可程序充电器于铅酸与锂电池充电应用

导言

电池是作为最容易使用的能源储存方式之一，近年来被越来越广泛的应用。如今电池不仅可用于个人电子设备、传统汽油汽车和不间断电源（UPS），还被用于电动汽车和新能源的储能设备当中。然而市场上多样的电池种类给消费者甚至是工程师们带来选择电池及充电器的难题。本文将针对最为普遍应用的铅酸电池和锂电池作比较，以及提供如何选择相匹配充电器的方式。
 

铅酸电池及锂电池的特性

铅酸电池是使用最为广泛，历史最长的充电电池之一。主要的优势在于其可接受略高于自身开路电压的充电电压，可提供瞬间的高电流，较宽的使用温度及低廉的价格。由于其较高的可靠性，常常被用在汽车或UPS系统当中。铅酸电池的缺点在于其自身的放电速率高，寿命短，因此不适合用于长期储能。

与铅酸电池相反，锂电池的高充放电速率、高能量密度和低自放电速率使其受到储能应用的青睐。根据正极所使用的不同的材料，锂电池可被划分成多个种类。各种锂电池皆有其特点。如钴酸锂（LCO）电池具有较高的能量密度，适用于个人电子设备。磷酸锂铁（LiFePO4）电池则有较长的使用寿命且温度较稳定，所以常被用作储能应用。锂电池最大的缺点则是其容易在使用中温度过高而导致燃烧，所以更需要谨慎地控制充放电的过程。
 

充电方式

单一的铅酸电池额定电压通常在1.8至2.3V。推荐的最大充电电流为0.3C。大部分的市售电池是由多个单元电池并联和串联组成的。常见的电池电压为12V、24V和48V。注意电池所标示的电压数为其工作电压范围的概数。电池的电压是和其剩余电量成正比的。例如12V的AGM铅酸电池，其开路电压约为10.8V （约30%电量）至13.8V(约100%电量)。
由于铅酸电池的自放电速率较高，所以通常需要使用三段式充电。充电循环的第一阶段为恒流充电（图一‘stage 1’），该阶段充电器会逐渐提高输出电压以保证持续输出额定的最高电流快速充电。当电池电压达到充电器所设置的脉冲电压时，充电器就会转换到恒压充电模式（图一‘stage 2’），充电器在该阶段会输出恒定的脉冲电压并监测输出电流。输出电流随电池电量的增长会逐渐降低，电流降低至额定电流的约10%时，充电器进入浮充模式（图一 ‘stage 3’），充电器自动降低输出电压到事先设定的浮充电压，从而保证电池不过度充电。此时充电已基本完成，但是铅酸电池还是会持续拉电以弥补自放电的消耗。

单一的锂电池额定电压可在3.2 V 到4.4V之间。最大充电电流可达1C。需注意不同厂商生产的相同化学成分锂电池也往往有不同的额定电压及电流。客户需根据电池规格为准。与铅酸电池不同，锂电池不接受高于自身额定电压的充电压且自放电速率极低。因此锂电池常选用无浮充模式的二段式充电（图二）

单元电池的不平衡是高电量锂电池的一大问题。由于生产时无法保证电池的完全一致，单元电池会有不同的等效串联电阻（ESR）。有较小ESR的单元电池会最快充饱或放完电，所以也会最快衰退并报废。单元电池的不平衡不仅会大大缩短整个电池的寿命，且有可能导致电池过热并造成安全隐患。为解决这一问题，高电量的锂电池均需要配备电池管理系统（BMS）。BMS的基本功能为监测单元电池的荷电状态并平衡各单元电池。平衡电池的方式分为被动平衡与主动平衡。被动平衡是给相对电量较高的电池放电。主动平衡则是通过给每个单元电池单独充电以确保相同的荷电状态。运用主动平衡方式的BMS往往仅需使用恒压电源充当其充电器，无需前文所提到的充电曲线功能。
 

明纬充电器方案

同前文所述，不同化学成分的电池，甚至不同的生产厂商所生产的相同成分之电池皆有不同的特性，为确保电池的可靠性、持久性与安全性，充电器的充电曲线需要搭配相对应的电池特性。明纬可程序设计充电器可搭配程序编辑器SBP-001提供弹性的解决方案，以应对不同电池的充电曲线要求。
以近期推出的HEP-1000系列为例。HEP-1000-48的出厂设定为48V，最高1008W的恒压电源，可用于配备有主动平衡BMS的锂电池。用户另外可连接程序编辑器SBP-001和使用相应软件更改为充电模式；默认的充电曲线为适用于铅酸电池的三段式充电(图三)，脉冲电压为57.6V，浮充电压为55.2V。充电电压及电流可透过软件更改到36至60V与3.5至17.5A之间，以满足其他类型的铅酸电池需要。

图三 HEP-1000-48 三段式充电软件接口

用户只需要在软件中选择二段式充电模式，HEP-1000-48便可用于锂电池充电，可调整的电压及电流范围不变。例如给一颗20Ah，最大充电电压为56V的磷酸锂铁电池充电，使用者可将图四所示的‘CV’及‘CC’选项调至56V及17.5A。如此可得到最快速的充电方案。使用者也可以选择较低的恒流点避免高电流导致的高温和较低的恒压点以保证不会过度充电。

图四 HEP-1000-48 二段式充电软件接口

总结

明纬可程序设计式充电器可帮助使用者轻松客制化充电曲线以符合铅酸电池及锂电池的要求。根据温度及电池使用情况做充电电压及电流的调整亦可增长电池寿命及优化可用电量。