CN103904378A - 锂电池模组的充放电方法 - Google Patents

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Abstract

锂电池模组的充放电方法，涉及到电池充放电技术领域。本发明解决了现有锂电池组充放电方法存在的导致锂电池内部生成锂枝晶，进而导致锂电池永久性损坏的问题。本发明所述的充放电方法是在电池充电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压大于或等于充电上限阈值时则停止充电；在电池的放电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压小于或等于放电下限阈值时停止放电。本发明克服了现有充放电控制技术中将电池模组中单体电池的状态作为充放电停止条件的固有思路，并且摒弃了本领域一直延续的“充电要尽量充满、放电要尽量放光”的充放电控制思路，并且取得了预想不到的延长电池模组寿命的效果。本发明适用于锂电池管理系统。

Description

锂电池模组的充放电方法
技术领域
本申请涉及到电池充放电技术领域，具体涉及到电动汽车使用的锂电池组的充放电技术领域。
背景技术
现有电动汽车的锂电池组的充放方法一般为对电池模组采用恒流恒压充电。在充电初期，进行恒流充电；当某一单体电池端电压达到恒压点时（一般磷酸铁锂电池厂给出的电压是3.6V），转为恒压充电，当恒压充电电流小到一定程度时（如恒流充电电流为50A时，恒压结束条件为5A或1A），充电结束。电池模组放电时，当某一单体电池电压达到放电截止电压时（一般磷酸铁锂电池厂给出的电压是2.5V），放电结束。这种深度充放电过程，会不断加大电池之间的差异，缩短电池模组的寿命。
锂电池组在串联应用的充电/放电过程中，基于不同材料的锂电池的自身电化学特性，会形成各自相近的充放电曲线平台，该曲线平台会随着电池模组充电/放电电流的大小和环境温度的变化而按其特有的电化学规律变化。在接近充电/放电末端时，电池组中的所有的单体电池端路电压曲线由于相互之间的差异性会形成微电压差的曲线族，无论何种类型的锂电池该曲线族均会按其发展规律急剧地上升或下降，这种现象被称为“马尾现象”。电化学界通常将电池在充放电后期所产生的剩余电量称为“马尾效应”，其具体表现为充电到容量约90%，放电到容量约10%时而产生的马尾现象。参见图1所示，是国内某电池厂的180Ah磷酸亚鉄鋰动力锂离子电池在室温下1/3C充放电的电压曲线，其中曲线Q1充电曲线，曲线Q2是放电曲线。充放电的电压平台都是3.35V左右，充电电压两个拐点A的电压分别是3.25V和3.45V；放电电压两个拐点A的电压分别是3.4V和3.1V。通过该测试曲线可明显看出在电池充放电尾端产生的马尾效应。
采用现有的充放电方法，会使得锂电池经常处于由于马尾效应引起的过充或过放状态，而这种多次的过充或过放的循环状态，会使锂电池内部生成锂枝晶，这些锂枝晶的硬度比较大、并且带有尖刺，当锂枝晶生长到一定程度时，会刺破电池隔膜而造成电池永久性损坏并不可恢复。
发明内容
本申请为了解决现有锂电池组充放电方法存在的导致锂电池内部生成锂枝晶，进而导致锂电池永久性损坏的问题，本申请而提出了一种新的锂电池模组的充放电方法。
本发明所述的锂电池模组的充放电方法，是在电池充电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压大于或等于充电上限阈值时，则停止充电；在电池的放电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压小于或等于放电下限阈值时，停止放电。
所述充电上限阈值和放电下限阈值根据电池种类不同而不同。例如：
当电动汽车用锂电池模组由磷酸铁锂电池组成时，充电上限阈值为：Vcm=Min(Vcb,3.6)V，放电下限阈值为：Vdm=Max(Vdb,2.5)V。
当电动汽车用锂电池模组由锰酸锂电池组成时，充电上限阈值为：Vcm=Min(Vcb,4.2)V，放电下限阈值为：Vdm=Max(Vdb,2.0)V。
所述Vcb是电池模组在充电过程中上限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为12dcp点所对应的电池模组的电压，dcp为充电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。
所述Vdb是电池模组在放电过程中下限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为9ddp点所对应的电池模组的电压，ddp为放电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。
上述方法是在充放电过程中，根据电池模组的电压变化情况控制充电或放电的截止条件，还可以根据电池模组在充放电过程中的容量变化来确定充放电的截止条件。
本发明所述的锂电池模组的充放电方法可以采用电池模组的电压变化情况控制截止条件充电方式实现充电。
本发明所述的充放电方法，克服了现有充放电控制技术中将电池模组中单体电池的状态作为充放电停止条件的固有思路，并且摒弃了本领域一直延续的“充电要尽量充满、放电要尽量放光”的充放电控制思路，并且取得了预想不到的延长电池模组寿命的效果。
本发明合理的抑制了锂电池“马尾效应”的不当应用，采用更为合理的锂电池模组充放电平台曲线族自适应阈值抑差法正是基于这种锂电池成组应用的特性而建立的一种数学模型。其主要机理是通过动态调节锂电池的充电上限阈值和放电下限阈值来满足锂电池串并联成组的合理应用。
