CN105977561A - 基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置，其中方法包括：建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d；计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。本发明基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置，区别于恒流‑恒压充电方法，具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点，还可以降低对电池使用寿命的影响和提高充电的安全性。

Description

基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置

技术领域

本发明涉及到动力电池充电领域，特别是涉及到一种基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置。

背景技术

影响电动汽车使用便利性的一个因素是充电时间较长，国标GB/T31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》推荐使用恒流-恒压充电方法，目前已商业化的充电机也大多使用该方法给电池充电，通过该方法给电池充满电一般需要5-8h。电动汽车运营过程中，为了缩短充电时间，有时会使用直流大电流快速充电，过大的电流会严重缩短电池使用寿命，且过大的电流使电池温升较高，存在安全隐患。

一些研究认为电池极化是影响电池充电速度、充电效率、充电温升和寿命的主要因素之一，消除或减轻极化可以是这些性能得到有效提高。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种可提高电池充电速度和效率，以及降低对电池寿命影响，提高充电安全的基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种基于最小电池阻抗的高性能充电方法，包括：

建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d；

计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

进一步地，所述计算电池最小阻抗对应的频率的公式为：

$f_{z\min }=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{ct}{C}_d}\sqrt{K-1}$

其中，K值由以下算式确定

$K=\frac{\sqrt{2R_o{R}_{ct}^3{C}_d^2+2L_d{R}_{ct}^2{C}_d+R_{ct}^4{C}_d^2}}{L_d}.$

进一步地，所述计算电池的最小阻抗的公式为：

$Z_{\min }^2=R_o^2+{\left(\frac{L_d}{R_{ct}{C}_d}\right)}^2(\sqrt{K}-1)+\frac{2R_o{R}_{ct}+R_{ct}^2}{\sqrt{K}}-\frac{2L_d}{C_d}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})$

进一步地，所述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤中，正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint

其中，V_avg为电池截止充电电压的二分之一。

进一步地，所述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤中，所述正弦交流电的电流为：

$I_c\left(t\right)=\frac{V_s\left(t\right)}{Z_{min}}.$

本发明还提供一种基于最小电池阻抗的高性能充电装置，包括：

模型单元，用于建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d；

计算单元，用于计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

充电单元，用于通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

进一步地，所述计算单元包括：

计算最小阻抗对应频率模块，用于计算电池最小阻抗对应的频率，其计算公式为：

$f_{z\min }=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{ct}{C}_d}\sqrt{K-1}$

其中，K值由以下算式确定

$K=\frac{\sqrt{2R_o{R}_{ct}^3{C}_d^2+2L_d{R}_{ct}^2{C}_d+R_{ct}^4{C}_d^2}}{L_d}.$

进一步地，所述计算单元包括：

计算最小阻抗模块，用于计算电池的最小阻抗，其计算公式为：

$Z_{\min }^2=R_o^2+{\left(\frac{L_d}{R_{ct}{C}_d}\right)}^2(\sqrt{K}-1)+\frac{2R_o{R}_{ct}+R_{ct}^2}{\sqrt{K}}-\frac{2L_d}{C_d}(1-\frac{1}{\sqrt{K}}).$

进一步地，所述充电单元，包括：

电压输出模块，其输出正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint。

进一步地，所述充电单元，包括：

电流输出模块，其输出正弦交流电的电流为：

$I_c\left(t\right)=\frac{V_s\left(t\right)}{Z_{min}}.$

本发明基于最小电池阻抗的高性能充电方法和装置，区别于恒流-恒压充电方法，具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点，还可以降低对电池使用寿命的影响和提高充电的安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于最小电池阻抗的高性能充电方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的电池阻抗模型的示意图；

图3为本发明一实施例的正弦交流电电压波形示意图；

图4为本发明一实施例的基于最小电池阻抗的高性能充电装置的结构示意框图；

图5为本发明一实施例的计算单元的结构示意框图；

图6为本发明一实施例的充电单元的结构示意框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明实施例提出一种基于最小电池阻抗的高性能充电方法，包括步骤：

