CN101800344A - 一种用于锂离子动力蓄电池的充电方法 - Google Patents

Abstract

一种用于锂离子动力蓄电池的充电方法，本发明涉及动力锂离子蓄电池的充电技术领域，充电的环境条件是1个标准大气压、温度25±5℃和湿度≤85％RH，在不同的限制电压阶段下采用不同的恒流充电。本发明充电不会发生过充而又都充满的结果，从而达到了均衡的作用；同时减小了电流均衡作用的电压范围，尽可能的避免了单体电芯不必要的循环损失，改善了电池组充电的不平衡性，提高了工作性能。

Description

一种用于锂离子动力蓄电池的充电方法

技术领域

本发明涉及蓄电池技术领域，特别是动力锂离子蓄电池的充电技术领域。

背景技术

随着国际原油价格飞涨，各种新型能源的研究成为公众关注的焦点。电能作为动力能源已经在各种车辆上得到广泛应用。锂电池以具有较高的能量质量比和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长等优点成为动力电能的首选。然而在现有的条件下，制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池的使用性能和整体寿命，因此应用在动力电池领域存在一定障碍。

现在所采用的锂离子电池组的充电过程分两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。这种充电方式对于单体电池来说还可以，但是用于电池组充电的话，则在恒压阶段当电池一致性不是特别好的时候，就容易出现单体电池之间电压有高有低，就是通常所说的“恒压阶段电压分叉”的现象。

作为一种新型动力技术，锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需求，电池组中单体性能的参差不齐并不完全源于电池生产技术问题，即使每只单体电池出厂时电压、内阻完全一致，使用一段时间以后，也会产生差异，这使得解决动力电池组充电技术问题成为迫切需要解决的技术问题。

在采用镉镍、氢镍电池的卫星电源系统中，基本上都采用恒流充电方式，当达到V-T曲线、电子电量、压力、第三电极等控制方式的控制点时停止充电，完成一个充电过程。锂离子电池不适合采用这些充电控制方式，因为这些充电方式不能保证锂离子电池的充电终压始终限定在规定的范围内，即使充电终压有保证，往往是到达充电终压后立即停止充电，而锂离子电池在到达充电终压后仍然需要补充30％左右的电量。从锂离子电池多年发展来看，恒流-恒压充电控制是最普遍、最适合采用的充电控制方式。在此方式下，充电器首先对锂离子电池进行恒定电流充电，这时电池电压逐渐抬高，当电池电压达到设定值时进行恒定电压充电，这时充电电流近似指数规律减小，所以这种充电方式也称为TAPER型充电控制。

对单节锂离子电池的充电要求(GB/T18287-2000)首先是恒流充电，即电流一定，而电池电压随着充电过程逐步升高，当电池端电压达到4.2V(4.1V)，改恒流充电为恒压充电，即电压一定，电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续逐步减少，当减少到10mA时，认为充电终止。

在动力电池组中由于各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将是某些单体电池的容量加速衰减，串联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定的，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩短，造成这种不平衡的主要原因有：电池制作过程中，由于工艺等原因，同批次电池的容量、内阻等存在差异；电池自放电率的不同，经长时间积累，造成电池容量的差异；电池使用过程中，使用环境如温度、电路板的差异，导致电池容量的不平衡。

为了缩小单体电池在恒压阶段电压之间的差异，现在通用的做法是在保护板上加上均衡模块与单体电池并联对超过设定电压的电池进行分流从而减小电压上升速度，从而缩小差异。

目前对于锂电池组进行均衡管理的方案主要有两种，能耗型和回馈型。能耗型是指给各个单体电池提供并联支路，将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡的目的。回馈型是指通过能量转换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或电池组中的某些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。但由于回馈型设计控制方法复杂，制造成本高，因此很难实现商业化。现在大多都采用能耗型的均衡管理方式。

然而，现有的均衡模块的均衡电流只有0.01C-0.02C(基本只有0.01C)，而充电电流至少是0.2C，所以0.2C充电电流却只有0.01C的均衡，显然在这种充电机制下这种均衡的效果很有限，基本不明显。