本发明所述的充放电方法，克服了现有本领域的技术偏见，并没有采用技术手段去使电池充电充到极致或放电放到极致的方法去增加电池的使用寿命，而是控制锂电池模组不会出现过充或过放状态，即：绝不频繁超限使用，该方法表面上似乎是损失了些许剩余电量，但从电池曲线族“马尾效应”分析，让电池始终处于最佳的平台应用状态，换得电池的循环寿命得以成倍延长。
采用本发明所述的充放电方法对锂电池组进行充放电，能够有效抑制“马尾现象”，进而避免在锂电池内部生成锂枝晶的问题。传统的充放电方法锂电池模组的寿命一般内不超过单体电池的50%，采用本发明所述的充放电方法，还能够使锂电池模组的稳定性更好、有效的充放电次数更多、使用寿命更长，基本能够达到单体电池寿命的90%。
本发明适用于锂电池管理系统，尤其适用于电动汽车使用的动力锂电池模组管理系统。
附图说明
图1是磷酸铁锂电池充放电电压曲线图，其中曲线Q1为充电电压曲线，曲线Q2为放电电压曲线，曲线上的A表示拐点。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种锂电池模组的充放电方法，是在电池充电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压大于或等于充电上限阈值时，则停止充电；在电池的放电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压小于或等于放电下限阈值时，停止放电。
所述充电上限阈值和放电下限阈值根据电池种类不同而不同。例如：
当电动汽车用锂电池模组由磷酸铁锂电池组成时，充电上限阈值为：Vcm=Min(Vcb,3.6)V，放电下限阈值为：Vdm=Max(Vdb,2.5)V。
当电动汽车用锂电池模组由锰酸锂电池组成时，充电上限阈值为：Vcm=Min(Vcb,4.2)V，放电下限阈值为：Vdm=Max(Vdb,2.0)V。
所述Vcb是电池模组在充电过程中上限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为12dcp点所对应的电池模组的电压，dcp为充电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。
所述Vdb是电池模组在放电过程中下限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为9ddp点所对应的电池模组的电压，ddp为放电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。
本实施方式所述的充放电方法是在充放电过程中，根据电池模组的电压变化曲线自动调整充放电阈值，进而合理控制充电或放电的截止条件。
电池成组的初始一致性特性十分重要，即便电池成组初始一致性符合要求，而在使用后期仍会带来导致电池成组特性提前劣化的现象频发，这也就是为什么锂离子动力电池一直不能满足新能源汽车性能要求的根本原因所在。因此对其管理手段——电池管理系统；尤其要认真对待电池曲线族特性，本发明所述的充放电方法是基于电池曲线族特性而设计的，能够依据锂电池模组曲线平台自适应的动态调整阈值，进而达到有效抑制电池模组内部各个单体电池之间的电压差的效果，能够合理管理锂电池模组的充放电过程。
本实施方式所述的充放电方法充分利用了锂电池的曲线平台，在电池本身的曲线族“马尾效应”特性允许的条件下合理采用锂电池模组曲线平台自适应阈值动态抑差法让成组电池发挥
充电电化学理论及实践表明常温下或是适度的充放电倍率如：0.3C～1.0C的情况下电池特性会有较佳的表现，相对电池的循环寿命会长很多，这也在一定程度上会降低电池模组的应用成本。因此，对动力锂离子电池而言，应当尽量要避免“全充全放”。而当对电池模组采用“高倍率充放”，如果时间过长会导致电池发热，进而加速电池损坏，因此对于作为纯电动汽车的主动力源的电池不适合采用该种“高倍率充放”的充放电方式。在混合动力车中，电池是辅助动力系统，只有在加速、爬坡时提供辅助动力，以及在制动时吸收部分动能，平时是不工作的，电池工作在平台电压阶段，因此为了减少整车质量，电池模组可以设计成高倍率充放电，而不会对寿命有明显的影响，单是针对该种电池模组的充放电控制，也仅限于混合动力车在电池中部很窄的DOD区间里才可采用。
本发明所述的充放电方法的优点有：
（1）利用锂电池模组曲线平台自动调整充放电阈值，进而实现动态抑差法管理锂电池组，能够明显延长电池模组的整体寿命；经实验验证，能够比采用现有方法延长电池模组的整体寿命6%以上，使得电池模组的整体寿命接近于单体电池的使用寿命。
（2）在充电/放电过程中，由于不越过电池充放电曲线中的拐点，电池不易受损伤，各单体电池之间会保持均衡状态。由于电池厂给出的充放电截止电压是电池的安全指标，而不是工作电压，即在此范围内充放电，电池不会发生爆炸、燃烧等危险，因此该充放电截止电压并不保证电池不会受到损伤。当电池达到截止电压时，极板会加速劣化，如晶格塌陷、枝晶形成等，这也是为什么在这个阶段曲线会变得非常陡。由于电池产生明显的劣化，电池间的不一致性会逐渐变得明显。而本发明利用采用拐点控制，电池始终工作在平台阶段，每个循环电池不会受到明显的损伤，因此在电池出厂时一致性和循环寿命能够保证的前提下，电池模组在工作过程中不会产生超出允许范围的偏差。
（3）降低了管理系统的设计复杂程度，并减少了电池组的充电时间。

