CN106816932A - 一种动力锂电池快速充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力锂电池快速充电方法，在最大限度符合实际应用需求的前提下，充分结合智能充电设施、均衡装置以及可靠的锂电池管理系统，根据锂电池组充电时虚实电压的转换原理，对锂电池组采取循环降倍率强充电策略，实现在短时间内将锂电池组的电量快速充满至锂电池组平均总电量的80~90%。同时本发明采用了总电压电量估算和通信电量判定的双保险模式，双路采集锂电池组的实时电压，将率先到达的做为优先控制点，比传统的电池充电方法多出一道防护，确保电压监测通讯的畅通，安全可靠。本发明可作为一种电动汽车动力电池的临时充电手段，适用于高速公路的充电站，以满足用户临时应急充电的需求。
Description
技术领域
本发明动力电池充电技术领域，具体涉及一种动力锂电池快速充电方法。
背景技术
电动汽车的应用已经越来越多，但电动汽车仍然没有被大众广泛认可，这其中一个关键的问题就是充电难。即便在充电设施不断增加的今天，同样还存在另外一个问题，就是便捷快充的问题，这也成为制约电动汽车推广的一个比较重大的障碍。
主流电动汽车厂商为了保证足够的一次行驶里程，一般都选择锂电池作为汽车动力电池，因其实目前能量密度最高的电池，同时它有优良的充放电能力。长期以来，人们把制约电动汽车快速充电原因归结为锂电池质量不过关或充电装置功率能力低的问题，但实际上这是一个误区，其根本原因就是锂电池在使用中出现的一致性问题。
离子在电解液中呈静态布朗运动特征，遵循动态的漂移趋势，也即是说其在电位势差的电流激励产生化学离子反应，是很难有具体规律的，仅仅只有大趋势，因此十分难以控制。特别是高功率充电恰恰极易影响电位变化，导致一致性偏差加速，锂电池系统的寿命出现大幅度衰减。
迄今为止，一个电池组系统都是采用若干单体电芯经过串并联来实现目标电压和电量需求的，同时加以复杂的锂电池充放电管理和均衡管理，保证在相当长的寿命周期内的正常使用，特别是目前主流的锂电池系统。那么为了最大限度提升锂电池的充电速度，就必须克服以下几个问题：
1、高倍率充电：电池本身的承受力，现代动力电池一般在1~2C之间充电有承受能力；
2、大功率充电引起的极化临时堆积导致的一致性偏差，即均衡问题，这也是最关键因素；
3、过充电的安全防护问题。
因此要做到锂电池的快速充电，就需要充电设备、锂电池管理系统以及电池均衡系统的三方联动。
目前主流的电池均衡技术有以下三类：
1、被动均衡，通过能量旁路释放的方式，在充电过程中接近满电时实施平衡修复；
2、压差均衡，通过智能判断每路电芯压差，实施最高电压电芯电旁路通过长时间的抑制进行平衡修复；
3、高电位能量转移至低电位电芯的主动均衡。
这三种方式对电池复位均衡都有效果，由于均衡电流达到和超过充电电流目前是不现实的，那么只能通过应用充电策略来进行快速充电。
发明内容
为了保证锂电池快速充电的要求，同时兼顾锂电池的安全性，本发明提供一种动力锂电池快速充电方法，运用循环降功率强充策略，能够在短时间内将电池组的电量快速充至总电量的80~90%。
为达到上述技术目的及效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种动力锂电池快速充电方法，该方法充分结合智能充电设施、均衡装置以及锂电池管理系统，根据锂电池组充电时虚实电压的转换原理，对锂电池组采取循环降倍率强充电策略，实现短时间内锂电池组的快速充电。
所述智能充电设施包括若干智能充电桩，每个所述智能充电桩内均设置有一个用于控制智能充电桩充电时间和充电倍率的智能充电控制器，并且在所述智能充电桩的充电插头上设置有一个用于实时采集锂电池组当前电压的电压检测模块以及一个用于接收锂电池组电压信号的CAN通讯接收模块。
