CN102208701A - 一种动力锂电池动态充电方法 - Google Patents

Abstract

一种动力锂电池动态充电方法涉及到一种实时充电方法，尤其涉及到动力锂电池的充电方法。其步骤为：设定初始的充电电流I_i，设定最高的阶段的充电电流I_f，设定好实时的充电电流随电压变化的函数I＝f(V)，使得函数满足I_i＝f(V_i)，I_f＝f(V_f)，I＝f(V)本身满足设定的函数形式。在整个充电过程中，充电电源提供周期为T的恒定电流，初始阶段以I_i恒流充电T时间，然后采样得到电压V₀，V₀代入函数I＝f(V)，得I₁。一下周期以I₁恒流T时间，得电压V₁，然后代入函数I＝f(V)，得I₂。下一周期再以I₂恒流充电T时间，如此循环迭代，直到充电结束。函数可以用多项式的形式(即泰勒展开)来表示，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³+......+a_n*(V-3)ⁿ+...的形式，用一个4或者5次多项式来近似。设定的充电函数应考虑不同电位下正负极材料处于的不同状态。

Description

一种动力锂电池动态充电方法

技术领域

本发明涉及到一种实时充电方法，尤其涉及到动力锂电池的充电方法。

背景技术

随着全球范围内的能源危机，寻找和利用绿色能源和存储绿色能源已成为21世纪能源领域的主要发展方向。锂离子电池由于其高能量密度、高功率、高倍率性能好、循环性能好、工作电压高、没有污染、来源广泛成为了备受瞩目的能源。而用于电动单车、电动汽车和其他电动机械上的动力锂电池更是受到大量的关注。传统的动力锂电池的充电方法，包括恒压、恒流、涓流等方法对锂电池进行充电。没有考虑到充电过程中，尤其是低电位和高电位下电池正负极材料的极化状态。这样的充电办法容易造成比较大的不可逆容量损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以减小对锂电池材料损伤的实时充电方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种实时的动力锂电池充电方法，其步骤为：设定初始的充电电流I_i，设定最高的阶段的充电电流I_f，设定好实时的充电电流随电压变化的函数I＝f(V)，使得函数满足I_i＝f(V_i)，I_f＝f(V_f)，I＝f(V)本身满足设定的函数形式。在整个充电过程中，充电电源提供周期为T的恒定电流，初始阶段以I_i恒流充电T时间，然后采样得到电压V₀，V₀代入函数I＝f(V)，得I₁。下一周期以I₁恒流T时间，得电压V₁，然后代入函数I＝f(V)，得I₂。下一周期再以I₂恒流充电T时间，如此循环迭代，直到充电结束。

任意的连续函数都可以用多项式的形式(即泰勒展开)来表示，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³+......+a_n*(V-3)ⁿ+...的形式，这样我们可以用一个4、5次的多项式来近似表达任意的一个函数f(x)。

本发明的充电方法可以适用于电池化成充电阶段和电池分容充电阶段。

设定的充电函数应考虑不同电位下正负极材料处于的不同状态。

所述采样周期小于1000毫秒。

所述的函数V＝f(I)可以是分段函数。

本发明的有益效果为：充电过程为实时充电，根据电池处于的电压即正负极材料的不同状态提供不同的电流进行充电，大大减少了对电池材料的损坏，延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述方法锰酸锂电池分容阶段的充电曲线图。

图2是本发明所述方法锰酸锂电池化成阶段的充电曲线图。

图3是本发明所述方法磷酸亚铁锂电池分容阶段的充电曲线图。

图4是本发明所述方法钴酸锂电池分容阶段的充电曲线图。

下面结合附图1，以20安时的锰酸锂动力电池的分容充电阶段为例来详细描述本发明的实施方案：

不妨设定最高阶段的充电电流I_f为电池容量的1C，然后电池充电的初始电流大小I_i为0.1C。选择初始电压为3.0V，终止电压为4.2V。为了保证电池处于不同的电压状态即正 负极材料的不同状态时能提供合适的实时电流，以保证大大减少对电池材料的不可逆损耗，我们可以使得电池充电在3.0-3.4、3.8-4.2V时电流和电压的关系满足二次函数关系，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³+......+a_n*(V-3)ⁿ+...，a₃、a₄、a₅....＝0。3.4-3.8V时处于恒流充电状态。

如附图的曲线所示，可以计算出实时充电电流的函数，

$I=f\left(V\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.1+4.5(V-3)-5.625{(V-3)}^2& 3.0\&le;V\&le;3.4\\ 1& 3.4<V<3.8\\ -5(V-4.2)+6.25{(V-4.2)}^2& 3.8\&le;V\&le;4.2\end{array}\right.$

以0.1S为周期，电池3.0V开始以I＝I_i＝0.1C(对于20安时的锰酸锂电池即2A电流)充电0.1S，然后测得电池电压为V₁，带入上面函数I＝f(V)，得I₁，然后以I＝I₁C充电0.1S，然后得电池电压为V₂，带入函数得I₂，如此循环直至V＝4.2V，完成充电。

具体实施方式二

结合附图2，以10安时的锰酸锂动力电池为例详细描述电池化成阶段的充电实施方案。

电池化成阶段是给电池首次充电的阶段，尚未充电的电池电压从0V开始。而且为了保证化成阶段的不可逆容量尽可能小，要采用小电流。不妨设定最高阶段的充电电流I_f为电池容量的0.4C，然后电池充电的初始电流大小I_i为0.05C。选择初始电压为0V，终止电压为3.0V。在化成低电压阶段锂离子嵌入负极材料中和脱出锰酸锂的过程是不可逆的，不妨设电流和电压的关系满足一个三次多项式，即I＝a₀+a₁*V+a₂*V²+a₃*V³+......+a_n*Vⁿ+...，a₄、a₅、a₆....＝0。3.0V-4V阶段可以采用恒流充电。

