电池管理系统电压采样（电池系统管理第一册梳理）

电池是将氧化还原反应的化学能转化为电能的装置。特点就是电极上反应物得失电子，通过外电路流动，进而便出现了电流。正负极之间的电荷传递是通过电解液中阴阳离子的运动形成的。正极负极指电位高低，阴极阳极指得失电子。得电子的电极发生还原反应是阴极，失电子发生氧化反应是阳极。充电和放电正负极不变，而阴阳极会反向。

电池在充放电工作中可以控制电流，端电压在充放电过程中不是恒定的，而是在额定值范围内上升与下降。在过充电情况下，大部分能量转化为热量损失或发生对电池有害的副反应；在过放电情况下，电压下降到末端电压或终止电压以下，会对电池造成损害。

• 放电过程

负极上的电化学势能有利于将电子释放到外部电路中，并将带正电荷的离子释放到电解质中。正极上的电化学势能有利于接受外部电路的电子和电解质的正电荷离子的化学过程。产生的电池端子间的压或电位差称为电池电压或电动势。只有当电子和带正电荷的离子从负极移动到正极时，这种储存的势能才能被释放并转换为有用的功。电解质为正离子运动提供了一种始终可用的介质，但隔膜阻止了电池内的电子运动（从而防止了内部短路）。为了使电子移动，必须完成一个外部电路，电子连接正极。当一个电路完成，电池放电并将所储存的化学势能转换为电能

• 充电过程

一次电池利用两个电极之间的电势差产生电势差，从而使电子流动以产生电流。但一次电池中电化学反应是不可逆的，在放电过程中，化合物被永久地改变，电能被释放出来，直到原始化合物完全耗尽。因此，一次电池只能使用一次。 二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能。市场上主要充电电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸（或铅蓄）电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等。

• 充放电指标

• 荷电状态与放电深度

电池或者单体电池的荷电状态(SOC)是指某个指定时刻，其可用电荷量与满充状态下可用电荷量的比值。SOC以百分数的形式表示，100%表示荷电状态为满，0表示荷电状态为空。电池SOC的评估方程通常以电量表方程的形式表示。单体电池或电池的放电深度(DOD)用于衡量已释放电荷量。它以A·h形式表达。DOD同样可以用百分比的形式表示，铅酸电池通常就是用百分比来表达其DOD。将DOD以A·h形式表达更为有用，这样荷电状态(SOC)(以百分比表示)和DOD(以A·h表示)组合与两项指标都用百分比表示相比能够传递更多信息。这对于实际容量大于其标称容量的电池来说尤为明显的(例如，标称为100A·h，实际为105A·h)。当一个额定容量为100A·h的电池释放了100A·h的电荷量，SOC将会变为0，此时，电池的DOD则可表示为100%或者100A·h。但是如果想将电池全部电荷量都释放出来，但此时电池的SOC仍旧只是0（因为SOC不能为负值），同时以百分比标注的电池DOD也只能为100%（因为以百分比标注的DOD不能高于100%）。然而，若以A·h表示那么此时DOD将会变为正确的105A·h。知道电池的DOD为105A·h比知道它达到100%更为有用，这是因为即使电池的DOD达到了100%，仍旧可以从中释放电能。用A·h表达DOD的另一个重要原因是电池的放电深度与其放电速率无关。

电池的充电与放电动力学可通过测量恒流充放电下的电压来表征。充电与放电倍率的测定与电池容量C相关。例如，5Ah电池0.1C放电倍率电流为0.5A，10Ah电池2C放电倍率电流为20A。

图(一)

图二给出了电池在低倍率、中等倍率及高倍率下放电的代表性曲线。由于电流倍率是恒定的，可以绘制电压响应与DOD曲线。低倍率曲线近似平衡电池（或开路）电势。最佳开路电势曲线在宽范围DOD内是平的，因此电池电压在放电时基本是恒定的，简化了电压调整电路的设计与降低了其成本。中等倍率放电曲线向下变化是由于在整个DOD中的欧姆损耗，在低DOD时的电荷迁移动力损耗，高DOD时的传质限制。高倍率放电证明电压下降很快，因此只有部分容量可在高倍率放电时被利用。

图(二)

