是随处可见。
锂离子电池的快速、均衡、安全充电可以延长电池使用寿命，高效率和性能。
因此一款可靠的充电器就显的尤为重要。
1.2结构安排
本文在假设每个单体电池性能相同情况下，采用恒压、恒流、恒流-压三种电路对简单的单体电池模型进行充电仿真，观察其充电电流和电压。
和理论上的充电曲线相比较，更加透彻地了解充电过程，以及直观的看出各种充电的优缺点。
全文可分为五章:
第一章引言，介绍了恒压-恒流充电的研究背景和意义，介绍了全文的结构安排。
第二章锂电池的简介和发展，介绍了锂电池的工作原理和优缺点以及锂电池的应用市场和发展趋势，且和其它小型蓄电池做了比较。
第三章充电原理和方法，详细阐述了各充电原理和方法，并对均衡充电进行了分类。
第四章充电器件和电路，介绍了下文电路中主要器件的使用方法和注意事项。
设计了市电到9V电压的转换电路以及电池模型。
第五章仿真及结果，设计并用软件仿真了三种的简单的充电电路，用示波器输出了电流、电压曲线，并与理论的曲线相比较，分析总结了仿真结果。
2锂电池简介和发展
本章主要介绍了锂离子电池的发展状况、工作原理、应用以及优缺点，介绍了目前的锂离子电池的市场、生产和发展趋势，且和其它小型蓄电池做了比较。
2.1锂电池介绍
电池可以分为化学电池、生物电池以及物理电池。
传统意义上的锂电池基本由正极、电解液、负极组成，一般可以分为原电池（一次性电池）和锂二次电池（可充电）。
我们日常所熟悉的原电池有碱锰电池、锰干电池等，二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池。
俗称的“锂电池”是由锂原电池和锂离子蓄电池等组成的，对于原电池，我们日常所熟悉的纽扣式（锂锰）电池是锂原电池；而电脑等小型设备使用的锂电池多为锂离子蓄电池，即锂离子电池。
小型便携电子设备在科学技术日益发展的今天以飞快的速度迅速更新发展，这就对电源提出了更加高的要求。
在人们对电池研究的过程中，由于锂金属的小原子量和最负的标准电极电位的良好特性，使得研究人员们一直以来把用金属锂作为电池的负极当做一个研究方向。
电子手表、计算机电源首先作为锂电池广泛应用的地方，20世纪80年代中期以后，金属锂蓄电池商业化产品开始出现。
1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。
1978年，科学工作者提出正负极都用锂离子嵌入、脱出的活性物质构成电池，并进行了大量的研究。
1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
1990年，日本SONY公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，锂只以锂离子的形态存在，这就是锂离子电池。
当对电池进行充电时，电池的正极上生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳是有很多微孔的层状结构，这样达到负极的锂离子就会嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
这种电池为了区别于“金属锂蓄电池”，就称作“锂离子蓄电池”。
锂离子蓄电池的推出，打开了世界范围内对其的广泛研究，几年时间便得到了广泛的应用。
2000年，日本锂离子电池销售额更是高达3万亿日元[1][2][3]。
2.1.1锂离子电池定义
锂离子电池的定义一般可描述为“以能够吸收并去除锂离子的含有锂离子的金属氧化物作为正极，以能够吸收并去除锂离子的碳材料作为负极，基于局部化学反应原理的非水蓄电池”。
在广义的范畴内其负极材料也可采用其它材料，如金属氧化物。
这里局部反应是指主体分子吸收并去除客体分子或客体离子的现象[3]。
2.1.2锂离子电池的工作原理
锂离子电池的结构是由可/嵌入锂离子的正极和可/释放锂离子的负极构成。
中间是电解质，把正极与负极隔开,锂离子可以通过而电子不能通过。
通过锂离子在正负电极之间的移动来完成电池的充电和放电,而材料结构不会发生不可逆变化。
充电时,正极中的锂原子电离成锂离子和电子。
