CN101814639A

CN101814639A - 动力锂离子电池极化电压控制充电方法

Info

Publication number: CN101814639A
Application number: CN201010167690A
Authority: CN
Inventors: 冯大明; 刘飞; 阮旭松; 张维戈; 王占国; 文锋; 温家鹏
Original assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Current assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: CN101814639B

Abstract

本发明涉及电池充电技术领域，具体是指锂离子电池的充电方法。所述充电方法通过电池的极化电压的计算公式：U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d，可以求出电池极化电压的数值变化，通过将极化电压控制在一定数值范围之内，保证在充电电压曲线上产生的畸变固定不变，自动调节电池在充电过程中不同SOC状态下同一极化电压下对应的充电电流，使得电池的充电速度可控。所述充电方法在保证电池寿命的前提下，大大提高了电池的充电速度；同时由于充电时间的缩短，提高了电池的利用效率，减少了电池更换模式下备用电池组的数量，对电动车辆的规模化应用提供了条件。

Description

动力锂离子电池极化电压控制充电方法

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体涉及锂离子电池的充电方法。

背景技术

传统的动力锂离子电池的充电方法，包括恒压恒流充电、分步降流充电、限流恒压充电、逐渐降压充电、渐减脉冲充电、以及模糊控制充电等等。这些充电方法在使用中均有不足，只能根据电池不同的应用场合选用不同的充电方法加以弥补。

例如，恒压恒流充电、分步降流充电、恒压限流充电、逐渐降压充电、渐减脉冲充电均是沿用的铅酸电池的充电方法，实际上，动力锂离子电池的电流接受能力远优于铅酸电池，按照铅酸电池的充电理论对动力锂离子进行充电，充电阈值设置过低，并没有最大限度发挥动力锂离子电池的倍率优势，降低了电池的充电时间效率。

模糊充电是利用模糊识别方法对电池在不同温度、不同电流和不同电压下的充电数据进行提取，形成充电特性数据表，在今后充电时依据此表对电池进行模糊化充电控制。此类方法多是根据电池的经验充电特性设计。然而实际中，随着电池充电条件(包括电池容量、直流内阻等)的改变，电池的充电特性曲线也发生变化，电压、电流、温度等参数控制阀值也有变化。此时，仍然按照经验充电曲线对电池进行充电，是无法与电池原特性匹配的，对电池使用寿命影响很大。

而目前比较常用的恒压恒流CC-CV充电方式未能考虑外界温度和电池容量的影响，恒流转恒压转折点选择上也欠妥。

综上所述，动力锂离子电池的充电技术还处于初级阶段，亟待改进和提高。

发明内容

本发明需解决的问题是弥补现有技术不足，针对动力锂离子电池特性提供一种采用极化电压控制的充电方法，以全面提高电池充电效率和使用寿命。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其步骤为：

a、通过计算得到极化电压理论控制最大值V_PCmax；

b、保持极化电压在线计算值等于V_PCmax，采用模糊跟踪控制法，时时调整充电电流直至充电容量达到总容量的5％；

c、再采用设定的最大充电电流K_I×C_N对电池充电，同时计算极化电压对电池剩余电量(SOC)的变化率，直至此变化率出现拐点；

其中C_N为电池的额定容量，K_I为电池的充电倍率系数；

d、对步骤c充电过程中的N个极化电压采样点进行算术平均数计算，得到电池的极化电压控制计算值

e、比较极化电压控制计算值V_PCcal和极化电压理论控制最大值V_PCmax，如果V_PCmax≥V_PCcal，V_PC＝V_PCcal，如果V_PCmax＜V_PCcal，V_PC＝V_PCmax，V_PC作为极化电压最终控制值；

f、采用模糊控制方法，在充电过程中将极化电压在线计算值控制在极化电压控制值范围之内，时时调整充电电流直至充电完成。

具体的，步骤c中所述采用最大充电电流对电池充电的可充容量小于总容量的5％；同时充电倍率系数K_I选择1＜K_I＜2。

所述极化电压最大值采用下列公式计算：

V_PCmax＝V_max-V_OCV(SOC＝100％)，其中，V_OCV(SOC＝100％)表示电池容量为100％时的开路电压值，V_max表示各种电池的最高允许充电电压。

