CN105977564B - 一种18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其包括如下步骤：（a）升温阶段：使锂离子电池的温度大于0℃；（b）预充电阶段：对所述锂离子电池进行间隔充放电，直至其电压大于或等于设定电压；（c）快速充电阶段：使组成所述锂离子电池的电池包在温度≤55℃的条件下继续充电，确保所述锂离子电池的电压小于等于锂离子电池的充电终止电压；（d）吸收阶段：当所述锂离子电池的充电电流小于额定电流时，停止充电。起到维护电极的分子结构，保护电极本身的层状结构或隧道结构，不变形，不塌陷的作用。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池充电技术领域，具体涉及一种18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反；因此锂离子电池又称为摇椅式电池。锂离子电池典型的正极材料是具有层状结构和隧道结构的金属氧化物，典型的负极材料是石墨化碳。
锂离子电池的循环寿命和电池极板的分子结构紧密相关，只要没有破坏电池极板的分子结构，电池的循环寿命会很长。而过充和过放，都会影响电池的分子结构。充电时，锂离子在金属氧化物正极的一维空间（隧道结构）和二维空间（层状结构）迁移出来，其驱动力是施加在电池两端的电压，当一维空间或二维空间中存在任何杂质和阻碍，就会对锂离子的迁移会形成阻碍；现有的充电方法通常是进行继续加大驱动力，很容易造成电极分子结构改变，甚至塌陷，造成锂离子电池的失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够维持锂离子电池分子结构的18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其特征在于，其包括如下步骤：
（a）升温阶段：使锂离子电池的温度大于0℃；
（b）预充电阶段：对所述锂离子电池进行间隔充放电，直至其电压大于或等于设定电压；
（c）快速充电阶段：使所述锂离子电池组成的电池包在温度≤55℃的条件下继续充电，确保所述锂离子电池的电压小于等于锂离子电池的充电终止电压；
（d）吸收阶段：当所述锂离子电池的充电电流小于额定电流时，停止充电。
优化地，步骤（a）中，当所述锂离子电池的温度小于或等于0℃时，检测所述锂离子电池的电压：当其电压大于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行放电；当其电压小于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行激活充电。
进一步地，步骤（b）中，充电电量与放电电量之比为2000~3000：1。
进一步地，步骤（c）中，当所述电池包的温度大于52℃或者其相邻节点间的电压（通常先将多个18650单体锂离子电池并联形成电池串，再将多个电池串串联形成锂离子电池包；相邻两个电池串之间形成对应的节点；近似等于18650单体锂离子电池电压）大于等于4.15V时，减小充电电流。
进一步地，步骤（b）中，先以0.1~0.2C充电2000~3000ms，停顿1~2ms，放电1~2ms后再停顿1~2ms；重复进行。
进一步地，所述步骤（c）中，进行充电时也进行停顿、间隔和放电。
优化地，步骤（c）中，当所述电池包内部的任一温度传感器温度大于55℃时，停止充电。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优势：
本发明18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，通过采用升温、预充电、快速充电和吸收的配合，并且在在预充电阶段进行一个短暂的放电，使得电场驱动力反向，锂离子做反向运动，瞬间改变分子结构中杂质或其他离子对锂离子的阻力，分子松动以后，调整锂离子结晶的位置，使其顺利的通过，起到维护电极的分子结构，保护电极本身的层状结构或隧道结构，不变形，不塌陷的作用。
附图说明
附图1本发明充电时采用的充电器的工作原理图。
具体实施方式
本发明18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其包括如下步骤：（a）升温阶段：使锂离子电池的温度大于0℃；（b）预充电阶段：对所述锂离子电池进行间隔充放电，直至其电压大于或等于设定电压，进入电池的主要储能阶段；（c）快速充电阶段：使组成所述锂离子电池的电池包在温度≤55℃的条件下继续充电，确保所述锂离子电池的电压小于等于锂离子电池的充电终止电压；即继续充电至锂离子电池的最大单节电压接近单体锂离子电池的充电终止电压；（d）吸收阶段：当所述锂离子电池的充电电流小于额定电流时（额定电流根据锂离子电池并联的数量和要求充电的饱和度确定），停止充电。快速充电阶段的最大充电电流根据电池的容量、预计充电时间和充电器的功率确定，原则上不超过厂家推荐电流的3倍。
步骤（a）中，当所述锂离子电池的温度小于或等于0℃时，检测所述锂离子电池的电压：当其电压大于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行放电（可以将锂离子电池连接电动车电机进行放电，电池快速升温；也可以直接与充电器连接，充电器最大放电电流为充电器本身所能承受的最大电流，电池升温较慢）；当其电压小于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行激活充电。如果锂离子电池的温度低于0℃，并且电池电压又低于放电终止电压，可采用充电器在0.1~0.15C的电流对该锂离子电池进行激活充电，电池温度上升较慢；有鉴于此，可以在使用该锂离子电池的诸如电动车设备的仪表盘上设置一个指示灯（受锂离子电池管理系统BMS控制），当电池温度低于0℃时，呈红色，指示不可快速充电；电池温度高于0℃，呈绿色，指示可以进行快速充电，以便用户选择给电池升温的方法。