对动力锂电池组来说，任何小电流均衡或大电流只做充电均衡而放电不均衡，皆无实际使用意义。若大电流且充放电都均衡，使电池组充电每节电池皆充满而又无过充，放电每节电池都放完而又无过放，才能达到提高续行距离，延长循环使用寿命的目的。不过，因为目前在动力锂电池组中采用的均衡基本上是能耗型的均衡方式，即均衡电流均以电阻发热的形式散出。所以均衡电流不能过大，否则将会产生较大的热量不能及时散出，从而影响电池的循环性能及其安全性能。国内外现尚未见有能用的大电流充放电双向均衡的产品。

在设计电池组均衡模块时，应避免出现充电均衡时被均衡电池处在放电状态，而放电均衡时被均衡电池处在充电状态。否则被均衡的单节电池，相当于循环使用一次。一般来说需放电均衡的单节电池往往每个循环皆需均衡，而且一个循环放电工作中又可能还要多次均衡，故而若是均衡方式、均衡电流选用不得当，则会极大地影响到电池组的循环性能及其使用寿命。

由于各个单体荷电状态的不一致及自身性能的不一致，导致在相同的电流下其能维持的电压不一样，有的在这个电流能维持住，有的不能维持住，则有的上升有的下降，有的保持不变。但是即使所有的都能维持住，但只有一个是维持不住的，那么由于总的电压是一定的，在一个电压下降的同时，其它电压必然会有整体的或是单个的上升，这样同样也会出现差异加剧的现象。

发明内容

本发明目的是为了解决动力锂电池组使用中的一致性问题而提出的一种用于锂离子动力蓄电池的充电方法。

本发明提出了一种多阶段恒流充电的实现方案。

本发明技术方案是：充电的环境条件为1个标准大气压、温度25±5℃和湿度≤85％RH，其特点是：在不同的限制电压阶段下采用不同的恒流充电。

本发明是在采取多阶段恒流的方式，即在不同的限制电压下采取不同的充电电流，最后的结果是：均衡只在小电流充电的阶段的时候才起作用，虽然均衡模块的均衡电流没有改变，但是其充电电流减小了，则其均衡的效果就明显了，做到了充电不会发生过充而又都充满的结果，从而达到了均衡的作用；同时减小了电流均衡作用的电压范围，尽可能的避免了单体电芯不必要的循环损失。本发明在充分考虑工业成本控制和稳定性要求的基础上，采用多阶段恒流充电方式对动力锂电池组进行充电，改善了电池组充电的不平衡性，提高了工作性能。

附图说明

图1为传统方法的充电曲线。

具体实施方式

以36V/10Ah磷酸铁锂动力锂离子电池充电为例。

1、传统的充电方式：

在1个标准大气压下，环境温25±5℃、环境湿度≤85％RH条件下，0.33C恒流充电至电池组充电限制电压43.8V(单体电芯限制电压3.65V)后恒压充电至充电截止电流0.01C，充电结束，其充电曲线为图1所示。

2、采用本发明多阶段恒流的方式：

在1个标准大气压下，环境温25±5℃、环境湿度≤85％RH条件下，在不同的电压下采取不同的充电电流。由于恒压阶段电流是逐渐减小的，用微积分的形式将恒压阶段平滑的曲线分割成多个小阶梯来近似逼近，取其近似值作为充电电流，那每个小阶梯实际上就是一个恒流阶段。如达到41V前，用0.3C；在42V前，用0.1C；在43.8V前，用0.05C；在43.8V，用0.01C......直至充电结束。

结论：

1、本发明电技术的优势在于完全没有恒压阶段，从而避免了恒压充电过程中由于单体电芯的不一致性而出现的电压差异。

2、多次锂电池组充放电实验表明，本发明充电方法能有效改善电池组充电的一致性，提高电池组工作性能。

3、采用本发明充电方法可使电池组循环使用寿命基本达到电池组的理论最长寿命，即电池组中循环性能最差单体的寿命，则电池的使用成本将大幅下降，同时大幅降低了用电设备的故障率，与传统的恒流-恒压充电方式相比，具有十分明显的优越性。

Claims (1)

1.一种用于锂离子动力蓄电池的充电方法，充电的环境条件是1个标准大气压、温度25±5℃和湿度≤85％RH，其特征在于在不同的限制电压阶段下采用不同的恒流充电。