CN106972588A - 锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统 - Google Patents

锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统 Download PDF

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CN106972588A CN201710333218.2A CN201710333218A CN106972588A CN 106972588 A CN106972588 A CN 106972588A CN 201710333218 A CN201710333218 A CN 201710333218A CN 106972588 A CN106972588 A CN 106972588A
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    • H02J7/0072Regulation of charging or discharging current or voltage using semiconductor devices only
    • H02J7/0077Regulation of charging or discharging current or voltage using semiconductor devices only the charge cycle being terminated in response to electric parameters

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统,其特征在于,所述方法包括:对锂离子电池充电;在随后的充电后静置阶段,对充电装置的输出电压进行控制;在随后的浮充阶段,对充电装置的输出电压进行控制;浮充阶段过后,对锂离子电池补充电。所述系统包括:控制装置、充电装置、锂电池电流传感器和锂电池模组串。本发明的有益效果在于:在充电后静置阶段,充电装置的输出电压等于锂离子电池的开路电压,锂离子电池不放电,维持满容量;在浮充阶段,充电装置的输出电压等于锂离子电池预期的补充电并静置后的开路电压,补充锂离子电池自放电导致的电量损失,并避免过充;通过补充电,避免长期浮充导致的锂离子电池电量不足。

Description

锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电力和通信领域,并且更具体地,涉及一种锂离子电池直流电源系统 浮充运行控制的方法及系统。
背景技术
[0002] 在电力和通信领域,直流电源系统内通常配备固定型阀控式铅酸蓄电池,但铅酸 蓄电池存在环境污染,运行寿命短,内部开路难以发现,核容时间长,维护成本高等劣势,配 备锂离子电池的直流电源系统开始逐渐增多。
[0003] 为了满足直流电源系统高可靠性的要求,锂离子电池沿用了铅酸电池的浮充运行 方式,以及铅酸电池维护管理的定性思维,但锂离子电池通常采用“充电-放电-充电”的循 环运行方式,而不是长期涓流充电的浮充运行方式。铅酸电池为全额抵消电池自放电造成 的容量损失,追求恒定的浮充电流,通过内部的氧循环反应机理,将过充后的多余电量转化 为热量。铅酸电池对浮充电压进行温度补偿时,采用负温度补偿系数,温度升高,自放电加 大,浮充电压降低,浮充电流近乎不变。
[0004] 依据铅酸电池的运行经验,对锂离子电池的浮充电压确定得过分草率。若锂离子 电池浮充电压偏高,将导致电池极板长期维持过高电位,持续的充电电流造成极板内晶格 坍塌,减损电池寿命;若浮充电压偏低,锂离子电池完全充电后,端电压高于充电装置的输 出电压,先行部分放电,锂离子电池的端电压才能降至浮充电压,降低了锂离子电池的储备 电量。依据铅酸电池的运行经验,不对浮充电压进行时间补偿。长时间运行后,锂离子电池 容量衰减,前期的浮充电压就显得过高,较高的电池极板间电压,造成锂离子电池容量加速 衰减。
[0005] 因此,需要一种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统,消除锂离 子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式的弊端。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法及系统,消除了 锂离子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式的弊端,延长了锂离子电池的浮充运行寿命。
[0007] 为了解决上述问题,根据本发明的一个方面,提供了一种锂离子电池直流电源系 统浮充运行控制的方法,所述方法包括:
