CN105514514B - 锂离子动力电池优化充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子动力电池优化充电方法，包括如下步骤：1、分别采用多种电流对锂离子电池进行恒流充电实验，当其端电压到达单体电池最大电压时停止充电，记录此时充入锂离子电池的电量，选取充入电量最多的充电电流作为第一充电阶段的充电电流值；2：根据第一充电阶段的充电电流值对电池进行恒流充电；3：采用正负脉冲结合的方式给锂离子电池继续进行第二充电阶段充电，将第二个充电阶段分成两个分充电阶段，两个分充电阶段采用幅度逐级递减的正脉冲对锂离子电池充电，且相邻的两个正脉冲之间加负脉冲。本发明在快速，高效的对动力电池进行充电的同时，还不会损害动力电池和影响电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池充电技术领域，具体地指一种锂离子动力电池优化充电方法。
背景技术
目前电动汽车用动力电池充电机主要有四种充电方式，即恒流式充电，恒压式充电，两段式或三段式充电以及脉冲式充电。根据蓄电池最佳充电曲线可知，随着充电过程的进行，蓄电池可接受的理想的充电电流应该是逐渐变小的，因此采用恒定的电流充电，在充电后期，对蓄电池来说，充电电流就会过大，导致蓄电池过充。恒压式充电方法充电开始时电流过大，过大的充电电流会使蓄电池在充电初期充电阶段容易发生极化反应，到充电后期，对蓄电池来说充电电流又过小，过小的充电电流则容易使充电后期造成蓄电池充电不足。两段式或三段式充电方法是将恒流充电和恒压充电相结合，充电过程中能有效的控制蓄电池的析气反应，减小能量的损失，但在充电过程中，需要进行模式切换，因此控制系统相对复杂，同时也存在恒流恒压充电方法中包含的缺点。脉冲式充电方法在消除或减小极化方面效果比较明显，但是其能量转换效率相对较低。总之，采用上述充电方式充电时，电池在充电过程中会产生极化现象，导致充电时间长、充电效率低。为达到快速充电的目的，一般采取加大充电电流的措施，从而又会导致在充电过程电池内阻升高、电池温度上升过快的问题，容易导致电池永久性损坏。由此可见，充电技术是关系锂离子动力电池在纯电动汽车上推广应用的核心技术，关系到电池使用的安全性和经济性问题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种锂离子动力电池优化充电方法，该方法在快速，高效的对动力电池进行充电的同时，还不会损害动力电池和影响电池的使用寿命。
为实现此目的，本发明所设计的一种锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：分别采用多种电流对锂离子电池进行恒流充电实验，为使实验具有统一性，实验开始前，应保证锂离子电池的荷电状态为零，当锂离子电池端电压到达单体电池最大电压时停止充电，记录此时充入锂离子电池的电量，选取充入电量最多的充电电流作为第一充电阶段的充电电流值；
步骤2：根据步骤1确定的第一充电阶段的充电电流值对锂离子电池进行恒流充电，当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时停止充电；
步骤3：采用正负脉冲结合的方式给锂离子电池继续进行第二充电阶段充电，将第二个充电阶段分成两个分充电阶段，两个分充电阶段采用幅度逐级递减的正脉冲对锂离子电池充电，且相邻的两个正脉冲之间加负脉冲，相邻的正脉冲和负脉冲之间具有时间间歇，第一分充电阶段与第二分充电阶段之间的跳转条件为当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，转入第二个分充电阶段，在第二分充电阶段充电过程中当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，即完成锂离子动力电池优化充电。
本发明的有益效果为：
与现有技术是相比，本发明采用基于间歇—正负脉冲充电的优化充电方法，在保证电池寿命的前提下，最大程度地减小极化因素对充电的影响，显著提高了充电速度和充电效率。同时，锂离子动力电池属于新一代电池技术，本发明采用实验方法确定初始充电电流、正脉冲幅值、负脉冲幅值和间歇时间等关键参数，以相关测试数据作为理论支撑，避免了现有充电技术常常忽视电池类型差异，照搬铅酸电池最优充电曲线参数，没有最大限度的发挥锂离子电池的电流接受优势。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本充电方法的优化充电策略是：在充电的初期要给锂离子电池施加一个相对较大的充电电流(充电初期电流不宜过大或过小)，使它在充电初期短时间内能充入大量电量，而又避免电池过充和温升过快，同时需要确保随着充电过程的进行，充电的电流逐渐变小，同时对锂离子电池的极化状况进行评估，适时采取去极化的措施，且去极化措施应该伴随整个充电过程。
本发明所采用的技术方案具体包括如下步骤：
步骤1：分别采用多种电流对锂离子电池进行恒流充电实验，为使实验具有统一性，实验开始前，应保证锂离子电池的荷电状态为零，当锂离子电池端电压到达单体电池最大电压时停止充电，记录此时充入锂离子电池的电量，选取充入电量最多的充电电流作为第一充电阶段的充电电流值；
