CN101958562B - 锂离子电池组的充电管理方法和充电机 - Google Patents
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Abstract
本发明锂离子电池组充电管理方法和充电机，涉及锂离子电池组在动力设备上的应用。为了解决现有技术中锂离子电池组在安全性、循环寿命及低温充电能力方面的不足，本发明提供了一种锂离子电池组充电管理方法，在该方法中，锂离子电池组以这样的周期性方式充电，即每个周期由充电阶段和静置阶段组成。对于这种充充停停的方法，充电的时候浓差极化、电化学极化大，停电的时候浓差极化、电化学极化由于分子运动很快平衡，从而可以降低或消除电池的极化，大大提高了电池组的安全性、循环寿命和低温充电能力。这样的充电方法可应用到电动自行车、电动汽车、电动船、电动飞机、潜艇和鱼雷等电动设备的锂离子电池组上。
Description
技术领域
本发明涉及应用在电动自行车、电动汽车、电动船、电动飞机、潜艇和鱼雷等电动设备上的锂离子电池组的充电管理方法以及所用到的充电机。
背景技术
除了手机、MP3、MP4等简单手持设备外，锂离子电池还应用到很多电动设备上。由于其额定电压与这些电动设备的额定电压相差甚远，容量大小也不一定合适，所以必须串并联成电池组工作。电池组在串并联工作条件下，单体电池内阻、容量、电压、温度、自放电等参数的一致性差异，极大的影响了电池组的工作效率，特别在极端(如大电流放电，低温放电等)放电条件下，相对较差的单体电池会加速劣化，影响电池组的寿命，同时最终导致劣化电池反极，出现安全问题。
另外，循环寿命较短也是锂离子电池组使用的一个瓶颈。钴酸锂为正极材料的锂离子单体电池，循环寿命800次；三元材料为正极的锂离子单体电池，循环寿命1000次；磷酸铁锂为正极材料的锂离子单体电池，循环寿命3000次；但钴酸锂电池很少做成动力电池，主要原因是安全性问题，三元材料电池组，目前循环寿命不超过500次，磷酸铁锂电池组，循环寿命也不超过800次，这主要是由电池的一致性差引起的。
锂离子电池组使用的另一个瓶颈是低温充电。由于锂离子电池组具有很高的重量比能量和体积比能量，可以应用在电动自行车、电动汽车、电动飞机等设备上。但在北方的冬天，由于温度较低，大大限制了需在室外充电的锂离子电池的使用。
上述所有问题都源自电池的极化和电池组内单体电池一致性差。
由于电池组在电源管理系统(BMS)的管理下工作，并以电池组工作时最差的电池为标准，电池组充电时，最差的电池充满了但其它电池还没有充满时，管理系统默认电池组已经充满；同样，电池组放电时，最差的电池放完电但其它电池没有放完电时，管理系统默认电池组已经放完电，所以电池一致性差，将导致电池的循环寿命短。电池组充电时，由于管理系统精度等方面的原因，最差的电池极有可能过充；同样，电池组放电时，最差的电池极有可能过放，而过充和过放将引起电池的安全性问题，所以电池一致性差，将导致电池的安全性降低。另外，由于低温导致分子运动降低，一致性差的电池由于极化差别更大，充电能力更差。
发明内容
针对上述问题，发明人提出全新的解决方案，即提供如下所述的新的充电管理方法。
一种锂离子电池组充电管理方法，锂离子电池组以这样的周期性方式充电，即每个周期由充电阶段和静置阶段组成。
所述每个周期可以是先进行充电阶段再进行静置阶段，也可以是先进行静置阶段再进行充电阶段。
在现有技术中，先用恒流充电，等电池组电压到了截止电压后改为恒压充电，电流随之降低，等电流降低到截止电流后，电池充满电。而在本发明中，在每个充电周期内都设置了静置阶段。对于这种充充停停的方法，充电的时候浓差极化和电化学极化大，停充的时候浓差极化和电化学极化消失，从而可以降低电池的极化。
在现有技术中，电池低温充电性能差，主要是因为电池在低温条件下离子迁移较慢，充电极化增大，采用本发明的充电方法，可以降低电池的极化，进而提高了电池低温充电能力。在电池安全性方面，采用本发明的充电方法，可以减小电池极化，从而降低电池充电时负极表面形成锂枝晶的可能性，从而降低电池内部短路的可能性，提高安全性。在循环寿命方面，实施数据显示，循环寿命可得到很大改善。
进一步地，在充电过程中，电源管理系统可进行全程均衡，当电池组内电压为最高值的单体电池与电压为最低值的单体电池之间的电压差超过启动均衡参数S1时，关闭所设定的充电方法，启动均衡功能；当电池组内电压为最高值的单体电池与电压为最低值的单体电池之间的电压差低于关闭均衡参数S2时，停止均衡功能，继续所设定的充电方法。
采用全程均衡，有效解决了电池一致性差的问题。这样，在解决极化问题的基础上，又解决了电池一致性差的问题，从而更进一步提高了电池的循环寿命和安全性，也提高了低温充电能力。