[0008] 对锂离子电池充电;
[0009] 在锂离子电池充电阶段结束后的充电后静置阶段^至^,对充电装置的输出电压 进行控制;
[0010] 在锂离子电池的端电压稳定后,转入浮充阶段;
[0011] 在锂离子电池充电后静置阶段结束后的浮充阶段tf至tr,对充电装置的输出电压 进行控制;
[0012] 浮充阶段结束后,对锂离子电池补充电。
[0013] 优选地,其中采用恒流恒压法对锂离子电池进行充电和补充电。
[0014] 优选地,其中在锂离子电池充电后静置阶段,充电装置的输出电压Uc为:
Figure CN106972588AD00061
[0016] 其中,Ull为锂离子电池组的充电限制电压,Ucip为锂离子电池组的开路电压,在充 电阶段结束、充电后静置阶段开始的时刻点ts,充电装置的输出电压Uc等于Uu,在充电后静 置阶段期间,充电装置的输出电压U。等于υ〇Ρ。
[0017] 优选地,其中通过下述方法,控制充电装置的输出电压Uc等于锂离子电池组的开 路电压Uop:
[0018] 通过控制锂离子电池组的充电电流I。为0,对锂离子电池充电后静置阶段的充电 装置的输出电压Uc进行控制。
[0019] 优选地,其中通过下述方法,控制锂离子电池组的充电电流I。为0:
[0020] 若充电电流I。大于〇,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00062
[0022] 若充电电流I。小于〇,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00063
[0024] 若充电电流I。等于〇,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00064
[0026] 其中,Uc/为前一控制时点的充电装置的输出电压,A1SlcM)时的U。的调整步长, Δ 2为lc<0时的Uc的调整步长,△ 1与Δ 2丨两足以下关系:
Figure CN106972588AD00065
为Uc控制时点的时间间 隔,tic为Uc的调整延时。
[0027] 优选地,其中所述方法还包括:
[0028] 通过下述方法,判断锂离子电池充电后静置阶段是否结束,可否进入浮充阶段:
[0029]
Figure CN106972588AD00066
则锂离子电池进入浮充阶段;否则,未进入浮充阶 段,继续对锂离子电池充电后静置阶段的充电装置的输出电压U。进行控制,
[0030] 其中,U。〃为前1小时的充电装置的输出电压,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段 开始的时刻点。
[0031] 优选地,其中在锂离子电池浮充阶段,充电装置的输出电压Uc为:
Figure CN106972588AD00067
[0033] 其中,‘为锂离子电池组的开路电压,Uf为锂离子电池组的浮充初始电压,1]。6为锂 离子电池组预期的补充电并静置后的开路电压,在充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的 时刻点tf,充电装置的输出电压U。等于Ucip,此时的Ucip等于Uf,在浮充阶段期间,充电装置的 输出电压U。等于Uoe3。
[0034] 优选地,其中通过下述方法,控制充电装置的输出电压Uc等于锂离子电池组预期 的补充电并静置后的开路电压Ucre:
[0035] 通过时间补偿系数CitdP温度补偿系数Qte,对锂离子电池组的浮充初始电压Uf进行 修正,从而对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压Uc进行控制:
[0037] 其中,t为当前时间,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点,T为当前 环境温度,Ts为温度补偿的基准环境温度。
Figure CN106972588AD00071
[0038] 优选地,其中通过下述方法,确定时间补偿系数ati:
Figure CN106972588AD00072
[0040] 其中,Ucipc为锂离子电池组在基准环境温度下,某次充电并静置后的开路电压,Ucipr 为锂离子电池组在基准环境温度下,某次补充电并静置后的开路电压,tct为锂离子电池充 电后结束静置的时刻点,trt为锂离子电池补充电后结束静置的时刻点。
[0041] 优选地,其中通过下述方法,确定温度补偿系数以^
Figure CN106972588AD00073
[0043] 其中,1]_为锂离子电池组充电并静置后,处于极限温度的开路电压,1]_为为锂离 子电池组充电并静置后,处于温度补偿基准环境温度的开路电压,Ttl为锂离子电池运行的 极限环境温度,1为温度补偿的基准环境温度。