S1、建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d，其中，所述反应电阻R_ct与等效电容C_d并联后，一端连接所述欧姆内阻R_o，另一端连接所述等效电感L_d；

S2、计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

S3、通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

本实施例中，上述反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d等参数均是通过试验测量得到，比如通过交流阻抗分析仪测试得到。通过电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电，可以消除或减轻电池极化，给电池充电时具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点，还可以降低对电池使用寿命的影响和提高充电的安全性。

本实施例中，上述计算电池最小阻抗对应的频率的公式为：

$f_{z\min }=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{ct}{C}_d}\sqrt{K-1}---\left(1\right)$

其中，K值是为了上述式(1)表达简洁而设置的一个过渡参数，由以下算式确定

$K=\frac{\sqrt{2R_o{R}_{ct}^3{C}_d^2+2L_d{R}_{ct}^2{C}_d+R_{ct}^4{C}_d^2}}{L_d}---\left(2\right)$

本实施例中，上述计算电池的最小阻抗的公式为：

$Z_{min}^2=R_o^2+{\left(\frac{L_d}{R_{ct}{C}_d}\right)}^2(\sqrt{K}-1)+\frac{2R_o{R}_{ct}+R_{ct}^2}{\sqrt{K}}-\frac{2L_d}{C_d}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})---\left(3\right)$

本实施例中，上述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤S3中，正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint (4)

其中，V_avg为电池截止充电电压的二分之一。

本实施例中，上述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤S3中，正弦交流电的电流为：

$I_c\left(t\right)=\frac{V_s\left(t\right)}{Z_{min}}---\left(5\right)$

参照图2，在一具体实施例中，电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d，其中，反应电阻R_ct与等效电容C_d并联后，一端连接所述欧姆内阻R_o，另一端连接所述等效电感L_d，使用交流阻抗分析仪测试得出各参数值分别为：R_ct＝0.0225Ω，C_d＝0.0357F，R_o＝0.0362Ω，L_d＝1.4516e-6H.

由式(1)和式(3)计算得最小阻抗频率、最小阻抗分别为f_zmin＝993Hz，Z_min＝0.0382Ω.

由式(4)和式(5)计算正弦交流电电压和电流，计算时取V_avg＝2.2V，得到电压波形，参照图3。

对该电池单体按国标GB/T 31486-2015进行充放电循环，按同一项国标使用其中规定的恒流-恒压方法充电和本申请方法充电，得到参数如下对比表：

通过表格可以清楚得到，本实施例的基于最小电池阻抗的高性能充电方法具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点。

参照图4，本发明实施例还提供一种基于最小电池阻抗的高性能充电装置，包括

模型单元10，用于建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d，其中，所述反应电阻R_ct与等效电容C_d并联后，一端连接所述欧姆内阻R_o，另一端连接所述等效电感L_d；

计算单元20，用于计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

充电单元30，用于通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

本实施例中，上述反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d等参数均是通过试验测量得到，比如通过交流阻抗分析仪测试得到。通过电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电，可以消除或减轻电池极化，给电池充电时具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点，还可以降低对电池使用寿命的影响和提高充电的安全性。

参照图5，本实施例中，上述计算单元20包括计算最小阻抗对应频率模块21，用于计算电池最小阻抗，其计算最小阻抗对应频率的公式为：

$f_{z\min }=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_{ct}{C}_d}\sqrt{K-1}---\left(1\right)$

其中，K值是为了上述式(1)表达简洁而设置的一个过渡参数，由以下算式确定

$K=\frac{\sqrt{2R_o{R}_{ct}^3{C}_d^2+2L_d{R}_{ct}^2{C}_d+R_{ct}^4{C}_d^2}}{L_d}---\left(2\right)$