优选地，所述启动均衡参数S1和所述关闭均衡参数S2均设定成电源管理系统可检测到的最小电压精度值的倍数，所述启动均衡参数S1必须大于所述关闭均衡参数S2，所述启动均衡参数S1的值可在10mv≤S1≤50mv的范围内选择，所述关闭均衡参数S2的值可在5mv≤S2≤30mv的范围内选择。
再进一步地，在所述每个周期中的充电阶段，充电电流可以是恒定值、线性连续递增、非线性连续递增、阶梯波式递增、线性连续递减、非线性连续递减或阶梯波式递减中的任意一种或者两种或两种以上的组合。
也就是说，在每个周期中的充电阶段，充电电流可以始终为恒定值或者线性连续递增等任意一种；也可以是恒定值加线性连续递增或者是线性连续递增加阶梯波式递减等任意两种组合；或者三种或三种以上的组合。但是，一旦充电电流的模式确定，每个周期都应当是一致的。
针对上述充电模式，所述充电电流的恒定值或者平均值，可以根据I＝C/(T/2)来确定，C为电池组的容量，T为整个充电过程所需要的时间，此时每个周期内充电时间和静置时间相等。优选地，所述充电时间或静置时间可在0.5分钟至10分钟内选择。
针对上述充电模式，或者，充电电流的恒定值或充电电流函数的取值范围可在0.5I1-30I1内选择，I1为1小时率充电电流，其数值等于以Ah为单位的电池组的容量的数值。优选地，在每个周期内，充电时间和静置时间均可在0.5分钟至10分钟内选择。
另外，本发明还提供一种充电机，在该充电机内设有可编程软件，该软件根据所输入的充电函数，控制充电机输出所需要的充电电流，以完成本发明的电池组充电管理方法。
附图说明
图1是本发明的第一实施方案方波充电方法的示意图；
图2是本发明的第二实施方案充电电流线性连续递增的充电方法的示意图；
图3是本发明的第三实施方案充电电流非线性连续递增的充电方法的示意图；
图4是本发明的第四实施方案充电电流线性连续递减的充电方法的示意图；
图5是本发明的第五实施方案充电电流非线性连续递减的充电方法的两个示意图，图5(a)为充电电流凹形连续递减的充电方法，图5(b)为充电电流凸形连续递减的充电方法；
图6是本发明的第六实施方案充电电流为阶梯波式递减的充电方法。
具体实施方式
第一实施方案 方波充电
实施例1、在低温条件下充电
采用方波充电方法，电池组为磷酸铁锂电池组，充电环境温度-20℃，分成两个独立的小组(A小组和B小组)，各小组电池电压200V，容量75Ah，A、B两个小组交替充电，即A小组充电5min，静置5min(同时B小组静置5min，充电5min)，充电电流35A。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过50mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续方波充电。电池组循环寿命2650次(容量为初始容量的80.5％)，电池组低温充电无安全事故。
如果将电池组的容量设置为C1(Ah)，理想充电电流I1设定为1小时率充电电流，那么I1在数值上就等于C1。针对该实施例，实际充电电流I等于7I1/15。
对比例、电动汽车用锂离子电池组以现有充电方法充电
相同电池组，并联充电，采用恒流150A转恒压充电方法，电池组室温充电时间约1.5小时充满，循环寿命800次；电池组在-20℃低温条件下，无法充电。
实施例2、采用方波充电方法，电池组为锰酸锂电池组，充电环境温度26℃，电池组分成两个独立的小组(A小组和B小组)，各小组电池电压200V，容量75Ah，A、B两个小组交替充电即A小组充电10min，静置10min(同时B小组静置10min，充电10min)，充电电流35A。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过35mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于20mV时停止均衡，继续方波充电。电池组循环寿命1550次(容量为初始容量的80.2％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I等于7I1/15。
实施例3、采用方波充电方法，电池组为NCM(镍钴锰)三元材料锂离子电池，充电环境温度26℃，电池组电压360V，容量120Ah，方波充电电流1200A，每个方波充电时间1min，静置1min，然后重复继续下个方波充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过50mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续方波充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1221次(容量为初始容量的80.6％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I等于10I1。
