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、可快速充電等優點。相較于其它類型的電池而言，具有明顯優越的綜合性能，競爭優勢不可忽視。其特點決定了它需要性能完備的充電管理芯片。文中簡單描述了鋰離子電池的充放電模型，并對鋰離子電池的充放電特性進行分析，討論了充放電的特性曲線。

關鍵詞：鋰離子電池；充放電；模型；特性曲線

中圖分類號：TM46；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

目前鋰電池被廣泛應用在便攜式設備中。在便攜式應用中，一般采用容量相對不大的鋰電池，以求在設備的便攜性和工作時間之間取得一定的平衡。同樣，作為設備內部鋰電池管理系統，其體積和重量也應相應縮小。由于電池容量不大，管理系統相對簡單，一般不涉及復雜的均衡等問題。因此，基于專用芯片在一定外圍電路的配合下，能夠實現鋰電池的充放電管理和保護功能，完全滿足便攜式設備的需要，同時有效控制了設備的體積和成本，深受設備廠家的歡迎。目前的芯片有的能夠單獨使用，實現充放電保護功能；也有的帶微機控制接口，能夠與處理設備協同工作，實現復雜功能?；趯Ｓ眯酒匿囯姵毓芾硪殉蔀楸銛y式設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式見公式（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為電池的實際充電量；R為電池內阻；i為電池電流；A為指數區振幅；B為指數區時間反向比例；i*為過濾電流。按照公式（1）構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，極化電阻會一直增大直到電池達到充滿狀態，此時it=0，極化電阻會急劇增大。在充電模型中極化電阻為：

因此當it=0時極化電阻無意義。公式（2）在實際中并非完全正確。事實上，實驗已經證明了極化電阻的變化也與百分之十的電池容量有關。所以此時極化電阻為：

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i*<0時，即為充電模型，當i*>0時即為放電模型。

在圖2（c）中，當電池類型不同時其模型輸出也不同。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））。當為充電模型時，u（t）=1，當為放電模型時，u（t）=0。

2 仿真

本文采用的充放電電流如圖3所示。

整個系統的Matlab/SimuLink仿真設計如圖4所示

該系統中使用Signal Builder（信號生成器）生成了如圖5所示的電流信號。通過對Battery進行充放電然后在Scope（示波器）中顯示電池的電壓，SOC及電流值。

充放電系統的結果如圖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SOC=0.804 3，SOC的曲線如圖5（b）所示。

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

從這兩個圖中可以看出，其電壓增長曲線雖然不同，但最終結果一致。以1 A電流進行充電，其最終電壓約為108.8 V，不充不放時其最終電壓約為108.3 V。以1 A電流放電時，其電壓約為108 V，當其以2 A電流充電時，最終電壓約為109.5 V。

3 結 語

未來的鋰離子電池將會具有更高的能量密度，更小的體積和更輕的重量。隨著對鋰離子電池的深入研究，對電池各種參數的了解將越來越多也越來越精確。與其相應的新充電方法和充電控制也會誕生，今后必將出現性能更加優越的鋰電池充電器芯片。

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