CN106450537A - 一种用于多种电池充电算法的开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种用于多种电池充电算法的开发方法，属于电池管理技术领域，该方法利用带有参比电极的三电极电池，提前设定单电极电位的警戒阈值，并以预设充电算法对三电极电池进行试充电，同时监测单电极电位；当单电极电位达到警戒阈值，则引入电流调整事件，使单电极电位保持在安全区间充电，带有电流调整事件的试充电算法即为开发好的充电算法；本方法能够在不损伤电池性能的前提下，开发快速充电、低温加热等多种特点的充电算法。

Description

一种用于多种电池充电算法的开发方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，特别涉及一种用于多种电池充电算法的开发方法。

背景技术

锂离子电池的充电难是限制新能源汽车广泛应用的主要问题之一，主要表现在慢充速度慢，快充损害电池，低温下充电效率低、损伤大且存在安全问题。因此，为了改善电池充电性能，需要开发速度更快兼顾电池寿命、安全性的无损充电算法。

目前，最普遍的充电算法为恒流恒压(CCCV)模式充电，即先以恒定电流充电至截止电压，再以恒定电压充电，直至电流减小至截止电流，停止充电。为了提高充电速度，减少造成的电池损伤，每一种新的充电算法的开发需要进行大量实验，以确定合适的充电参数。如多阶段恒流充电，需要确定电流转变荷电状态值(SOC)、每阶段电流倍率等参数；再如脉冲充电，需要确定脉冲周期、脉冲电流倍率等参数。测试过程耗时较长，且测试中需拆解电池，观察电池内部是否发生副反应，浪费大量电池，使新的充电算法开发效率很低。

发明内容

本发明的目的在于客服已有技术的不足之处，提出一种用于多种电池充电算法的开发方法，本方法能够在不损伤电池性能的前提下，开发快速充电、低温加热等多种特点的充电算法。

本发明介绍了一种电池充电算法的开发方法，利用带有参比电极的三电极电池，提前设定单电极电位的警戒阈值，并以预设充电算法对三电极电池进行试充电，同时监测单电极电位。当单电极电位达到警戒电位，则引入电流调整事件，使单电极电位保持安全区间充电，带有电流调整事件的试充电算法即为开发好的充电算法。

所述开发方法，具体包括以下步骤：

步骤1)制备带有参比电极的锂离子电池：在待开发充电方式的电池内部的负极与隔膜界面加入可提供稳定参比电位的参比电极，制成带有参比电极的三电极电池。

步骤2)设定所述带有参比电极的三电极电池正极电位警戒阈值η_c,thr和负极电位警戒阈值η_a,thr；

步骤3)将制备好的三电极电池放入恒温箱，并与充电电源接线连接；对所述三电极电池放电至荷电状态等于0，在恒温箱内部静置3小时以上；

步骤4)静置完成后，对所述三电极电池，以预设充电算法充电；每隔时间间隔Δt记录一次该三电极电池端电压、正极电位、负极电位、温度和电流值；所述Δt根据控制精度需求设定；

步骤5)每隔时间间隔Δt，分别记录当前电池的正极、负极电位η_c和η_a，并根据正极电位警戒阈值η_c,thr与正极电位η_c之差即η_c,thr-η_c、负极电位η_a与负极电位警戒阈值η_a,thr之差即η_a-η_a,thr，进行充电电流的调整；

步骤6)记录上述过程中的电流调整事件触发的时刻、荷电状态值和调整事件的内容，得到充电算法所需要的参数表，完成充电算法的开发。

所述步骤5)具体包括以下步骤：

步骤5.1)当前充电时刻为T_i，若η_c,thr-η_c或η_a-η_a,thr小于0，记录当前荷电状态值为SOC_i，触发一次电流调整事件A_i；其中，i＝0,1,2,……,n-1,n，n为正整数，代表充电调整次数；