[0044] 优选地,其中所述方法还包括:
[0045] 通过下述方法,判断锂离子电池浮充阶段是否结束,可否进入补充电阶段:
[0046]
Figure CN106972588AD00074
,则锂离子电池浮充阶段结束,进入补充电阶段;否则,未进入补 充电阶段,继续对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压U。进行控制,
[0047] 其中,Cf为锂离子电池浮充后预估的剩余容量,Cm为事故全停状态下锂离子电池持 续放电所需的必备容量,tr为浮充阶段结束、补充电阶段开始的时刻点。
[0048] 根据本发明的另一个方面,提供了一种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的 系统,其特征在于,所述系统包括:
[0049] 控制装置、充电装置、锂电池电流传感器和锂电池模组串;
[0050] 锂电池模组串由η个锂电池模组串联组成,η可以为1至任意整数;
[0051] 锂电池模组串与锂电池电流传感器串联后,再与充电装置并联;
[0052] 控制装置通过CAN总线与锂电池模组、锂电池电流传感器和充电装置相连。
[0053] 优选地,其中锂电池模组内包含锂电池单体电芯阵列和电池管理系统;
[0054] 锂电池单体电芯阵列由j X k (行X列)个完全相同的锂电池单体电芯组成,j和k可 以为1至任意整数,j个锂电池单体电芯先串联组成锂电池单体电芯串,k个相同的锂电池单 体电芯串并联组成锂电池单体电芯阵列。
[0055] 优选地,其中锂电池模组的数量η为2或4,锂电池模组内锂电池单体电芯的行数j 为17。
[0056] 优选地,其中控制装置内包含充电装置输出电压控制单元和通信单元;
[0057] 控制装置内通信单元与锂电池模组内电池管理系统相通信;
[0058] 控制装置内充电装置输出电压控制单元与充电装置和锂电池电流传感器相通信;
[0059] 控制装置内充电装置输出电压控制单元与通信单元相通信;
[0060] 控制装置内通信单元与上级监控系统相通信。
[0061] 本发明的有益效果在于:
[0062] 本发明的技术方案通过在充电后静置阶段,调整充电装置的输出电压,使充电装 置的输出电压等于锂离子电池的开路电压,锂离子电池不放电,维持满容量;在浮充阶段, 不断调整充电装置的输出电压,使充电装置的输出电压等于锂离子电池预期的补充电并静 置后的开路电压,补充锂离子电池自放电造成的电量损失,同时避免锂离子电池过充;通过 补充电,保持锂离子电池的储备电量,满足事故全停状态下持续放电所需的必备容量,避免 长期浮充导致的锂离子电池储备电量不足。
[0063] 本发明的技术方案消除了锂离子电池沿用铅酸电池浮充运行控制方式的弊端,延 长了锂离子电池的浮充运行寿命。
附图说明
[0064] 通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
[0065] 图1为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法的流 程图;
[0066] 图2为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统的示 意图;
[0067] 图3为根据本发明实施方式的锂离子电池运行方式的示意图;
[0068] 图4为根据本发明实施方式的充电后静置阶段的充电装置输出电压的控制系统结 构图;
[0069] 图5为根据本发明实施方式的充电后静置阶段的充电装置输出电压的控制方式示 意图;
[0070] 图6为根据本发明实施方式的锂电池模组的内部结构示意图;以及
[0071] 图7为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统的内 部数据通信示意图。
[0072] 其中,1-控制装置;2-充电装置;3-锂电池电流传感器;4-锂电池模组;5-充电装置 输出电压控制单元;6-通信单元;7-上级监控系统;8-电池管理系统;9-锂电池单体电芯。
具体实施方式
[0073] 现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形 式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开 本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示 例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附 图标记。