所述锂电池管理系统是预先配备在锂电池组上的，用于管理锂电池组的充放电，并且在所述锂电池管理系统中设置有一个用于管理锂电池组电芯一致性问题的均衡装置、一个用于提供断路保护的物理保护开关以及一个用于发送锂电池组电压信号的CAN通讯发送模块。
所述的物理保护开关是采用本发明人在先申请的“一种基于机械H桥的双稳态磁保持继电器（申请号：201610157810.7）”或“一种采用微动开关的磁保持继电器（申请号：201621398568.4）”，这两种继电器不仅结构简单，安全可靠，使用寿命长，除激励外没有能耗，大大节约了能源，应用范围广，特别适合孤立能量单元的管理；而且这两种继电器于瞬间激励，不需要考虑电路的承载能力和线圈的过载能力，在使用中线圈不会出现发热现象，从根本导航杜绝了线圈发热的问题。
本方法的具体包括以下步骤：
步骤1）通过所述智能充电控制器，将锂电池组的强充结束电压点设置在锂电池组平均总电压的90%处；
步骤2）将充电插头插入锂电池组的充电接口，此时充电电路接通，所述电压检测模块开始工作，所述CAN通讯接收模块与所述CAN通讯发送模块相互接通，锂电池组开始进入循环降倍率强充电阶段；
步骤3）所述智能充电控制器首先选择1~2C倍率对锂电池组进行第一轮快速充电，此时所述电压检测模块实时采集锂电池组的当前电压，并将采集到的电压值传回智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行总电压电量估算；同时所述锂电池管理系统实时监测锂电池组的当前电压，并将监测信号通过所述CAN通讯接收模块和所述CAN通讯发送模块发送至智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行通信电量判定；
此处，总电压电量估算和通信电量判定（Soc）同时工作，以先到达为优先控制点，比传统的电池充电方法多出一道防护；
步骤4）一旦所述智能充电控制器判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即将充电倍率减小为第一轮快速充电末期倍率（功率）的一半，此时锂电池组的当前电压属于虚电压，由于锂电池具有电压弹性涨落的特性，因此在充电倍率（功率）减半之后，随着虚电压向实电压靠近，锂电池组的当前电压会有所下降；
步骤5）充电倍率（功率）减半后，智能充电桩继续为锂电池组进行第二轮快速充电，锂电池组的当前电压接着开始上升，当所述智能充电控制器再次判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即再次将充电功率减小为第二轮快速充电末期倍率（功率）的一半，此时锂电池组的当前电压仍属于虚电压，随着虚电压再次向实电压靠近，锂电池组的当前电压再次会有所下降；
步骤6）重复步骤5）的策略，对锂电池组持续进行若干轮循环降倍率的快速充电，直至锂电池组的实际电压到达所述强充结束电压点（虚电压完全转化为实电压，且到达锂电池组平均总电压的90%）此时充电倍率降至0.2C，且充电电流低于800mA，至此整组锂电池组实现90%电量的快速充电。
此设计可在一小时以内完成锂电池的快速充电，同时不会触发高压段异常电池保护，是符合电池特性的安全快速充电方法。
进一步的，步骤1）中，当锂电池组为三元锂电池组时，所述强充结束电压点设定为4.1n~4.15nV，n表示三元锂电池的串联总数。
进一步的，步骤1）中，当锂电池组为磷酸铁锂电池组时，所述强充结束电压点设定为3.4n~3.45nV，n表示磷酸铁锂电池的串联总数。
按照用户用电的普遍特征，一般总电量的80~90%即可满足日常需求。由于上述步骤可以使锂电池在短时间内充至80~90%的电量，因此本发明可以作为临时快速充电手段，满足用户的应急用电需要。例如在高速公路的服务区内设置采用本发明方法的充电装置，就可以使得电动汽车的充电效率接近于加油。同时，由于本发明的循环降功率强充电法只是将锂电池的电压充满至总电压的80~90%，因此不会涉及到高电位的安全问题。