第二实施方案 充电电流线性连续递增的周期间歇性充电
实施例4：采用充电电流线性连续递增的充电方法，电池组为NCM(镍钴锰)三元材料锂离子电池，充电环境温度26℃，电池组电压360V，容量120Ah，线性连续递增的充电电流从30A-120A，充电5min，静置5min，然后重复继续下一个充电电流线性连续递增充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过50mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续用线性连续递增的电流充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1860次(容量为初始容量的80.4％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至1I1内。
实施例5：采用充电电流线性连续递增的充电方法，电池组为NCM(镍钴锰)三元材料锂离子电池，充电环境温度26℃，电池组电压360V，容量120Ah，线性连续递增图形符合y＝2x函数图像，其中y为充电电流，最小电流取值30A，最大电流取值600A，x为充电时间，取值区间为0～5min，静置0.5min后，重复继续下一个电流线性连续递增充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过50mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1968次(容量为初始容量的80.8％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至5I1内。
第三实施方案 充电电流非线性连续递增的周期间歇性充电
实施例6：采用充电电流非线性连续递增的充电方法，电池组为磷酸铁锂电池，充电环境温度26.5℃，电池组电压360V，容量120Ah，非线性连续递增的充电电流从30A-120A，充电5min，静置5min，然后重复继续下一个电流非线性连续递增的充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过50mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续用非线性连续递增的电流充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命3012次(容量为初始容量的80.0％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至1I1内。
实施例7：采用充电电流非线性连续递增的充电方法，电池组为锰酸锂电池，充电环境温度26.5℃，电池组电压360V，容量120Ah，电流非线性连续递增图形符合y＝sinx函数曲线，其中y为充电电流，最小电流取值30A，最大电流取值1200A，x为充电时间，取值区间为0～2min，静置0.5min后，重复继续下一个电流非线性连续递增的充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过20mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1515次(容量为初始容量的80.1％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至10I1内。
第四实施方案、充电电流线性连续递减的周期间歇性充电
实施例8：采用充电电流线性连续递减的充电方法，电池组为NCM(镍钴锰)三元材料锂离子电池，充电环境温度26℃，电池组电压360V，容量120Ah，电流线性连续递减的图形符合y＝-2x+2函数图像，其中y为充电电流，最小电流取值30A，最大电流取值1200A，x为充电时间，取值区间为0～5min，静置0.5min后，重复继续下一个电流线性连续减小的充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过30mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命2019次(容量为初始容量的80.0％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至10I1内。
第五实施方案 充电电流非线性连续递减的周期间歇性充电