步骤2：根据步骤1确定的第一充电阶段的充电电流值对锂离子电池进行恒流充电，当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时停止充电；
步骤3：采用正负脉冲结合的方式给锂离子电池继续进行第二充电阶段充电，因为锂离子电池可接受充电的能力是逐步下降的，于是将第二个充电阶段分成两个分充电阶段，两个分充电阶段采用幅度逐级递减的正脉冲对锂离子电池充电，且相邻的两个正脉冲之间加负脉冲，相邻的正脉冲和负脉冲之间具有时间间歇，第一分充电阶段与第二分充电阶段之间的跳转条件为当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，转入第二个分充电阶段，在第二分充电阶段充电过程中当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，即完成锂离子动力电池优化充电。
上述技术方案的步骤3中，正脉冲幅度递减系数采用如下试验方法确定：正脉冲幅度递减系数为第二个分充电阶段充电正脉冲幅值与第一个分充电阶段充电正脉冲幅值的比值，为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，预先设定多个正脉冲幅度参考递减系数，分别采用每个正脉冲幅度参考递减系数进行充电实验，第一分充电阶段与第二分充电阶段之间的跳转条件为当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，转入第二分充电阶段，第二分充电阶段充电全部完成后，记录每个正脉冲幅度参考递减系数进行充电实验中充入锂离子电池的电量，选取充入锂离子电池电量最多的正脉冲幅度参考递减系数作为第二充电阶段正脉冲幅度递减系数。
上述技术方案的步骤3中，每个相邻的正脉冲和负脉冲之间的时间间歇相等，且该时间间歇为0.5～1秒。该时间间歇优选为0.8秒。在给锂离子电池施加正脉冲结束后转入负脉冲时，间歇停充一段时间，能有效的去除充电过程中的极化效应。间歇的时间长，虽然能更好的消除极化，可是违背了快速充电的原则，间歇的时间如果过短，则达不到消除极化的目的，确定间歇的时间长短对充电过程有着重要影响。试验表明间歇时间大于1秒时，电池压降增大速率明显变缓，间歇时间设置为0.5～1秒之间较为合适。本发明中将间歇时间定为0.8秒。负脉冲能有效的去除充电过程中的消除极化效应，但如果负脉冲的幅值太小，去极化的效果不佳，如果负脉冲的幅值太大，锂离子电池会被损坏。上述负脉冲幅值大小采用如下实验方法来确定：为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，分别采用预设的多个不同放电电流对锂离子电池进行脉冲放电实验，分别测量脉冲放电前后锂离子电池端电压压降以及温度的上升值，在温度变化小于1℃的放电电流中，选择放电前后压降最大的放电电流值的幅值作为负脉冲的幅值。
上述技术方案中，所述预设的多个不同放电电流分别为0.8C、1C、1.2C和1.5C。
上述技术方案中，所述单体电池最大电压为4.2V。
上述技术方案的步骤1中，对锂离子电池进行恒流充电实验的多种电流包括0.8C、1.0C、1.2C和1.5C的电流。
上述技术方案的步骤3中，预先设定多个正脉冲幅度参考递减系数包括0.3、0.4、0.5和0.6。
上述技术方案中，所述第一分充电阶段的充电正脉冲幅值与第一充电阶段的恒流充电幅值的比值范围为0.3～0.6。
实施例中使用的锂离子电池，单体容量为10Ah，最高电压为3.6V。所有测试实验均采用相同型号的锂离子电池在同一环境下进行。
第一阶段：采用一段较大电流的恒流充电，使动力电池在较短时间内能充入尽可能多的电量。确定采用多大的充电电流时，分别采用0.8C、1.0C、1.2C、1.5C大小的电流对锂离子电池进行恒流充电实验，为使实验具有统一性，实验开始前，应保证锂离子电池的荷电状态为零，当其端电压到达4.2V时停止充电，记录此时充入电池的电量，如表一所示，选取充入电量最多的充电电流，即10A(对应充入电量为7.93Ah)作为第一阶段的充电电流值。
表一
| 恒流幅值(A) | 充电时间 | 温升(℃) | 充入电量(Ah) |
| 8 | 5271 | 3 | 7.64 |
| 10 | 4963 | 3 | 7.93 |
| 12 | 4829 | 3 | 7.76 |
| 15 | 4628 | 3 | 7.52 |
第二阶段：在此阶段，采用正负脉冲结合的方式给锂离子电池继续充电，因为锂离子电池可接受充电的能力是逐步下降的，于是将第二个阶段分成两个分阶段，每个分阶段采用幅度逐级递减的正脉冲对锂离子电池充电，且相邻的两个正脉冲之间加负脉冲。正负脉冲之间添加间歇。正脉冲幅度递减系数采用试验方法确定，所述递减系数为下一个分阶段充电正脉冲幅值与当前分阶段充电正脉冲幅值的比值，为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，将递减系数分别定为0.3、0.4、0.5、0.6，各级电压之间的跳转条件为，当电压到达4.2V时，转入下一个分阶段，两个充电分阶段全部完成后，记录充入电池的电量，如表二所示，选取充入电量最多的递减系数0.5(对应充入电量为8.99Ah)作为第二阶段充电正脉冲幅度递减系数。