[0074] 除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有 通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其 相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0075] 图1为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法100 的流程图。如图1所示,所述浮充运行控制的方法100与锂离子电池的运行方式相结合,开始 后,分为5个步骤:步骤101为充电阶段,步骤102为充电后静置阶段,步骤103为浮充阶段,步 骤104为补充电阶段,步骤105为事故放电阶段;在浮充阶段,若遇到事故放电,进入事故放 电阶段,否则,浮充阶段结束后,进入补充电阶段;事故放电阶段结束后,转回充电阶段;补 充电阶段结束后,转回充电后静置阶段。所述浮充运行控制的方法100在充电后静置阶段和 浮充阶段,对充电装置的输出电压U。进行控制。
[0076] 优选地,在充电阶段和补充电阶段,采用恒流恒压法对锂离子电池进行充电或补 充电。
[0077] 图2为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统600 的示意图。如图2所示,所述浮充运行控制的系统600包括:控制装置1、充电装置2、锂电池电 流传感器3和锂电池模组串。其中,控制装置1内包含充电装置输出电压控制单元5和通信单 元6,充电装置输出电压控制单元5用于对充电装置2的输出电压U。进行控制,通信单元6用 于与上级监控系统7通信,实现指令接收和信息上传;充电装置2用于对锂离子电池充电和 浮充电,即对本实施例中的锂电池模组串进行充电和浮充电;锂电池电流传感器3用于测量 锂离子电池的充电电流Ic;锂电池模组串由η个完全相同的锂电池模组4串联组成,η可以为 1至任意整数;锂电池模组串与锂电池电流传感器3串联后,再与充电装置2并联;控制装置1 通过CAN总线与锂电池模组4、锂电池电流传感器3和充电装置相连2。
[0078] 图3为根据本发明实施方式的锂离子电池运行方式的示意图。如图3所示,所述锂 离子电池运行方式分为:充电阶段、充电后静置阶段、浮充阶段、补充电阶段和事故放电阶 段。图3以Uc_t曲线表不:其中,tcQ〜tsQ为充电阶段,tsQ〜tfQ为充电后静置阶段,tfQ〜trl为 浮充阶段;trl〜tsA补充电阶段,tsl〜tfl为第2轮充电后静置阶段,tfl〜tr2为第2轮浮充阶 段;tr2〜ts2为下一轮补充电阶段,ts2〜tf2为第3轮充电后静置阶段,tf2〜td为第3轮浮充阶 段;td〜tc3为事故放电阶段,tc3〜ts3为下一轮的充电阶段,ts3〜tf3为第4充电后静置阶段。
[0079] 在本发明的实施方式中,在充电阶段,采用恒流恒压法对锂离子电池进行充电,在 恒流充电阶段,充电电流I。等于锂离子电池组的恒流充电电流I。。,在恒压充电阶段,充电装 置的输出电压Uc等于锂离子电池组的充电限制电压Uu,I。。和Ull由锂离子电池生产商自行 确定;在充电后静置阶段,所述浮充运行控制的方法100对充电装置的输出电压U。进行控 制;在浮充阶段,所述浮充运行控制的方法100对充电装置的输出电压Uc进行控制;在补充 电阶段,采用恒流恒压法对锂离子电池进行补充电,充电参数I。。和Uu与充电阶段相同。
[0080] 在图3所示的第1轮充电后静置阶段tsQ〜tfQ似下用UPtf表示),充电装置的输出 电压Uc为:
Figure CN106972588AD00091
[0082] 其中,Uc为充电装置的输出电压,Ull为锂离子电池组的充电限制电压,1^为锂离子 电池组的开路电压,t为当前时间,七为充电阶段结束、充电后静置阶段开始的时刻点,tf为 充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点。
[0083] 在充电阶段结束、充电后静置阶段开始的时刻点ts,充电装置的输出电压U。等于锂 离子电池组的充电限制电压Ull;在充电后静置阶段期间,充电装置的输出电压Uc等于锂离 子电池组的开路电压Ucipt3
[0084] 优选地,通过控制充电电流I。为0,使充电装置的输出电压U。等于锂离子电池组的 开路电压Ucip,从而对锂离子电池充电后静置阶段的充电装置的输出电压U。进行控制。
[0085] 在充电电流Ic为0时,锂离子电池组在线状态下的端电压Ut等于锂离子电池组的开 路电压Ucip;由于锂离子电池组与充电装置并联,锂离子电池组的端电压Ut等于充电装置的 输出电压Uc;通过控制充电电流Ic为0,使充电装置的输出电压Uc跟随锂离子电池组的开路 电压Ucip变化。
[0086] 优选地,通过锂离子电池组的端电压Ut是否达到稳定,判断锂离子电池充电后静 置阶段是否结束,可否进入浮充阶段。