实施例9：采用充电电流非线性连续递减的充电方法，电池组为磷酸铁锂电池，充电环境温度26.5℃，电池组电压360V，容量120Ah，电流非线性连续递减的图形符合y＝1/x函数曲线，其中y为充电电流，最小电流取值30A，最大电流取值1200A，x为充电时间，取值区间为0～2min，静置0.5min后，重复继续下一个电流非线性连续递减的充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过20mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命3321次(容量为初始容量的80.1％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至10I1内。
实施例10：采用电流非线性连续递减的充电方法，电池组为锰酸锂电池，充电环境温度26.5℃，电池组电压360V，容量120Ah，电流非线性连续递减的图形符合y＝cosx函数曲线，其中y为充电电流，最小电流取值30A，最大电流取值600A，x为充电时间，取值区间为0～2min，静置0.5min，然后重复继续下一个电流非线性连续减小的充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过30mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1632次(容量为初始容量的80.2％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在0.25I1至5I1内。
第六实施方案 充电电流为阶梯波式递减的周期间歇性充电
实施例11：充电电流为阶梯波式递减，电池组为LFP(磷酸铁锂)电池，充电环境温度26℃，电池组电压360V，容量120Ah，阶梯波充电电流最大为3600A，分成10个等高阶梯为一个周期，从大电流向小电流依次排列，即第一个阶梯为3600A充电0.5min，第二个阶梯为3270A充电0.5min，到第十个阶梯为360A充电0.5min，静置5min后重复继续下个阶梯波充电周期。若同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过20mV即开始均衡，电池组内单体电池最高和最低电压差低于10mV时停止均衡，继续方波充电，直到电池组充满电。电池组循环寿命1997次(容量为初始容量的80.3％)。
另外，同实施例1所述，在本实施例中，实际充电电流I在3I1至30I1内。
本发明不限于上述实施例，只要在本发明的精神范围之内，即每个周期内设置静置阶段以消除电池极化，每个周期内的充电函数可以是上述实施例中充电函数的任意组合，或者上述实施例中充电函数以外的任意充电函数。
本发明还提供一种充电机，该充电机内设有可编程软件，该软件根据所输入的充电函数，控制充电机输出所需要的充电电流。
Claims (1)
1.一种电动汽车用锂离子电池组充电管理方法，其特征在于，锂离子电池组为磷酸铁锂电池或锰酸锂电池或三元材料电池，将电池组分为A、B两个独立的小组，在环境温度条件下A、B两个小组交替充电，并以这样的周期性方式充电，每个周期由充电阶段和静置阶段组成，即A小组充电，此时B小组静置，A小组充电完毕后静置，此时B小组开始充电；充电过程中同时配合全程均衡充电，要求电池组内单体电池最高和最低电压差超过启动均衡参数S1时，关闭所设定的充电方法，启动均衡功能；当电池组内单体电池最高和最低电压差低于关闭均衡参数S2时，停止均衡功能，继续周期性充电；
其中，所述启动均衡参数S1，和所述关闭均衡参数S2均设定成电源管理系统可检测到的最小电压精度值的倍数，所述启动均衡参数S1必须大于所述关闭均衡参数S2，所述启动均衡参数S1的值可在1Omv≤S1≤50mv的范围内选择，所述关闭均衡参数S2的值可在5mv≤S2≤30mv的范围内选择；
在每个周期内，所述充电阶段和静置阶段所需时间相等，并且所述充电阶段时间或静置阶段时间可在0.5分钟至10分钟内选择；在所述每个周期中的充电阶段，充电电流可以是恒定值、线性连续递增、非线性连续递增、阶梯波式递增、线性连续递减、非线性连续递减或阶梯波式递减中的任意一种或者两种或两种以上的组合；充电电流的恒定值或充电电流函数的取值范围可在0.25I1-30I1内选择，I1为1小时率充电电流，其数值等于以Ah为单位的电池组的容量的数值。
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|---|
| 王库等.快速充电技术的探讨.《中国农业大学学报》.2001,(第2期),第62-67页. * |
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