步骤5.2)不断重复步骤5.1)，直到充电时刻为T_n时，达到根据电流调整事件设定的截止条件。

本发明的特点及有益效果：本发明的目的在于优化锂离子电池充电算法开发过程繁琐步骤，降低开发的经济和时间成本，提升充电算法的实际效果，提出用于多种电池充电算法的开发方法，应用本方法能够在不损伤电池性能的前提下，开发快速充电、低温加热等多种特点的充电算法。

附图说明

图1为本发明方法总体流程框图；

图2是本发明方法采用的开发平台结构示意图；

图3是一种电流动态更新的快速充电算法开发方法的实施例一；

图4是一种脉冲加热充电算法开发方法的实施例二。

具体实施方式

本发明介绍了一种电池充电算法的开发方法，利用带有参比电极的三电极电池，提前设定单电极电位的警戒阈值，并以预设充电算法对三电极电池进行试充电，同时监测单电极电位；当单电极电位达到警戒阈值，则引入电流调整事件，使单电极电位保持安全区间充电，从而保障电池的寿命和安全性，带有电流调整事件的试充电算法即为开发好的充电算法。

本发明提出的一种用于多种锂电池充电算法的开发方法，其总体流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)制备带有参比电极的锂离子电池：在待开发充电方式的电池内部的负极与隔膜界面加入可提供稳定参比电位的参比电极，制成带有参比电极的三电极电池；三电极电池种类包括：带有锂金属参比电极的电池、带有Sn-Li合金参比电极的电池和带有磷酸铁锂参比电极的电池等；

步骤2)设定所述带有参比电极的三电极电池正极电位警戒阈值η_c,thr和负极电位警戒阈值η_a,thr；其中，η_c,thr一般设定在4.35V-4.45V，η_a,thr一般设定在20-30mV；

步骤3)将制备好的三电极电池放入恒温箱，并与充电电源接线连接；对所述三电极电池放电至荷电状态值SOC＝0，在恒温箱内部静置3小时以上；

步骤4)静置完成后，对所述三电极电池，以预设充电算法(即初始的电流算法)P₀充电，P₀包括但不限于恒流充电、脉冲充电、恒压充电等算法；每隔时间间隔Δt记录一次该三电极电池端电压、正极电位、负极电位、温度和电流值。Δt可根据控制精度需求设定，一般取1-10s；

步骤5)每隔时间间隔Δt，分别记录当前电池的正极、负极电位η_c和η_a，并根据正极电位警戒阈值η_c,thr与正极电位η_c之差(即η_c,thr-η_c的值)、负极电位η_a与负极电位警戒阈值η_a,thr之差(即η_a-η_a,thr的值)，进行充电电流的调整；该调整方法具体包括以下步骤：

步骤5.1)当前充电时刻为T_i(i＝0,1,2,……,n-1,n，n为正整数，代表充电调整次数)，若(η_c,thr-η_c)或(η_a-η_a,thr)小于0，记录当前SOC值为SOC_i，触发一次电流调整事件A_i；该电流调整事件可根据实际情况由使用者设定，包括但不限于：调整电流倍率并设定电流倍率降低量为ΔI；或引入一次放电脉冲并设定放电脉冲值为I_d、脉冲时间为T_d、间歇时间为T_r，之后继续以原脉冲电流充电等；

步骤5.2)不断重复步骤5.1)，直到充电时刻为T_n时，达到根据电流调整事件设定的截止条件，如：充电电池电压V_n达到充电截止电压V_limit(V_limit由电池本身决定，此时电流倍率为I_n-1)，或电池温度达到目标温度T_target，或达到其他截止条件，充电过程结束；

步骤6)记录上述过程中的电流调整事件触发的时刻、SOC值和调整事件的内容，得到充电算法所需要的参数表(包括电流转变SOC、每时段电流倍率、脉冲充电需要确定脉冲周期、脉冲电流倍率等参数)，完成充电算法的开发。