如附图2曲线，可以设计出这样一个平滑的三次多项式曲线函数来满足要求。

$I=f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.05+0.11667V^2-0.0259259V^2& 0\&le;V\&le;3\\ 0.4& 3<V\&le;4\end{array}\right.$

以0.05S为周期，电池0V开始以I＝I_i＝0.05C(对于10安时的锰酸锂电池来说即0.5A电流)充电0.05S，然后测得电池电压为V₁，带入上面函数I＝f(V)，得I₁，然后以I＝I₁C充电0.05S，然后得电池电压为V₂，带入函数得I₂，如此循环直至V＝4V，电池化成阶段充电完成。

具体实施方式三

结合附图3，以20安时的磷酸亚铁锂动力电池为例，详细描述电池分容充电阶段的实施方案。

不妨把磷酸亚铁锂充电阶段分成四阶段，2.5V-2.8V电池材料极化高应用小电流不妨采用一个三次多项式UI关系，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³。，2.8V-3.2V电流和电压采用二次多项式的关系即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²慢慢增加到最终电流I_f，3.2V-3.5V处在电池的电压平台采用恒流充电，3.5-3.8V，采用一个递减的二次多项式关系。设定最高阶段的充电电流I_f为电池容量的1C，然后电池充电的初始电流大小I_i为0.1C。选择初始电压为2.5V，终止电压为3.8V。

如附图3曲线，可以设计出这样一个三段函数来满足要求。

$I=f\left(V\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.1+13.333{(V-2.5)}^2-29.63{(V-2.5)}^3& 2.5\&le;V\&le;2.8\\ 0.5+2.5(V-2.8)-3.125{(V-2.8)}^2& 2.8<V\&le;3.2\\ 1& 3.2<V\&le;3.5\\ 1-6.667{(V-3.5)}^2& 3.5<V\&le;3.8\end{array}\right.$

以0.02S为周期，电池2.5V开始以I＝I_i＝0.1C(对于20安时的磷酸亚铁锂电池来说即2A电流)充电0.02S，然后测得电池电压为V₁，带入上面函数I＝f(V)，得I₁，然后以I＝I₁C充电0.02S，然后得电池电压为V₂，带入函数得I₂，如此循环直至V＝3.8V，电池化成阶段充电完成。

具体实施方式四

结合附图4，以2安时的钴酸锂电池为例，详细描述电池分容充电阶段的实施方案。

不妨把钴酸锂充电阶段分成三阶段，3.0V-3.4V电池材料极化高应用小电流不妨采用一个三次多项式UI关系，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³。，3.4V-4.0V电池处于最稳定状态采用恒流充电，4.0V-4.2V材料处于高电位状态应减小电流，可采用UI关系为二次函数关系充电。设定最高阶段的充电电流I_f为电池容量的1C，然后电池充电的初始电流大小I_i为0.1C。选择初始电压为3.0V，终止电压为4.2V。

如附图4曲线，可以设计出这样一个三段函数来满足要求。

$I=f\left(V\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.1+16.875{(V-3)}^2-28.125{(V-3)}^3& 3.0\&le;V\&le;3.4\\ 1& 3.4<V<4.0\\ 1-22.5{(V-4)}^2& 4.0\&le;V\&le;4.2\end{array}\right.$

以0.1S为周期，电池3.0V开始以I＝I_i＝0.1C(对于2安时的钴酸锂电池来说即200mA电流)充电0.1S，然后测得电池电压为V₁，带入上面函数I＝f(V)，得I₁，然后以I＝I₁C充电0.1S，然后得电池电压为V₂，带入函数得I₂，如此循环直至V＝4.2V，电池化成阶段充电完成。

Claims (5)

1.一种动力锂电池动态充电方法，其步骤为：设定初始的充电电流I_i，设定最高的阶段的充电电流I_f，设定好实时的充电电流随电压变化的函数I＝f(V)，使得函数满足I_i＝f(V_i)，I_f＝f(V_f)，I＝f(V)本身满足设定的函数形式。在整个充电过程中，充电电源提供周期为T的恒定电流，初始阶段以I_i恒流充电T时间，然后采样得到电压V₀，V₀代入函数I＝f(V)，得I₁。下一周期以I₁恒流T时间，得电压V₁，然后代入函数I＝f(V)，得I₂。下一周期再以I₂恒流充电T时间，如此循环迭代，直到充电结束。

2.如权利要求1所述充电方法，该充电电流随电压变化的函数I＝f(V)可以是分段函数，且每一段具体的函数都可以用一个多项式函数(即泰勒展开)来表示，即I＝a₀+a₁*(V-3)+a₂*(V-3)²+a₃*(V-3)³+......+a_n*(V-3)ⁿ+...，且可以用前几项的形式来近似。

3.如权利要求1所述的充电方法，其特征在于：所述采样电压的周期小于1000毫秒。

4.如权利要求1或者2所述的充电方法，其特征在于：设定的充电函数应考虑不同电位下正负极材料处于的不同状态。

5.如权利要求1所述的充电方法，其特征在于：所述的充电方法可以适用于电池化成充电阶段和电池分容充电阶段。

Images