所述充电方法中时时调整电流的公式为：

U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d，根据可以求出电池极化电压的数值变化，通过将极化电压控制在一定数值范围之内，保证在充电电压曲线上产生的畸变固定不变，自动调节电池在充电过程中不同SOC状态下同一极化电压下对应的充电电流，使得电池的充电速度可控。

与现有技术相比，所述充电方法基于锂离子电池极化电压在线控制充电电流，在保证电池寿命的前提下，大大提高了电池的充电速度；同时由于充电时间的缩短，提高了电池的利用效率，减少了电池更换模式下备用电池组的数量，对电动车辆的规模化应用提供了条件。

附图说明

图1为本发明所述极化电压控制方法充电曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述极化电压控制充电方法，步骤如下：

a、通过计算得到极化电压理论控制最大值V_PCmax。极化电压最大值采用下列公式计算：V_PCmax＝V_max-V_OCV(SOC＝100％)，其中，V_OCV(SOC＝100％)表示电池容量为100％时的开路电压值。V_max表示各种电池的最高允许充电电压，根据电池重量不同而不同，例如磷酸铁锂电池的最高允许充电电压为3.6V，锰酸锂电池为4.2V。

b、保持极化电压在线计算值等于V_PCmax，采用模糊跟踪控制法，时时调整充电电流直至充电容量达到总容量的5％。由于在电池充电初始阶段，电池的极化现象非常明显，充电过程中极化电压增加很快。表现在外电压上，从电池的充电特性曲线上可明显看出，充电初始阶段电压上升较快，而在充电容量达到电池总容量的5％时，充电曲线逐渐平稳。因此该段充电结束点即是选择充电曲线由快速上升转至平稳阶段的拐点，这个拐点一般在电池容量达到总容量的5％时。

c、再采用设定的最大充电电流K_I×C_N，对电池进行充电至充电容量达到电池总容量的一定比例，一般选择电池充电容量达到电池总容量的10％范围内。其中C_N为电池的额定容量，K_I为电池的充电倍率系数，K_I选择1＜K_I＜2，根据电池种类的不同而有所不同。

该充电阶段属于控制参数计算阶段，理论上该阶段越短，越早进入充电控制越好，在选择较短时间段采样时，采样点需密集。

d、对步骤c充电过程中的N个极化电压采样点进行数学平均值计算，得到电池的极化电压控制计算值

e、比较极化电压控制计算值V_PCcal和极化电压理论控制最大值V_PCmax，如果V_PCmax≥V_PCcal，V_PC＝V_PCcal，如果V_PCmax＜V_PCcal，V_PC＝V_PCmax，V_PC作为极化电压最终控制值。

步骤b、f中所述的极化电压在线调整电流的方式是：通过公式U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d，通过公式在充电过程中时时计算电池的极化电压，作为充电电流的控制目标。即实时调整充电电流I，将电池的极化电压U_p控制在极化电压控制值V_PC(V_PCmax)内。

其中，U₀为电池外电压，U_OCV＝f(SOC)为电池的开路电压，该函数的建立方法是：对OCV-SOC(电池开路电压随电池剩余电量变化特性曲线)进行有序间隔点测量，依据测量点将OCV-SOC曲线进行分段线性化处理，得SOC的分段函数：

U_{OCV} = f (SOC) = \{\begin{matrix} H (0) \times soc + B (0); & 0 < soc \leq 5 \\ H (1) \times soc + B (1); & 5 < soc \leq 10 \\ M & M \\ H (18) \times soc + B (18); & 90 < soc \leq 95 \\ H (19) \times soc + B (19); & 95 < soc \leq 100 \end{matrix}