下面，以三元正极/石墨负极锂离子电池为例，结合附图具体介绍本发明开发方法中实现的快速充电开发平台。

如图2所示，该平台硬件主要由5部分组成，分别为电池测试恒温箱1、带有参比电极的锂离子电池2、电池充放电测试台架3、信号采集系统4和存储有本发明方法的控制程序的电脑控制终端5；其中，将带有参比电极的锂离子电池2置于电池测试恒温箱1中，该带有参比电极的锂离子电池2分别与电池充放电测试台架3和信号采集系统4相连，电脑控制终端5分别与电池充放电测试台架3和信号采集系统4相连。

上述各部件的具体实现及功能说明如下：

电池测试恒温箱1为电池开发提供环境温度，温度值决定于开发需求：如进行低温充电或低温加热算法开发，则将温度设定在零度以下；如进行常温快速充电算法，则将温度设定在25℃。

带有参比电极的锂离子电池2由待开发电池对象附加参比电极制备而成。电池可以为软包、方壳、圆柱形等多种形式。参比电极包括但不限于：锂金属片、镀锂铜丝、钛酸锂、Sn-Li合金等能够提供稳定参比电势的电极。

电池充放电测试台架3提供电池的充放电电流，其控制精度、控制频率、最大电流等参数需满足充电算法需求，并具有电流动态更新功能。开发时，该台架的正负极电缆分别与电池正负极极耳相连，以施加电流；信号输入端与电脑控制终端相连，接受控制终端传递的电流信号。

信号采集系统4主要由传感器构成。测量端电压、正极、负极电位的电压传感器、测量充放电电流的电流传感器和电池温度的温度传感器。上述传感器共同构成信号采集系统，并将采集到的信号实时传输给电脑控制终端。

电脑控制终端5主要有三大作用：

1)接受信号采集系统4传输的电压、电流、温度信号。

2)存储本发明开发的充电算法；

3)给出当前时刻的建议充放电电流值；

电脑控制终端是整个开发平台的“大脑”，既可以通过人工方式调节电流，也可以根据预先存储好的控制程序自动完成电流更新。

实现本发明方法时，首先需要制备带有参比电极的电池，连接好充电电缆、信号线，并放入测试恒温箱1中；接着以预设的充电电流初值对电池充电，由电脑控制终端5监控电池的端电压、正负极电位和温度；当电池信号达到电流调整触发阈值，则采用人工或程序自主的方法调整电流值，并以新的电流值继续充电，直到电压截止，停止充电。保存上述充电过程中的电流值，即为开发出的充电算法。还应对该算法进行重复验证，确保该算法的有效性后，完成整个开发过程。

下面结合图3，介绍第一个具体实施例，针对三元正极/石墨负极的锂离子电池，利用充电算法开发平台开发一种多阶段恒流充电的快速充电算法。

步骤1)制备带有参比电极的锂离子电池：在待开发充电方法的电池内部的负极与隔膜界面加入可提供稳定参比电位的参比电极，制成带有参比电极的三电极电池；本实施例采用锂金属作为参比电极材料；

步骤2)设定正极电位警戒阈值η_c,thr和负极电位警戒阈值η_a,thr；本实施例中所述正极电位警戒阈值η_c,thr设定为4.45V；所述负极电位警戒阈值η_a,thr设定为25mV；

步骤3)将制备好的三电极电池放入恒温箱，并接好接线；充电前，对所述三电极电池放电至SOC＝0，在恒温箱内部静置3小时；

步骤4)静置完成后，对所述三电极电池，以预设充电算法P₀充电，每隔时间间隔Δt记录一次电池端电压、正极电位、负极电位、温度和电流值；本实施例中预设电流制度P₀为以电流倍率I₀＝3C进行恒流充电；Δt为1s，以保障充电算法安全性；