[0087] 若锂离子电池组的端电压Ut在1小时内变化不超过IV,则锂离子电池进入浮充阶 段,用公式表示为:
Figure CN106972588AD00101
[0089] 其中:
Figure CN106972588AD00102
为前1小时的充电装置的输出电压,U。为当前充电装置的输出电压,I。为 锂离子电池组的充电电流,t为当前时间,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻 点。
[0090] 否则,未进入浮充阶段,继续对锂离子电池充电后静置阶段的充电装置的输出电 压Uc进行控制。
[0091] 在充电阶段或补充电阶段结束后,锂离子电池组的开路电压Ucip将逐渐降低,12h后 浓差极化基本消失,锂离子电池组的开路电压Ucip达到稳定。
[0092] 在图3所示的第1轮浮充阶段tfQ〜trl (以下用tf和tr表示),充电装置的输出电压U。 为:
Figure CN106972588AD00103
[0094] 其中,Uc为充电装置的输出电压,Uf为锂离子电池组的浮充初始电压,1^为锂离子 电池组的开路电压,为锂离子电池组预期的补充电并静置后的开路电压,t为当前时间, tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点,tr为浮充阶段结束、补充电阶段开始的 时刻点。
[0095] 在充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点tf,充电装置的输出电压U。等于锂 离子电池组的开路电压锂1^;在浮充阶段期间,充电装置的输出电压U。等于锂离子电池组 预期的补充电并静置后的开路电压IU。
[0096] 由于tf是浮充阶段开始的时刻点,此时充电装置的输出电压Uc等于锂离子电池组 的浮充初始电压Uf,也就是锂离子电池组的浮充初始电压Uf等于充电后静置阶段结束、浮充 阶段开始的时刻点的锂离子电池组的开路电压U〇P。
[0097] 浮充电用于补充锂离子电池自放电造成的容量损失。浮充电流If是浮充阶段期间 锂离子电池组的充电电流,即:
Figure CN106972588AD00104
[0099] 其中,I。为锂离子电池组的充电电流,If为锂离子电池组的浮充电流,t为当前时 间,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点,tr为浮充阶段结束、补充电阶段开始 的时刻点。
[0100] 锂离子电池的自放电分为充电能补充容量损失的自放电,和充电无法补充容量损 失的自放电,前者主要为电子穿过电解液,透过隔膜,由负极板回到正极板,后者主要为电 池内部杂质引发的不可逆副反应。
[0101] 用锂离子电池自放电特性K值表征锂离子电池的自放电程度,与锂离子电池的新 旧程度有关,通常为lmV/d〜20mV/d,即在开路状态下每日端电压降低ImV〜20mV。
[0102] 通过浮充,不能避免锂离子电池容量不断减小,为避免过充,在环境温度恒定的情 况下,充电装置的输出电压应逐渐降低,浮充初始电压Uf应为浮充阶段期间,充电装置的最 高输出电压。
[0103] 优选地,通过时间补偿系数atl和温度补偿系数Ctte,对锂离子电池组的浮充初始电 压Uf进行修正,使充电装置的输出电压Uc等于锂离子电池组预期的补充电并静置后的开路 电压IU,从而对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压U。进行控制。公式如下:
Figure CN106972588AD00111
[0105] 其中,Uc为充电装置的输出电压,1^为锂离子电池组预期的补充电并静置后的开 路电压,Uf为锂离子电池组的浮充初始电压,%为时间补偿系数,ate为温度补偿系数,t为当 前时间,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点,T为当前环境温度,1为温度补 偿的基准环境温度。
[0106] 优选地,利用同一批次锂离子电池的历史数据,或当前锂离子电池的先期试验数 据,确定时间补偿系数atl,公式如下:
Figure CN106972588AD00112
[0108] 其中,ati为时间补偿系数,Ucipc为锂离子电池组在基准环境温度下,某次充电并静 置后的开路电压,Ucipr为锂离子电池组在基准环境温度下,某次补充电并静置后的开路电 压,tct为锂尚子电池充电后结束静置的时刻点,trt为锂尚子电池补充电后结束静置的时刻 点。
[0109] 优选地,利用同一批次锂离子电池的历史数据,或当前锂离子电池的先期试验数 据,确定温度补偿系数,公式如下:
Figure CN106972588AD00113
[0111] 其中,ate为温度补偿系数,1]_为锂离子电池组充电并静置后,处于极限温度的开 路电压,1]_为锂离子电池组充电并静置后,处于温度补偿基准环境温度的开路电压,TtlS 锂离子电池运行的极限环境温度,Ts为温度补偿的基准环境温度。