而且，锂电池因其自带的锂电池管理系统和均衡装置，可以承受连续若干次的此类快速强充，而由强充引进的一致性偏差和极化堆积问题，则由以下步骤解决：
当锂电池组的实际电压达到所述强充结束电压点，且充电电流减弱到某个设定值（800mA）以下时，锂电池组开始进入涓流充电阶段，并且在此期间，所述均衡装置对电池组进行均衡管理，修复一致性偏差，进一步减弱充电电流，所述物理保护开关则为锂电池组提供过充保护。
当锂电池组的实际电压达到平均总电压的95%，且充电电流减弱到所述均衡装置的均衡触发点时，锂电池组开始进入微功率充电阶段，此时充电电流小于所述均衡装置的均衡电流并保持，直至锂电池组充满电。
本发明的有益效果是：
1、在最大限度符合实际应用需求的前提下，本发明充分结合智能充电设施、均衡装置以及可靠锂电池管理系统，根据锂电池组充电时虚实电压的转换原理，对锂电池组采取循环降功率强充电策略，实现在短时间内将锂电池组的电量快速充满至锂电池组平均总电量的80~90%。
2、本发明巧妙应用电压分段法，在锂电池组的电压到达总电压的90%时，位于智能充电桩的智能充电控制器为锂电池组进行正常充电，并通过均衡装置修复由强充引进的一致性偏差和极化堆积问题，锂电池管理系统中的物理保护开关则作为最后一道保护措施，提供断路保护。
3、本发明可作为一种电动汽车动力电池的临时快速充电手段，特别适用于高速公路的充电站中，以满足用户的应急用电需要。
4、本发明采用了总电压电量估算和通信电量判定（Soc）同时工作的双保险模式，双路采集锂电池组的实时电压，将率先到达的做为优先控制点，比传统的电池充电方法多出一道防护，确保电压监测通讯的畅通，安全可靠。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例详细给出。
具体实施方式
下面将结合实施例，来详细说明本发明。
一种动力锂电池快速充电方法，该方法充分结合智能充电设施、均衡装置以及锂电池管理系统，根据锂电池组充电时虚实电压的转换原理，对锂电池组采取循环降倍率强充电策略，实现短时间内锂电池组的快速充电。
所述智能充电设施包括若干智能充电桩，每个所述智能充电桩内均设置有一个用于控制智能充电桩充电时间和充电倍率的智能充电控制器，并且在所述智能充电桩的充电插头上设置有一个用于实时采集锂电池组当前电压的电压检测模块以及一个用于接收锂电池组电压信号的CAN通讯接收模块。
所述锂电池管理系统是预先配备在锂电池组上的，用于管理锂电池组的充放电，并且在所述锂电池管理系统中设置有一个用于管理锂电池组电芯一致性问题的均衡装置、一个用于提供断路保护的物理保护开关以及一个用于发送锂电池组电压信号的CAN通讯发送模块。
所述的物理保护开关是采用本发明人在先申请的“一种基于机械H桥的双稳态磁保持继电器（申请号：201610157810.7）”或“一种采用微动开关的磁保持继电器（申请号：201621398568.4）”，这两种继电器不仅结构简单，安全可靠，使用寿命长，除激励外没有能耗，大大节约了能源，应用范围广，特别适合孤立能量单元的管理；而且这两种继电器于瞬间激励，不需要考虑电路的承载能力和线圈的过载能力，在使用中线圈不会出现发热现象，从根本导航杜绝了线圈发热的问题。
本方法的具体包括以下步骤：
步骤1）通过所述智能充电控制器，将锂电池组的强充结束电压点设置在锂电池组平均总电压的90%处；
步骤2）将充电插头插入锂电池组的充电接口，此时充电电路接通，所述电压检测模块开始工作，所述CAN通讯接收模块与所述CAN通讯发送模块相互接通，锂电池组开始进入循环降倍率强充电阶段；