• 比能量与能量密度

比能量是电池的存储能量(Wh)除以电池的质量(kg)。理论容量(Ah/g)基于参加电化学反应的活性材料的质量。理论容量与电压相乘得到理论比能量(Wh/kg)。铅酸电池比能量最低，为166Wh/kg，镍氢电池为250Wh/kg。锂离子电池理论上会产生更高的410Wh/kg的比能量。在实际中，虽然没有任何化学物质能够达到它的理论电势。但锂离子电池仍具有最高的比能量150Wh/kg，几乎为理论值的1/3。镍氢电池在实际中为75Wh/kg，也大约为理论值的1/3。铅酸电池仅为理论比能量的14%，为35Wh/kg。具有400Wh/L高能量密度的锂离子电池比镍氢电池和铅酸电池分别高1.7 倍和5.7倍。显然在易受重量和体积影响的应用场合，例如混合动力汽车等，锂离子电池有优势。

表：铅酸电池。镍氢电池和锂离子电池的性能比较

• 拉贡图

拉贡图是功率密度与对应能量密度的对数关系图，用来比较储能装置的性能。

图(三)

从上图中我们可以直观地了解以下几个信息：(1)不同电源的能量密度、功率密度的范围；(2)功率密度越大，能量密度越小；(3)充放电时间越短，功率密度越大，能量密度越小。比功率(W/kg)与功率密度(W/L)是电池放电性能很好的统计量。图三给出了锂离子电池具有最高的比功率和功率密度，其次是铅酸电池，镍氢电池最小。然而镍氢电池的放电曲线最平，接下来是放电曲线斜率更大的铅酸电池和锂离子电池。

• 充放电模式

充电机控制充电时电流或电压，不能同时控制。电流与电压的关系由电池阻抗决定。充电通常由恒流(CC)充电与恒压(CV)充电阶段组成。图四给出了一个铅酸电池CC-CV充电曲线。最初，电池处于低 SOC，恒流充电使电压升高至恒压等级。如果在初始状态进行恒压充电，电流会很高，导致发生副反应或温度过高。当达到预设电压，充电机转换至恒压模式，电流减小以便电池达到100%SOC。均充就是恒大电流充电，目的一是当电池放电后，快速补充电能，二是当个别电池电压有偏差，消除偏差，趋于平衡所以也叫快充、强充。浮充就是恒压小电流充电，目的一是防止电池自放电，二是增加充电深度，另外，均充、浮充之间的转换是由监控模块自动控制的。蓄电池组均充就是采用恒流充电，充电快，持续时间短；浮充是对电池恒压充电，持续时间长，充电慢。更多的精密充电机使用不同电流与电压等级的复合恒流与恒压流程，记录电流-时间线图，附加的传感器(如温度与压力)将电池的潜在损害降至最低，并使电池寿命、安全性及效率最大化。快速充电控制器可以使用大电流充电，但要在过度放气、压力或温度升高发生前利用反馈切断充电电流。

图(四)

• 充电步骤

阶段1∶清流充电—清流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)；

阶段2∶恒流充电—当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C 之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高，一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V；

阶段3∶恒压充电—当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止.(C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。)；

阶段4∶充电终止—有两种典型的充电终止方法∶采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定值（通常为0℃至45℃），那么充电会暂停，充电结束后，如检测到电池电压低于3.89V将重新充电。

铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池都可以恒流充电。铅酸电池和镍氢电池微过充不会造成极端后果，但过度过充会使电池产生气体并过热。然而锂离子电池过充会使其容量不可逆转地降低并胀气。铅酸电池和锂离子电池可以恒压充电，但不推荐镍氢电池使用。镍氢电池推荐使用带有梯度或递减电流的恒流充电方法，铅酸电池和锂离子电池推荐使用图四中恒流-恒压法。

电池的充电接受能力控制电池充电速度。锂离子电池、镍氢电池与铅酸电池推荐在C/3充电。在快速充电模式下，铅酸电池可以提升至4C充电。镍氢电池可以1C快速充电，当电池电压或温度速率超过临界值时控制器终止充电。锂离子电池可以接受2C的高倍率充电

参考资料：

均充,浮充,恒流充电,恒压充电,涓流充电：到底该怎么充？-电源网 (dianyuan.com)

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