在给锂离子电池施加正脉冲结束后转入负脉冲时，间歇停充一段时间，能有效的去除充电过程中的极化效应。间歇的时间长，虽然能更好的消除极化，可是违背了快速充电的原则，间歇的时间如果过短，则达不到消除极化的目的，确定间歇的时间长短对充电过程有着重要影响。试验表明间歇时间大于1秒时，电池压降增大速率明显变缓，间歇时间设置为0.5秒-1秒之间较为合适。本发明中将间歇时间定为0.8秒。负脉冲能有效的去除充电过程中的消除极化效应，但如果负脉冲的幅值太小，去极化的效果不佳，如果负脉冲的幅值太大，锂离子电池会被损坏。因此，负脉冲幅值大小同样采用实验方法来确定。为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，分别采用不同的放电电流0.8C、1C、1.2C、1.5C对动力电池进行放电实验，分别测量脉冲放电前后锂离子电池端电压压降以及温度的上升值，如表三所示，选择不会引起明显温度变化，放电前后压降尽可能大的放电电流值1C(10A)作为负脉冲的幅值。
表二
表三
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：分别采用多种电流对锂离子电池进行恒流充电实验，为使实验具有统一性，实验开始前，应保证锂离子电池的荷电状态为零，当锂离子电池端电压到达单体电池最大电压时停止充电，记录此时充入锂离子电池的电量，选取充入电量最多的充电电流作为第一充电阶段的充电电流值；
步骤2：根据步骤1确定的第一充电阶段的充电电流值对锂离子电池进行恒流充电，当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时停止充电；
步骤3：采用正负脉冲结合的方式给锂离子电池继续进行第二充电阶段充电，将第二个充电阶段分成两个分充电阶段，两个分充电阶段采用幅度逐级递减的正脉冲对锂离子电池充电，且相邻的两个正脉冲之间加负脉冲，相邻的正脉冲和负脉冲之间具有时间间歇，第一分充电阶段与第二分充电阶段之间的跳转条件为当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，转入第二个分充电阶段，在第二分充电阶段充电过程中当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，即完成锂离子动力电池优化充电；
所述步骤3中，正脉冲幅度递减系数采用如下试验方法确定：正脉冲幅度递减系数为第二个分充电阶段充电正脉冲幅值与第一个分充电阶段充电正脉冲幅值的比值，为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，预先设定多个正脉冲幅度参考递减系数，分别采用每个正脉冲幅度参考递减系数进行充电实验，第一分充电阶段与第二分充电阶段之间的跳转条件为当锂离子电池的端电压到达单体电池最大电压时，转入第二分充电阶段，第二分充电阶段充电全部完成后，记录每个正脉冲幅度参考递减系数进行充电实验中充入锂离子电池的电量，选取充入锂离子电池电量最多的正脉冲幅度参考递减系数作为第二充电阶段正脉冲幅度递减系数。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述步骤3中，每个相邻的正脉冲和负脉冲之间的时间间歇相等，且该时间间歇为0.5～1秒。
3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述步骤3中，上述负脉冲幅值大小采用如下实验方法来确定：为了使实验具有统一性，实验开始前，保证锂离子电池的荷电状态为零，分别采用预设的多个不同放电电流对锂离子电池进行脉冲放电实验，分别测量脉冲放电前后锂离子电池端电压压降以及温度的上升值，在温度变化小于1℃的放电电流中，选择放电前后压降最大的放电电流值的幅值作为负脉冲的幅值。
4.根据权利要求3所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述预设的多个不同放电电流分别为0.8C、1C、1.2C和1.5C。
5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述单体电池最大电压为4.2V。
6.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述步骤1中，对锂离子电池进行恒流充电实验的多种电流包括0.8C、1.0C、1.2C和1.5C的电流。
7.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述步骤3中，预先设定多个正脉冲幅度参考递减系数包括0.3、0.4、0.5和0.6。
8.根据权利要求2所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述时间间歇为0.8秒。
9.根据权利要求1所述的锂离子动力电池优化充电方法，其特征在于：所述第一分充电阶段的充电正脉冲幅值与第一充电阶段的恒流充电幅值的比值范围为0.3～0.6。
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