本实施例中，计算单元20包括计算最小阻抗模块22，用于计算电池的最小阻抗，其计算公式为：

$Z_{min}^2=R_o^2+{\left(\frac{L_d}{R_{ct}{C}_d}\right)}^2(\sqrt{K}-1)+\frac{2R_o{R}_{ct}+R_{ct}^2}{\sqrt{K}}-\frac{2L_d}{C_d}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})---\left(3\right)$

参照图6，本实施例中，上述充电单元30包括电压输出模块31，其输出正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint (4)

其中，V_avg为电池截止充电电压的二分之一。

本实施例中，上述充电单元30包括电流输出模块32，其输出正弦交流电的电流为：

$I_c\left(t\right)=\frac{V_s\left(t\right)}{Z_{min}}---\left(5\right)$

参照图2，在一具体实施例中，电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d，其中，反应电阻Rct与等效电容C_d并联后，一端连接所述欧姆内阻R_o，另一端连接所述等效电感L_d，使用交流阻抗分析仪测试得出各参数值分别为：R_ct＝0.0225Ω，C_d＝0.0357F，R_o＝0.0362Ω，L_d＝1.4516e-6H.

由式(1)和式(3)计算得最小阻抗频率、最小阻抗分别为f_zmin＝993Hz，Z_min＝0.0382Ω.

由式(4)和式(5)计算正弦交流电电压和电流，计算时取V_avg＝2.2V，得到电压波形，参照图3。

对该电池单体按国标GB/T 31486-2015进行充放电循环，按同一项国标使用其中规定的恒流-恒压方法充电和本申请方法充电，得到参数如下对比表：

通过表格可以清楚得到，本实施例的基于最小电池阻抗的高性能充电方法具有充电时间短、充入容量大、充电效率高和充电温升低的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于最小电池阻抗的高性能充电方法，其特征在于，包括：

建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d；

计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

2.根据权利要求1所述的基于最小电池阻抗的高性能充电方法，其特征在于，所述计算电池最小阻抗对应的频率的公式为：

其中，K值由以下算式确定

。

3.根据权利要求2所述的基于最小电池阻抗的高性能充电方法，其特征在于，所述计算电池的最小阻抗的公式为：

。

4.根据权利要求1所述的基于最小电池阻抗的高性能充电方法，其特征在于，所述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤中，正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint

其中，V_avg为电池截止充电电压的二分之一。

5.根据权利要求4所述的基于最小电池阻抗的高性能充电方法，其特征在 于，所述通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电的在步骤中，所述正弦交流电的电流为：

6.一种基于最小电池阻抗的高性能充电装置，其特征在于，包括：

模型单元，用于建立电池阻抗模型，该电池阻抗模型包括反应电阻R_ct、等效电容C_d、欧姆内阻R_o、等效电感L_d；

计算单元，用于计算电池最小阻抗对应的频率，并通过该频率计算电池的最小阻抗；

充电单元，用于通过所述电池最小阻抗对应的频率和最小阻抗为参数的正弦交流电给电池充电。

7.根据权利要求6所述的基于最小电池阻抗的高性能充电装置，其特征在于，所述计算单元包括：

计算最小阻抗对应的频率模块，用于计算电池最小阻抗对应的频率，其计算公式为：

其中，K值由以下算式确定

8.根据权利要求7所述的基于最小电池阻抗的高性能充电装置，其特征在于，所述计算单元包括：

计算最小阻抗模块，用于计算电池的最小阻抗，其计算公式为：

9.根据权利要求6所述的基于最小电池阻抗的高性能充电装置，其特征在于，所述充电单元，包括：

电压输出模块，其输出正弦交流电的电压为：

V_s(t)＝V_avg+V_avgsin2πf_zmint。

10.根据权利要求9所述的基于最小电池阻抗的高性能充电装置，其特征在于，所述充电单元，包括：

电流输出模块，其输出正弦交流电的电流为：