Claims (6)

1.一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述充放电方法是在电池充电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压大于或等于充电上限阈值时，则停止充电；在电池的放电过程中，实时检测锂电池模组的端电压，当所述端电压小于或等于放电下限阈值时，停止放电。 
2.根据权利要求1所述的一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述充电上限阈值和放电下限阈值根据电池种类确定。 
3.根据权利要求1所述的一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述电动汽车用锂电池模组由磷酸铁锂电池组成，充电上限阈值为：Vcm=min(Vcb,3.6)V，放电下限阈值为：Vdm=max(Vdb,2.5)V。 
4.根据权利要求1所述的一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述电动汽车用锂电池模组由锰酸锂电池组成，充电上限阈值为：Vcm=min(Vcb,4.2)V，放电下限阈值为：Vdm=max(Vdb,2.0)V。 
5.根据权利要求3或4所述的一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述Vcb是电池模组在充电过程中上限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为12dcp点所对应的电池模组的电压，dcp为充电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。 
6.根据权利要求3或4所述的一种锂电池模组的充放电方法，其特征在于，所述Vdb是电池模组在放电过程中下限拐点处的电压，是在电压变化曲线的斜率为9ddp点所对应的电池模组的电压，ddp为放电过程中电压变化曲线在平台阶段的平均斜率。 
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