[0112] 通常 Tti 为 45 °C,Ts 为 25 °C。
[0113] 铅酸电池采用负温度补偿系数,温度升高,电池内部化学反应加大,浮充电压降 低,减缓化学反应,避免电池极板腐蚀;锂离子电池不存在极板腐蚀问题,采用正温度补偿 系数,温度升高,自放电加大,浮充电压升高,补充自放电导致的电量损失。
[01M] 优选地,通过锂离子电池浮充后预估的剩余容量Cf,判断锂离子电池浮充阶段是 否结束,可否进入补充电阶段。
[0115] 若锂离子电池浮充后预估的剩余容量小于事故全停状态下锂离子电池持续放电 所需的必备容量,则锂离子电池进入补充电阶段,用公式表示为:
Figure CN106972588AD00114
[0117] 其中,Cf为锂离子电池浮充后预估的剩余容量,Cm为事故全停状态下锂离子电池持 续放电所需的必备容量,tr为浮充阶段结束、补充电阶段开始的时刻点。
[0118] 否则,未进入补充电阶段,继续对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压Uc 进行控制。
[0119] 锂离子电池长期浮充后,极板内的活性物质逐渐丧失活性,放电时无法达到预期 容量,需定期补充充电。
[0120] 通过补充电,不能避免锂离子电池容量不断减小,在图3所示的各轮浮充阶段,锂 离子电池组的各个浮充初始电压的关系应为:
Figure CN106972588AD00121
[0122] 其中,UfQ为锂离子电池组第1轮浮充阶段的浮充初始电压,Ufl为锂离子电池组第2 轮浮充阶段的浮充初始电压,Uf2为锂离子电池组第3轮浮充阶段的浮充初始电压,Uf3为锂 离子电池组第4轮浮充阶段的浮充初始电压。
[0123] 图4为根据本发明实施方式的充电后静置阶段的充电装置输出电压的控制系统结 构图。如图4所示,所述充电装置输出电压的控制系统结构图中各构成单元的含义如下:
[0124] 环节“start” :当t = tjf,在充电后静置阶段的开始时刻点 时,在充电后静置阶段期间,^
Figure CN106972588AD00122
Figure CN106972588AD00123
[0125] 环节“Battery” :通过锂离子电池组,将充电装置的输出电压Uc/的变化,转化为锂 离子电池组的充电电流I。的变化;
[0126] 环节“Ic?” :当lc>0时,δ = - Δ χ,当lc<0时,δ = Δ 2,当Ic = O时,δ = 〇;
[0127] 比较点1:
Figure CN106972588AD00124
[0128] 在充电后静置阶段,对充电装置的输出电压Uc采用单闭环、反馈补偿的控制方式, 将闭环控制量Uc送入反馈补偿器“环节Battery”和“环节Ic?”,经过定额补偿的循环调整,逐 步实现控制目的“锂离子电池组的充电电流I。为〇”。
[0129] 控制系统结构图为“在充电后静置阶段,控制充电电流Ic为0”方法原理的表述方 式,以下为具体实施方式。
[0130] 通过控制充电电流I。为0,使充电装置的输出电压UJS随锂离子电池组的开路电压 Ucip变化的具体方法为:
[0131] 在控制过程中,分为多个控制时点,控制时点的时间间隔固定;在每个控制时点, 根据充电电流I。,进行一次调整,逐步实现“控制充电电流I。为〇”。
[0132] 若充电电流I。大于0,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00125
[0134] 若充电电流I。小于0,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00126
[0136] 若充电电流I。等于0,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为:
Figure CN106972588AD00127
[0138] 其中,U。为当前充电装置的输出电压,Uc/为前一控制时点的充电装置的输出电压, Δ AljO时的U。的调整步长,Δ 2为1。<〇时的U。的调整步长,Δ *为1]。控制时点的时间间隔, tie为Uc的调整延时。
[0139] 由于在充电后静置阶段,锂离子电池组的开路电压Ucip逐渐降低,八:与A2应满足 以下关系:Al多八2。
[0140] 充电装置的输出电压Uc的调整步长Δ :可取〇. 5V,调整步长Δ 2可取〇. 3V,调整延时 tic 可取 2min〇
[0141] 图5为根据本发明实施方式的充电后静置阶段的充电装置输出电压的控制方式示 意图。本图为对充电装置的输出电压U。的某次控制示例。如图5所示,在Urt曲线表示的充电 后静置阶段tsQ〜tf中,在不同的控制时点,充电装置的输出电压分别为11。0、11。1、1]。2、1]。3......, 所对应的控制时点分别为tsQ、tsl、ts2、ts3......。