步骤5)每隔时间间隔Δt，分别记录当前电池的正极、负极电位η_c和η_a，并根据正极电位警戒阈值η_c,thr与正极电位η_c之差(即η_c,thr-η_c的值)、负极电位η_a与负极电位警戒阈值η_a,thr之差(即η_a-η_a,thr的值)，进行充电电流的调整；该调整方法具体包括以下步骤：

步骤5.1)当前充电时刻为T_i(i＝0,1,2,……,n-1,n，n为正整数，代表充电调整次数，由电池种类确定)，若(η_c,thr-η_c)或(η_a-η_a,thr)小于0，记录当前SOC值为SOC_i，触发一次电流调整事件A_i；本实施例的电流调整事件A_i为：设定电流倍率降低量为ΔI，得到I_i＝I_i-1-ΔI，并以I_i继续恒流充电；

步骤5.2)不断重复步骤5.1)，直到充电时刻为T_n时的充电电池电压V_n＝V_limit＝4.2V，充电过程结束，其中V_limit为充电截止电压，此时电流倍率为I_n-1；

步骤6)记录上述过程中的电流调整事件触发的时刻、SOC值和调整事件的内容，得到充电算法参数表，完成充电算法的开发过程；该充电算法参数可直接应用于开发所用多种目的的商业电池的充电过程，本实施例的充电算法参数见表1：

表1多阶段恒流快速充电算法参数

上表即为开发出的充电算法参数表(MAP)。如图3所示，分别为开发出的电流调整参数、电池端电压和负极电位。电流值及时更新保证了负极电位始终高于负极析锂电势临界值，使充电过程处于无损区间。

实际应用时，充电前先得到电池SOC估计值SOC_e，SOC_j-1<SOC_e<SOC_j，则先以I_j-1恒流充电至电池SOC＝SOC_j，再以I_j继续充电，之后的充电过程按照算法Map完成。

上述开发过程简单快捷，无需拆解电池检验充电算法的安全性，节省了电池资源，大大缩短了开发周期。

下面结合图4，介绍第二个具体实施例，利用开发平台开发不损伤电池的低温加热充电算法，电池对象为三元正极\石墨负极锂离子电池。

步骤1)制备带有参比电极的锂离子电池：在待开发充电方法的电池内部的负极与隔膜界面加入可提供稳定参比电位的参比电极，制成带有参比电极的三电极电池，本实施例采用锂金属作为参比电极材料；

步骤2)设定正极电位警戒阈值η_c,thr和负极电位警戒阈值η_a,thr；本实施例中所述正极电位警戒阈值η_c,thr设定为4.4V；本实施例中所述负极电位警戒阈值η_a,thr设定为25mV；

步骤3)将制备好的三电极电池放入恒温箱(温度设定为T_start)，并接好接线；充电前，对所述三电极电池放电至SOC＝0，在恒温箱内部静置5小时；

步骤4)静置完成后，对所述三电极电池，以预设充电算法P₀充电。每隔时间间隔Δt记录一次电池端电压、正极电位、负极电位、温度和电流值；本实施例中预设电流制度P₀为脉冲电流，充电脉冲值为I_d＝1C，脉冲时间T_d＝0.5s，间歇时间为T_r＝0.5s；Δt取1s；

步骤5)每隔时间间隔Δt，分别记录当前电池的正极、负极电位η_c和η_a，并根据正极电位警戒阈值η_c,thr与正极电位η_c之差(即η_c,thr-η_c的值)、负极电位η_a与负极电位警戒阈值η_a,thr之差(即η_a-η_a,thr的值)，进行充电电流的调整；该调整方法具体包括以下步骤：步骤5.1)当前充电时刻为T_i(i＝0,1,2,……,n-1,n，n为正整数，代表充电调整次数)，若(η_c,thr-η_c)或(η_a-η_a,thr)小于0，记录当前SOC值为SOC_i，触发一次电流调整事件A_i；