锂离子在外加电场作用下,在电解质中由正极迁移到负极,还原成锂原子,插入到负极的层状结构中。
放电时,锂原子在负极表面电离成离子和电子,通过电解质和负载流向正极,在正极重新和电子复合成锂原子然后插入到正极的层状结构中。
在充放电过程中，锂离子在正极和负极之间过来过去的移动，如果我们把锂电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。
所以，专家们又给了锂电池一个可爱的名字摇椅式电池所以最初锂离子电池又被称为“摇椅电池”。
图2-1锂离子电池充放电原理图
由原理图2-1可以看出,锂离子电池的高倍率充放电性能与锂离在正负电极、电解质以及它们界面处的迁移能力密切相关[4]。
因此围绕锂离子动力电池快速充电的研究,即为如何提高锂离子在充放电的迁移速度[5]。
2.1.3锂离子电池优缺点
锂离子电池的优点：
1）工作电压高
单体锂离子电池的工作电压高达3．2v-3．7V，约等于3只镍镉电池或镍氢电
池的串联电压，便于组成电池电源组；
2）重量轻、比能量大
具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍，在金属中，锂作为电池的材料具有的优势在于提供高电压、高能量密度的同时，其重量是最轻的。
同时l克金属锂的放电容量最大，使用少量的金属锂就可以获得大的电池容量，以此来实现电池的轻量化；
3）电池寿命长
锂离子电池的容量大使用寿命相对较长，与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池的使用寿命，在相同的电压下是镍镉、镍氢电池的1．5倍，在相同的重量下是镍镉、镍氢电池的1．5-2倍。
目前锂离子电池的循环次数一般在500次以上。
4）自放电率低
由于电解液与电极之间没有化学反应发生，电能损失很少，室温下充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为10％左右，大大低于镍镉电池的25～30％、镍氢电池的30---40％。
5）放电连续平稳
锂离子电池可连续平稳地放电，曲线平滑。
6）无记忆效应、无污染
绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
是世界范围内公认的绿色环保电池。
同时也没有镍镉电池的记忆效应；
尽管锂离子电池有以上诸多优点，但同时其也存在一些缺点：
1）安全性
锂电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。
钴酸锂材料的锂电池不能大电流放电安全性差；
2）放电电流小
锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间（内部会产生较高的温度而损耗能量）。
在平时的使用中应该小于最大厂方给定的最大放电电流；
3）生产成本
电池生产要求高，成本大。
主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难；
4）需要保护
在使用中要注意过充和过放的保护，过充将破坏正极结构而影响性能和寿命，过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。
相比于聚合物锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池，锂离子电池在循环寿命、重量能量密度、月自放电率、过充承受能力、单体额定电压方面有一定得优势，下表2-2详细的说明的这点：
表2-2几种蓄电池的比较
铅蓄电池
镍氢电池
锂离子电池
燃料电池
工作电压（V）
2
1.2
3.7
0.6-0.8
比能量（Wh/kg）
35-40
75-80
110-160
500
比功率（W/kg）
50
160-230
300
100
体积比能量（Wh/L）
80
100-200
200-280
1000
充放电寿命（次）
300-500
500-1000
600-1500
——
自放电率（%/月）
5
30-35
＜5
极低
优点
原材料丰富、廉价、技术成熟
高倍率放电性好、耐充放电能力强、耐过充放能力强、寿命长、高低温性能好、安全性好