步骤3）所述智能充电控制器首先选择1~2C倍率对锂电池组进行第一轮快速充电，此时所述电压检测模块实时采集锂电池组的当前电压，并将采集到的电压值传回智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行总电压电量估算；同时所述锂电池管理系统实时监测锂电池组的当前电压，并将监测信号通过所述CAN通讯接收模块和所述CAN通讯发送模块发送至智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行通信电量判定；
此处，总电压电量估算和通信电量判定（Soc）同时工作，以先到达为优先控制点，比传统的电池充电方法多出一道防护；
步骤4）一旦所述智能充电控制器判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即将充电倍率减小为第一轮快速充电末期倍率（功率）的一半，此时锂电池组的当前电压属于虚电压，由于锂电池具有电压弹性涨落的特性，因此在充电倍率（功率）减半之后，随着虚电压向实电压靠近，锂电池组的当前电压会有所下降；
步骤5）充电倍率（功率）减半后，智能充电桩继续为锂电池组进行第二轮快速充电，锂电池组的当前电压接着开始上升，当所述智能充电控制器再次判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即再次将充电功率减小为第二轮快速充电末期倍率（功率）的一半，此时锂电池组的当前电压仍属于虚电压，随着虚电压再次向实电压靠近，锂电池组的当前电压再次会有所下降；
步骤6）重复步骤5）的策略，对锂电池组持续进行若干轮循环降倍率的快速充电，直至锂电池组的实际电压到达所述强充结束电压点（虚电压完全转化为实电压，且到达锂电池组平均总电压的90%），此时充电倍率降至0.2C，且充电电流低于800mA，至此整组锂电池组实现90%电量的快速充电。
此设计可在一小时以内完成锂电池的快速充电，同时不会触发高压段异常电池保护，是符合电池特性的安全快速充电方法。
进一步的，步骤1）中，当锂电池组为三元锂电池组时，所述强充结束电压点设定为4.1n~4.15nV，n表示三元锂电池的串联总数。
进一步的，步骤1）中，当锂电池组为磷酸铁锂电池组时，所述强充结束电压点设定为3.4n~3.45nV，n表示磷酸铁锂电池的串联总数。
按照用户用电的普遍特征，一般总电量的80~90%即可满足日常需求。由于上述步骤可以使锂电池在短时间内充至80~90%的电量，因此本发明可以作为临时快速充电手段，以满足用户的应急用电需要。例如在高速公路的服务区内设置采用本发明方法的充电装置，就可以使得电动汽车的充电效率接近于加油。
同时，由于本发明的循环降功率强充电法只是将锂电池的电压充满至总电压的80~90%，因此不会涉及到高电位的安全问题。
而且，锂电池因其自带的锂电池管理系统和均衡装置，可以承受连续若干次的此类快速强充，而由强充引进的一致性偏差和极化堆积问题，则由以下步骤解决：
当锂电池组的实际电压达到所述强充结束电压点，且充电电流减弱到某个设定值（800mA）以下时，锂电池组开始进入涓流充电阶段，并且在此期间，所述均衡装置对电池组进行均衡管理，修复一致性偏差，进一步减弱充电电流，所述物理保护开关则为锂电池组提供过充保护。
当锂电池组的实际电压达到平均总电压的95%，且充电电流减弱到所述均衡装置的均衡触发点时，锂电池组开始进入微功率充电阶段，此时充电电流小于所述均衡装置的均衡电流并保持，直至锂电池组充满电。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种动力锂电池快速充电方法，其特征在于，该方法充分结合智能充电设施、均衡装置以及锂电池管理系统，根据锂电池组充电时虚实电压的转换原理，对锂电池组采取循环降倍率强充电策略，实现短时间内锂电池组的快速充电；