本实施例的电流调整事件A_i均为：引入一次放电脉冲，放电脉冲值为I_d＝1C，脉冲时间T_d＝1s，之后继续以原脉冲电流充电。

步骤5.2)不断重复步骤5.1)，直到充电时刻为T_n的充电电池电压V_n达到充电截止电V_limit，或电池温度达到目标温度T_target时，充电过程结束；

所述T_target由开发者设置，一般为0℃以上；

步骤6)记录上述过程中的电流调整事件触发的时刻、SOC值和调整事件的内容，得到充电算法所需要的参数表(引入放电脉冲的SOC)，并记录起始温度T_start。

本实施例的充电算法参数见表2：

表2低温加热充电算法参数

充电时刻Ti/s	当前SOC	电流调整事件
			0	0	/
T1	SOC1	A1
			T2	SOC2	A2
…	…	…
			Tn	1	An-1

实际应用时，为了在不同温度下使用，可以改变起始温度T_start，分别记录响应的低温加热充电算法参数，使算法能够在不同低温范围使用。如图4所示，该充电加热算法能够保证在整个加热过程中负极电位不低于负极析锂临界值，保证了电池安全，并完成电池快速自加热。

Claims (5)

1.一种用于多种电池充电算法的开发方法，其特征在于，利用带有参比电极的三电极电池，提前设定单电极电位的警戒阈值，并以预设充电算法对三电极电池进行试充电，同时监测单电极电位；当单电极电位达到警戒阈值，则引入电流调整事件，使单电极电位保持在安全区间充电，带有电流调整事件的试充电算法即为开发好的充电算法。

2.如权利要求1所述的开发方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1)制备带有参比电极的锂离子电池：在待开发充电方式的电池内部的负极与隔膜界面加入可提供稳定参比电位的参比电极，制成带有参比电极的三电极电池。

步骤2)设定所述带有参比电极的三电极电池正极电位警戒阈值η_c,thr和负极电位警戒阈值η_a,thr；

步骤3)将制备好的三电极电池放入恒温箱，并与充电电源接线连接；对所述三电极电池放电至荷电状态等于0，在恒温箱内部静置3小时以上；

步骤4)静置完成后，对所述三电极电池，以预设充电算法充电；每隔时间间隔Δt记录一次该三电极电池端电压、正极电位、负极电位、温度和电流值；所述Δt根据控制精度需求设定；

步骤5)每隔时间间隔Δt，分别记录当前电池的正极、负极电位η_c和η_a，并根据正极电位警戒阈值η_c,thr与正极电位η_c之差即η_c,thr-η_c、负极电位η_a与负极电位警戒阈值η_a,thr之差即η_a-η_a,thr，进行充电电流的调整；

步骤6)记录上述过程中的电流调整事件触发的时刻、荷电状态值和调整事件的内容，得到充电算法所需要的参数表，完成充电算法的开发。

3.如权利要求2所述的开发方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括以下步骤：

步骤5.1)当前充电时刻为T_i，若η_c,thr-η_c或η_a-η_a,thr小于0，记录当前荷电状态值为SOC_i，触发一次电流调整事件A_i；其中，i＝0,1,2,……,n-1,n，n为正整数，代表充电调整次数；

步骤5.2)不断重复步骤5.1)，直到充电时刻为T_n时，达到根据电流调整事件设定的截止条件。

4.如权利要求3所述的开发方法，其特征在于，所述步骤5.1)的电流调整事件A_i为调整电流倍率，设定电流倍率降低量；所述步骤5.2)的截止条件为T_n时的充电电池电压达到充电截止电压；所述步骤6)的充电算法所需要的参数表包括电流转变荷电状态值、每时段电流倍率。

5.如权利要求3所述的开发方法，其特征在于，所述步骤5.1)的电流调整事件A_i为引入一次放电脉冲，设定放电脉冲值和脉冲时间，之后继续以原脉冲电流充电；所述步骤5.2)的截止条件为T_n时电池温度达到目标温度；所述步骤6)的充电算法所需要的参数表包括脉冲充电需要确定的脉冲周期、脉冲电流倍率。