其中H(i)，B(i)，i＝0，1，2……19分别为各段曲线的斜率和截距。

U_R＝I×R_d为欧姆压降，内阻R_d的计算方法是：处于恒流充电状态的电池突然停充电时，测试电池的瞬时电压跌落和电池的恢复过程，根据静置识别法原理，任取两点电压和电流值，得到电池内阻R_d＝(V₁-V₂)/(I₁-I₂)。

用此种方法对电池进行充电循环实验，得出电池的充电特性曲线如图1所示，该充电曲线接近电池理想充电曲线。分析该方法充电特性和循环特性与目前最常用的恒流恒压(CC-CV)充电方法比较结果如下表：

	极化控制充电	CC-CV(1C)	CC-CV(0.3C)
	极化控制充电	CC-CV(1C)	CC-CV(0.3C)	循环特性(充电100次后容量衰退率)	3.46％	5.09％	3.44％
充电时间	1h30min	1h5min	3h12min	循环特性(充电100次后容量衰退率)	3.46％	5.09％	3.44％
充电时间	1h30min	1h5min	3h12min	充满电时端电压	4.178V	4.201V	4.201V

如上表所示，本发明所述充电方法与0.3C电流充电的充电曲线比较，缩短了近一半的充电时间，而电池的使用寿命接近，使用寿命远远高于采用1C电流充电电池的使用寿命，因此，本发明所述充电方法在提高电池充电效率的同时，保证了电池的使用寿命，是一种较好的充电方式。

上述仅为本发明较佳的实现方式，在不脱离本发明构思前提下，对其所做的任何微小变化及等同替换均属于本发明保护范围。

Claims

1.动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其步骤为：

a、通过计算得到极化电压理论控制最大值V_PC max；

b、保持极化电压在线计算值等于V_PC max，采用模糊跟踪控制法，时时调整充电电流直至充电容量达到总容量的5％；

c、再采用设定的最大充电电流K_I×C_N对电池充电，同时计算极化电压对电池剩余电量SOC的变化率，直至此变化率出现拐点；其中C_N为电池的额定容量，K_I为电池的充电倍率系数；

e、比较极化电压控制计算值V_PCcal和极化电压理论控制最大值

V_PC max，如果V_PC max≥V_PCcal，V_PC＝V_PCcal，如果V_PC max＜V_PCcal，

V_PC＝V_PC max，V_PC作为极化电压最终控制值；

2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其特征在于：步骤c中采用最大充电电流对电池充电充至电池容量达到总容量的10％以内。

3.根据权利要求2所述的动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其特征在于：步骤c中电池的充电倍率系数K_I选择1＜K_I＜2。

4.根据权利要求3所述的动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其特征在于：所述极化电压最大值采用下列公式计算：V_PC max＝V_max-V_OCV(SOC＝100％)，其中，V_OCV(SOC＝100％)表示电池容量为100％时的开路电压值，V_max表示各种电池的最高允许充电电压。

5.根据权利要求1-4所述的动力锂离子电池极化电压控制充电方法，其特征在于：步骤b、f中时时调整充电电流的步骤为：

a、测量并计算电池内阻R_d；

b、对电池的开路电压随电池剩余电量变化特性曲线(OCV-SOC)进行有序间隔点测量，依据测量点将OCV-SOC曲线进行分段线性化处理，得SOC的分段函数：

U_{OCV} = f (SOC) = \{\begin{matrix} H (0) \times soc + B (0); & 0 < soc \leq 5 \\ H (1) \times soc + B (1); & 5 < soc \leq 10 \\ M & M \\ H (18) \times soc + B (18); & 90 < soc \leq 95 \\ H (19) \times soc + B (19); & 95 < soc \leq 100 \end{matrix}

其中H(i)，B(i)，i＝0，1，2……19分别为各段曲线的斜率和截距；

c、根据U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d实时在线计算电池的极化电压U_p，实时计算电池的极化电压，作为充电电流的控制目标，U_OCV为电池的开路电压，U_R为欧姆压降。