能量密度高、平均输出电压高、输出功率大、自放电小、无记忆效应、可快充、寿命长
比能量高、能量转换率高、性能稳定、安全性好、环保
缺点
比能量低、寿命短、环境污染
自放电率高
成本高、须保护电路、防止过充放
成本很高、寿命短、电流小、比功率小
2.2锂电池的应用
锂电池现在现在应经在小型便携设备、电动汽车行业、航空航天军事国防中得到了广泛的应用。
我们平时使用的手机、摄像机、MP3、剃须刀等生活必需品都离不开锂电池，同样锂离子电池以其独特的优势在月球着陆器和太空漫游器扮演者不可缺少的角色。
目前在航空领域锂电池主要用于飞行器的发射和飞行中的校正，正在研究将其用于航天任务中，而我国独立自主发射的“神州七号”已经将锂电池作为主电源。
在一些尖端武器中，因为灵活性和轻量型的要求，导弹和潜艇中也广泛使用锂电池[6]。
2.3锂电池的市场和生产状况
在目前全球的小型锂离子市场主要集中在移动通行、摄像拍照以及笔记本电脑上，这个市场占到了整个锂电池市场的91.5%以上,在电子产品领域锂离子电池几乎可以说已经占据了整个市场。
2011年全球锂离子电池（LIB）出货量为46.4亿单元，同比增幅为17.2%；而新能源汽车近几年的飞速发展预计会给锂电池的需求量带来爆发的增长。
预测至2015年动力锂电池需求将成百倍增长，从目前70.08MWh增加到8003.49MWh的需求量。
近几年锂离子二次电池的生产和发展，已经形成了中国、日本、韩国三分天下的格局。
我国是世界最大的锂离子二次电池的生产基地之一，生产地主要集中在广东、浙江、江苏、山东等地，其中广东有占了其中的绝大多数。
在深圳的企业比亚迪，东莞新能源，索尼电子，比克等为代表的一批领先的国产锂离子电池制造商引领者中国锂离子电池的发展，而比亚迪又凭借其独特的汽车产业优势，将锂电池更好的应用到了汽车行业，实现了双赢，其公司生产的电动汽车在世界领域里享有很高的声誉。
2.4发展趋势
随着太阳能,风能产业的发展,锂离子电池在这些产业方面将大有作为。
电动汽车的产业化估计在今后10年内完成,近十年内必须开发出高比能,高比功率,能快速充电和具有深度放电功能,循环和使用寿命长,安全,不污染环境,可再生及价格合理的电池及相关材料。
将高容量纳米正、负极材料组合搭配起来所行成的高容量纳米锂电池重量能量密度高，寿命更长，将成为一种新的研究方向，这种技术奖突破锂电池研究的瓶颈，增加电池的性能。
由纳米级电池材料及制程技术的创新开发，所开发的薄膜锂电池，将有机会应用于新世代的产品上面。
3充电原理和方法
本章主要介绍分析了几种锂电池充电的理论基础和几种充电方法以及几种均衡方法的分类。
3.1理论基础
美国学者J.A.Mas指出,在充电过程中,超过充电接受曲线的任何充电电流,不能提高充电速率,而且会增加析气量;小于此接受曲线的充电电流,便是电池的允许充电电流,不会对电池造成伤害，如图3-1所示。
J.A.Mas同时指出,通过瞬时停充或大电流放电,如图3-2所示，可以消除极化现象,使电池的可接受充电曲线不断右移,从而大大提高充电速度和效率,缩短充电时间。
也就是说,在电池充电接受能力下降时,可以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。
这就是快速充电的基本理论依据[7]。
图3-1动力电池充电特性曲线
图3-2动力电池充电式的瞬时放电曲线
3.2充电方法
3.2.1恒压充电（CV）
恒压充电是指单体电池以一恒定电压进行充电。
其优点是随着电池的荷电状态的变化,自动调整充电电流,如果规定的电压恒定值适宜,就能保证电池的完全充电。
图3-3是电池恒压充电的充电曲线，从下图可以看出其缺点是蓄电池充电开始的初始阶段，流过锂离子电池的充电电流太大,它对锂电池的寿命会产生负面影响。
图3-3恒压充电法曲线
3.2.2恒流充电（CC）
恒流充电,即电流维持在恒定值的充电,多采用恒流或分阶段恒流。
我们按照所选充电电流的大小不同，将恒流充电（CC）分为快速充电、浮充充电（又叫做涓流充电）和标准充电。
该方法如下图3-4所示，在电池的充电过程中该方法采用恒定电流进行充电。