步骤（b）中，充电电量与放电电量之比为2000~3000：1。在实际使用过程中，可以在充电器内部设置一个由单片机控制的放电电阻，使得充电器能够利用放电电阻实现锂离子电池的一个短暂的放电，从而瞬间改变电极分子结构中杂质或其他离子对锂离子的阻力，调整锂离子结晶的位置，使其顺利的通过瓶颈，修复维护电极的分子结构，保持电极本身的层状结构或隧道结构。同时结合充电停顿、充电间隔的手段，如先以0.1~0.2C充电2000~3000ms，停顿1~2ms，放电1~2ms后再停顿1~2ms，重复进行。
步骤（c）中，当所述电池包的某个温度大于52℃或者其单节电压大于等于4.15V时，充电电流递减（电流递减的幅度，根据实验效果设定，优选为减少前的5~10%）使得所述电池包的温度小于52℃并且单节电压小于4.15V。步骤（c）中，也优选借鉴步骤（b）中停顿、间隔和放电的手段。当任一所述电池包的温度大于55℃时，停止一切充放电行为；当任一电池包温度达到80℃时，发出报警信号，提醒注意观察，防止电解质与正负极活性材料的副反应引发安全事故。
实施例1
本实施例采用的是由104个电池18650单体电池组成的锂离子电池（锂离子电池的固有性质，如放电终止电压、电极材料、电池容量等，可由购买的厂商提供、在外壳上的标识获取或者通过现有技术进行测试获得）。如本实施例中电池包中正极材料为氧化钴锂，负极材料为石墨化碳；每个单体电池的容量为3500mAH，组成的锂离子电池的额定电压为48V），是电动车厂家的标配；待电池没电后，对其进行充电，充电完成后继续用于电瓶车的行驶，如此反复循环。
采用图1所示的充电器对锂离子电池进行充电，它包括用于对锂离子电池进行充电的充电回路，充电器还包括用于对锂离子电池进行放电的放电单元（放电电阻）、用于检测锂离子电池电压的电流电压检测单元、与电流电压检测单元相连接且用于控制充电回路和放电单元通断的控制单元，控制单元还分别与充电回路和放电单元相连接，本实施例中的控制单元为单片机。电流电压检测单元与充电回路相连接且能够检测充电回路的电流。充电回路为本领域的常规电路，包括交流输入、整流滤波、高频开关、高频变压器、高频整流滤波、输出单元、PWM调节，PWM调节与高频开关相连接，电流电压检测单元与输出单元或者锂离子电池的接入端相连接，控制单元与PWM调节相连接从而控制高频开关的通断（图1中的箭头指向为控制方向）。
对该锂离子电池的充电方法，包括如下步骤：
（a）升温阶段：在使用该锂离子电池的电瓶车设备的仪表盘上设置一个受锂离子电池管理系统BMS控制的指示灯，当电池温度低于或等于0℃时，呈红色，指示不可以进行快速充电，此时检测锂离子电池的电压：若其电压大于其放电终止电压时，将锂离子电池连接电动车电机进行放电，使得电池温度快速上升至0℃以上；若其电压小于或等于其放电终止电压时，采用0.1C的电流对其进行激活充电，直至电池温度上升至0℃以上；在电池温度高于0℃时，指示灯显绿色，可以进行后续的充电操作。
（b）预充电阶段：将锂离子电池与上述的充电器进行连接，先以0.1C充电2500ms，停顿1ms，放电2ms（充电电量与放电电量之比为2500：1，利用放电电阻进行放电）、停顿1ms，重复进行该步骤，直至电压大于等于设定电压42V且能定时3分钟。
（c）快速充电阶段：采用与电池BMS通讯，匹配BMS发送过来的电池规格，以较大电流（通常是0.8C~1.5C，本实施例为0.8C），对锂离子电池进行快速充电（由于快速充电阶段充电电流较大，电池包的电压和温度上升较快，充电器和BMS联系密切，需要注意锂离子电池的极化、降低电池温度，以提高电池的电流接受能力）：当锂离子电池任一电池包的温度大于等于52℃或者其单节电压大于等于4.15V时，减小充电电流，每次电流减小的幅度为减少前的10%；以此类推；直至任一电池温度传感器的温度达超过55℃；此阶段的充电终止电压为53.1V。
（d）吸收阶段：在53.5V的条件下继续对锂离子电池进行充电，此时充电电流随着电池逐步的充饱而逐步减小，同时电池包温度逐步下降且电压逐步上升；当电池包的充电总电流小于额定电流260mA时，停止充电。利用本实施例中的方法对锂离子电池充电，能够在1小时将电池充电到电池额定容量的96%以上，电池容量未见明显衰减，即未见锂离子电池分子结构有较大的损坏。
对比例1
本对比例提供一种对实施例1中锂离子电池的充电方法，它采用的是厂家标配的充电器，该充电器的充电方法与实施例1的不同，采用小电流（0.1C）进行恒电流充电，同样的结果需要6个多小时。
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
Claims (3)
1.一种18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其特征在于，其包括如下步骤：
（a）升温阶段：当所述锂离子电池的温度小于或等于0℃时，检测所述锂离子电池的电压：当其电压大于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行放电；当其电压小于其放电终止电压时，对所述锂离子电池进行激活充电，使锂离子电池的温度大于0℃；
（b）预充电阶段：对所述锂离子电池进行间隔充放电，先以0.1~0.2C充电2000~3000ms，停顿1~2ms，放电1~2ms后再停顿1~2ms；重复进行，直至其电压大于或等于设定电压，其中，充电电量与放电电量之比为2000~3000：1；
（c）快速充电阶段：使所述锂离子电池组成的电池包在温度≤55℃的条件下以0.8C到1.5C的电流继续充电，确保所述锂离子电池的电压小于等于锂离子电池的充电终止电压；
（d）吸收阶段：当所述锂离子电池的充电电流小于额定电流时，停止充电。
2.根据权利要求1所述18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其特征在于：步骤（c）中，当所述电池包的温度大于52℃或者其节点间电压大于等于4.15V时，减小充电电流。
3.根据权利要求1所述18650锂离子电池堆叠电池包的快速充电方法，其特征在于：步骤（c）中，当任一所述电池包内部的温度传感器温度大于55℃时，停止充电。
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