在正、负极、电解质三者中任何一种使用高分聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池。
锂聚合物电池不仅具有锂离子电池的优点，即体积小、重量轻、能量密度高、自放电小、无记忆效应，更重要的是，锂聚合物电池可以制成任意形状。锂聚合物电池中的电解液比锂离子电池要少的多，因此更加安全。
§2-2 锂电池的电特性实验 2-2-1 电池电压
锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料、电池的充电状态有关。电池的额定电压有3.6V 和3.7V 两种，目前使用比较普遍的是3.7V 的电池。该电池的充电终止电压为4.2V，放电终止电压一般为2.75V(不同的厂商有不同的推荐值)。从表2.1[17]可以看出，锂离子电池的电压相当于镍镉、镍氢电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数目只有镍镉、镍氢电池的1/3，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、增加了整个电池组的稳定性。
但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。如果电池的终止充电电压是4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象(Overcharge)，对电池造成永久性的损坏：终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。
实验测得充放电时电池电压随电池容量变化的关系。如图2.2，电池终止电压为4.1V。可以发现充电时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。
图2.2 电池电压与容量的关系
Fig 2.2 The relationship between the battery voltage and capacity
我们把电阻等效为d R ，如图2.3，那么充电时的端电压表达式为：
VO =Vcell + Rd ch e I arg ? (2.1)
相应的，放电时端电压表达式为：
O
V = cell V - d R ch e I arg ? (2.2)
图2.3 电池充放电等效回路
Fig 2.3 Battery charging and discharging equivalent circuit
从这两个公式可以看出，在充电和放电时(这里假设充电电流等同于放电电流)，电池端压所表示的值都不是真正电池的电动势，而是加上了电池组内阻的影响。
实验同时测得不同的放电率下，电池电压的变化。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低，电池终止电压为4.2V，如图2.4 所示。
图2.4 不同放电率下，电池电压与容量的关系
Fig 2.4 In different discharge rate, the relationship between the battery voltage and capacity 锂离子电池的使用环境温度范围比较宽，可以达到-20～60℃。但是环境温度对电池的放电容量有很大影响。实验测得环境温度对电池放电的影响，如图2.5 所示。采用0.2C 放电速率，当环境温度为25℃时，可放出额定容量；当环境温度为-5℃时，电池容量下降约5%。电池放电曲线随温度的变化如图2.5 所示。
图2.5 温度为参变量的放电曲线（电池容量为650mAh） Fig 2.5 Temperature parameter for the discharge of the curve
2-2-2 电池寿命
锂离子电池和其他电池一样，也存在使用寿命的问题。在正确使用的前提下，容量也会随着循环次数慢慢减少。造成这一现象的原因主要有一下两点：
1) 负极材料(石墨)中的锂逐渐被电解质氧化，造成可使用的锂离子数目减少。
2) 在循环中，正极材料的老化，降级，使晶状结构慢慢遭到破坏，可容纳的锂离子数目减少。图2.6 表示了不同循环次数下电池容量的变化。
图2.6 电池在1C 的放电率下容量随循环次数的变化
Fig 2.6 In battery discharge rate of 1C the capacity changes with the number of cycles
2-2-3 充放电电流
锂离子电池对充放电的最大电流都有一定的限制。充电时，一般常用的充电率为0.25C～1C（C为电池的容量，比如1500mAh 的锂离子电池，1 C 的充电率即为1500mA）。在大电流充电时，还应检测电池的温度，以防过热损坏电池或产生爆炸。
同样的，锂离子电池的最大放电电流一般限制在2～3C 左右，更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，大电流放电还将影响电池能放出的容量，因为一部分能量转化成了热能。
2-2-4 过充，过放及过温现象
当加在锂离子电池两端的电压超过4.5V 时，就会产生过充现象。过充时负极的石墨嵌入的锂离子完全饱和，锂将在负极沉积下来，形成锂枝晶，使电池的容量减少；同时电池继续从正极抽出过量的锂离子，造成正极材料的活性降低，也会对电池的容量造成损害。
过放现象则是电池电压低于放电终止电压后，仍然继续放电，使电池电压继续降低。过放时，电极产生晶枝，电路迅速短路。虽然此时由于电池已经完全放电，不会造成安全方面的问题，但是电池也已经遭到了不可恢复的破坏，不能再继续使用了。
过温时，锂离子电池中的活性物质(LiC6，LiNiO2)与电解液可能会发生化学反应，产生更多的热量。而电解质中存在可燃的有机溶剂成分。在这种情况下，电池温度将失去控制越来越高，最终导致电池燃烧，甚至爆炸。
2-2-5 小结
本章简要介绍了锂离子电池的化学原理，然后实验分析论证了锂离子电池的电特性： 1) 由充放电实验电池电压与电池容量的关系，表明充电时电池的端压要比放电时高。这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。所以在计算充放电端电压时，不要忘记内阻值的影响。
2) 实验不同放电率下锂离子电池电压的变化。结论表明放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。
3)环境温度对电池放电的影响实验，结论表明温度较低时，放电容量有所下降。 另外还就循环次数，过充，过放，及过温对锂离子电池的影响和危害进行了讨论。 根据电池的这些特点，可以通过设计一个完整的智能充放电管理系统来使电池的使用寿命和性能达到最优化。
第三章智能电器的主体设计
§3-1 电源管理方案
充电管理是电源管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前锂电池充电主要有四种方法[22]：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。
1）恒流充电（CC）
恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图3.1 所示。这种方法
操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。
图3.1 恒流充电法曲线
Fig 3.1 Constant current charge curve
2）恒压充电法（CV） 在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电曲线如图3.2 所示。从图中可以看出，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。
图3.2 恒压充电法曲线
Fig 3.2 Constant voltage charge curve
3）恒流恒压充电法（CC/CV）
在CC/CV 充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC 周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量。在CV 周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10 容量时，充电周期完成。恒流恒压充电曲线如图3.3 所示。
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