所述智能充电设施包括若干智能充电桩，每个所述智能充电桩内均设置有一个用于控制智能充电桩充电时间和充电倍率的智能充电控制器，并且在所述智能充电桩的充电插头上设置有一个用于实时采集锂电池组当前电压的电压检测模块以及一个用于接收锂电池组电压信号的CAN通讯接收模块；
所述锂电池管理系统是预先配备在锂电池组上的，用于管理锂电池组的充放电，并且在所述锂电池管理系统中设置有一个用于管理锂电池组电芯一致性问题的均衡装置、一个用于提供断路保护的物理保护开关以及一个用于发送锂电池组电压信号的CAN通讯发送模块；
本方法的具体包括以下步骤：
步骤1）通过所述智能充电控制器，将锂电池组的强充结束电压点设置在锂电池组平均总电压的90%处；
步骤2）将充电插头插入锂电池组的充电接口，充电电路随即接通，所述电压检测模块开始工作，所述CAN通讯接收模块与所述CAN通讯发送模块相互接通，锂电池组开始进入循环降倍率强充电阶段；
步骤3）所述智能充电控制器首先选择1~2C倍率对锂电池组进行第一轮快速充电，此时所述电压检测模块实时采集锂电池组的当前电压，并将采集到的电压值传回智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行总电压电量估算；同时所述锂电池管理系统实时监测锂电池组的当前电压，并将监测信号通过所述CAN通讯接收模块和所述CAN通讯发送模块发送至智能充电桩的所述智能充电控制器中，进行通信电量判定；
步骤4）一旦所述智能充电控制器判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即将充电倍率减小为第一轮快速充电末期倍率的一半，此时锂电池组的当前电压属于虚电压，由于锂电池具有电压弹性涨落的特性，因此在充电倍率减半之后，随着虚电压向实电压靠近，锂电池组的当前电压会有所下降；
步骤5）充电倍率减半后，智能充电桩继续为锂电池组进行第二轮快速充电，锂电池组的当前电压接着开始上升，当所述智能充电控制器再次判定出所述电压检测模块或所述锂电池管理系统中任意一方所检测到的锂电池组当前电压到达所述强充结束电压点时，所述智能充电控制器立即再次将充电倍率减小为第二轮快速充电末期倍率的一半，此时锂电池组的当前电压仍属于虚电压，随着虚电压再次向实电压靠近，锂电池组的当前电压再次会有所下降；
步骤6）重复步骤5）的策略，对锂电池组继续进行若干轮循环降倍率的快速充电，直至锂电池组的实际电压到达所述强充结束电压点，即锂电池组平均总电压的90%，此时充电倍率降至0.2C，充电电流低于800mA，至此完成整组锂电池组90%总电量的快速充电。
2.根据权利要求1所述的动力锂电池快速充电方法，其特征在于：步骤1）中，当锂电池组为三元锂电池组时，所述强充结束电压点设定为4.1n~4.15nV，n表示三元锂电池的串联总数。
3.根据权利要求1所述的动力锂电池快速充电方法，其特征在于：步骤1）中，当锂电池组为磷酸铁锂电池组时，所述强充结束电压点设定为3.4n~3.45nV，n表示磷酸铁锂电池的串联总数。
4.根据权利要求1所述的动力锂电池快速充电方法，其特征在于：当锂电池组的实际电压达到所述强充结束电压点，且充电电流减弱到800mA以下时，锂电池组开始进入涓流充电阶段，并且在此期间，所述均衡装置对电池组进行均衡管理，修复一致性偏差，进一步减弱充电电流，所述物理保护开关则为锂电池组提供过充保护。
5.根据权利要求4所述的动力锂电池快速充电方法，其特征在于：当锂电池组的实际电压达到平均总电压的95%，且充电电流下降到所述均衡装置的均衡触发点时，锂电池组开始进入微功率充电阶段，此时充电电流小于所述均衡装置的均衡电流并保持。
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