[0142] 在本示例中,对充电装置的输出电压进行以下控制:
[0143] 在^〇时点,在充电阶段结束、充电后静置阶段开始的时刻点,充电电流I。大于0,
Figure CN106972588AD00131
[0145] 在tsl时点,经过控制时点的时间间隔Δ t,与tsQ时点相比,充电电流I。近似不变,Ic 大于〇,
Figure CN106972588AD00132
[0147] 在ts2时点,经过控制时点的时间间隔Δ t,充电装置的输出电压超调,产生放电电 流,但与tsi时点相比,I IcI减小,Ic小于〇,
Figure CN106972588AD00133
[0149] 在tS3时点,经过控制时点的时间间隔A t,与tS2时点相比,11。I进一步减小,I。大于 0,
Figure CN106972588AD00134
[0151] 图6为根据本发明实施方式的锂电池模组的内部结构示意图。如图6所示,所述锂 电池模组4内包含:锂电池单体电芯阵列和电池管理系统(BMS) 8。BMS不受控制装置1内的充 电装置输出电压控制单元5控制,自行实现锂电池单体电芯之间的均衡,并避免锂电池单体 电芯过压、欠压和过温;锂电池单体电芯阵列由j Xk (行X列)个完全相同的锂电池单体电 芯9组成,j和k可以为1至任意整数;j个锂电池单体电芯9先串联组成锂电池单体电芯串,k 个相同的锂电池单体电芯串并联组成锂电池单体电芯阵列。
[0152] 磷酸铁锂电池除具有锂离子电池的性能特征,还具备安全性高、工作温度范围宽、 使用寿命长等特点,随着在电力和通信领域的广泛应用,生产工艺日趋成熟。在现有技术 中,磷酸铁锂电池的浮充电压范围为3.40V〜3.50V,默认值通常为3.40V,充电限制电压范 围为3.50V〜3.60V,默认值通常为3.55V。
[0153] 采用铅酸电池的220V直流电源系统,浮充电压不超过231V,充电限制电压不超过 242V。本发明对于220V直流电源系统,磷酸铁锂电池模组的数量η为4,模组内磷酸铁锂电池 单体电芯的行数j为17,浮充电压范围为224V〜231V,充电限制电压范围为238V〜242V,便 于直接替代铅酸电池直流电源系统。
[0154] 本发明对于IIOV直流电源系统,磷酸铁锂电池模组的数量η为2,模组内磷酸铁锂 电池单体电芯的行数j仍为17,便于磷酸铁锂电池模组在220V直流电源系统和11OV直流电 源系统内通用互换。
[0155] 图7为根据本发明实施方式的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统600 的内部数据通信示意图。如图7所示,所述浮充运行控制的系统600的内部数据通信方式为: 控制装置1内通信单元6与锂电池模组4内电池管理系统8相通信;控制装置1内充电装置输 出电压控制单元5与充电装置2和锂电池电流传感器3相通信;控制装置1内充电装置输出电 压控制单元5与通信单元6相通信;控制装置内1通信单元6与所述浮充运行控制的系统600 外的上级监控系统7相通信。充电装置2的输出电压Uc由控制装置1内充电装置输出电压控 制单元5进行控制;电池管理功能由锂电池模组4内电池管理系统8进行控制;上级监控系统 7的指令接收和信息上传由控制装置1内通信单元6进行控制。
[0156] 本发明实施例的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统600与本发明另一 个实施例的锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法100相对应,在此不再赘述。
[0157] 已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如 附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的 范围内。
[0158] 通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解 释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地 解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的 步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。

Claims (15)