由于这种充电方式操作简单，所以对多个电池串联的电池组来说，这种方法特别合适。
但是在充电后期，由于锂电池的可接受电流能力下降，如果恒定大小的充电电流继续作用于电解溶液，会导致电池内部产生大量的气泡。
这种情况不单单会使电池容量降低，更会造成电池的物理性损伤，使电池的使用寿命随之变短。
图3-4恒流充电法曲线
根据J.A.Mas曲线,当电池以一恒电流I1充电时,到达时间t1,电池开始出气,如果电池继续以I1电流充电,不仅不能充满,而且将损坏电池[7][8]，如图3-5所示。
图3-5动力电池恒流充电曲线
3.2.3恒流恒压充电（CC/CV）
采用恒压、恒流相结合的充电方式。
共可以分为恒流充电CC周期和恒压充电CV周期两个部分。
当电池接入充电器后,首先以C/15（C为单体电池的容量）量级的小电流进行充电,当其电压上升到恒流门限（2.5V）时,则进入恒流充电阶段,以较高的恒定速率（1C）对电池进行快速充电。
此阶段容易对电池过度充电，因此必须对其进行端电压检测，当电池电压到达恒压门限（4.2V）时,转入恒压充电阶段,充电电流不断减小,当充电电流降到C/10或C/15时,即终止充电[9]，如图3-6所示。
此方法弥补了前两种方法的不足,但不能消除电池充电时的极化现象,影响充电效果。
图3-6恒压恒流充电曲线
3.2.4脉冲充电
图3-7为脉冲充电方法示意图，在小电流、恒流区和恒压恒流充电方法是一样的,当电池电压到达恒压门限（4.2V）时,脉冲充电模式开始。
在脉冲区,充电电源间歇性地对电池以恒定电流充电,根据J.A.Mas所提出的理论,目的是消除极化现象。
随着电池逐渐充满,充电时间越来越短,停充时间越来越长,占空比越来越小。
当占空比低于5%至l0%时,终止充电[9]。
图3-7动力电池脉冲充电特性曲线
3.2.5智能充电
智能充电是目前比较先进的充电方法,其原理是在整个充电过程中动态跟踪电池可接受的充电电流,应用du/dt技术,即充电电源根据电池的充电状态自动确定充电参数,使充电电流自始至终保持在可接受的最大充电曲线附近,使电池在很少气体析出的状态下快速充满电，如图3-8所示。
缺点是电池在使用一段时间以后,可接受的理想充电曲线会发生变化,其充电参数也需要调整[8]。
图3-8动力电池智能充电曲线
3.3均衡充电
一般而言，电动汽车的锂离子电池需要75节电池串联供电，达到200Ah/300V；而对于大功率的电动客车，需要125节电池串联供电，达到500Ah/500V。
电池串联的电池组存在着很大的弊端，因为单体电池存在不一致性，其容量会产生差异，而串联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定的，这些差异会使电池组的使用寿命缩短。
为了减小不平衡性对动力电池组的影响，在充电过程中，要使用均衡电路[10][11]。
3.3.1化学均衡法
为提高锂电池的安全性、防止过充,Abrahan.lK.M等人提出在锂电池电解液中添加一定比例的氧化-还原电对的方法,当电池正极的电位过充时,该电对被氧化,然后扩散至电池的负极再被还原,这样在电池的正负极之间来回穿梭,抑制电池正极电位的升高,避免电极材料和电解液的氧化,提高了电池的抗过充能力。
Chen.J等人经实验证明,电池组中电压上升较快的电池不会被过充,其它电池还可以正常充电,达到了均衡充电的效果[12]。
3.3.2物理均衡法[13-17]
1）按耗能分类
从均衡过程中电路对能量的消耗情况角度出发，电池组电量均衡的方法可以分为两类：
a.能量消耗型
这种类型的均衡方法是通过给指定电池组中的单体电池并联一个电阻的方法，在某一个单体电池的电压出现异常偏高时候对其进行放电，从而达到均衡的目的；
b.非能量耗散型
这种类型的均衡方法是借助于控制均衡回路中开关管的状态，把单体电池上的电量进行转移，可以转移到整个电池组，也可以转移到单个电池。
这种的方法的优点是耗能较小，但是控制难度大，电路结构也很复杂；
2）按均衡功能分类
从均衡装置可以使用的阶段出发，均衡电路可以分为以下几种：
a.充电均衡
这种均衡方式通常是在电池组单体电压达
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