1. 一种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的方法,其特征在于,所述方法包括: 对锂离子电池充电; 在锂离子电池充电阶段结束后的充电后静置阶段ts至tf,对充电装置的输出电压进行控制; 在锂离子电池的端电压稳定后,转入浮充阶段; 在锂离子电池充电后静置阶段结束后的浮充阶段tf至tr,对充电装置的输出电压进行控制; 浮充阶段结束后,对锂离子电池补充电。
2. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,采用恒流恒压法对锂离子电池进行充电和补充电。
3. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在锂离子电池充电后静置阶段,充电装置的输出电压U。为:
Figure CN106972588AC00021
其中,Ull为锂离子电池组的充电限制电压,Ucip为锂离子电池组的开路电压,在充电阶段结束、充电后静置阶段开始的时刻点ts,充电装置的输出电压Uc等于Uu,在充电后静置阶段期间,充电装置的输出电压U。等于υ〇Ρ。
4. 根据权利要求3所述的方法,其特征在于,通过下述方法,控制充电装置的输出电压U。等于锂离子电池组的开路电压Ucip: 通过控制锂离子电池组的充电电流I。为0,对锂离子电池充电后静置阶段的充电装置的输出电压Uc进行控制。
5. 根据权利要求4所述的方法,其特征在于,通过下述方法,控制锂离子电池组的充电电流I。为0: 若充电电流I。大于0,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为: Uc = Uc7 - A 1 (Δ t = tic) 若充电电流I。小于〇,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为: Uc = Uc7 + A 2 (Δ t = tic) 若充电电流I。等于0,所述充电装置的输出电压U。的控制方式为: Uc = Uc7 ( a t = tic) 其中,Uc/为前一控制时点的充电装置的输出电压,AAlcM)时的Uc的调整步长,A2为Ic<0时的Uc的调整步长,Δ :与Δ 2满足以下关系:Δ A Δ 2, Δ t为Uc控制时点的时间间隔,tie为Uc的调整延时。
6. 根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方法还包括: 通过下述方法,判断锂离子电池充电后静置阶段是否结束,可否进入浮充阶段: 若UZ-Uc^SIV (1。= 04 = ^),则锂离子电池进入浮充阶段;否则,未进入浮充阶段,继续对锂离子电池充电后静置阶段的充电装置的输出电压U。进行控制, 其中,U。〃为前1小时的充电装置的输出电压,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点。
7. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在锂离子电池浮充阶段,充电装置的输出电压Uc为:
Figure CN106972588AC00031
其中,1^为锂离子电池组的开路电压,Uf为锂离子电池组的浮充初始电压,Ucie为锂离子电池组预期的补充电并静置后的开路电压,在充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点tf,充电装置的输出电压U。等于Ucip,此时的Ucip等于Uf,在浮充阶段期间,充电装置的输出电压Uc等于Uoe。
8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,通过下述方法,控制充电装置的输出电压U。等于锂离子电池组预期的补充电并静置后的开路电压IU: 通过时间补偿系数CitjP温度补偿系数ate,对锂离子电池组的浮充初始电压Uf进行修正,从而对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压Uc进行控制: Uc = Uoe = Uf-Oti +ate (T-Ts) 其中,t为当前时间,tf为充电后静置阶段结束、浮充阶段开始的时刻点,T为当前环境温度,Ts为温度补偿的基准环境温度。
9. 根据权利要求8所述的方法,其特征在于,通过下述方法,确定时间补偿系数atl: Qti— (Uopc—Uopr) / (tct—trt) 其中,Ucip。为锂离子电池组在基准环境温度下,某次充电并静置后的开路电压,Ucipr为锂离子电池组在基准环境温度下,某次补充电并静置后的开路电压,tct为锂离子电池充电后结束静置的时刻点,trt为锂离子电池补充电后结束静置的时刻点。
10. 根据权利要求8所述的方法,其特征在于,通过下述方法,确定温度补偿系数Ctte3: 〇te= (Uopt-Uops) / (Ttl-Ts) 其中,1]_为锂离子电池组充电并静置后,处于极限温度的开路电压,Ucips为为锂离子电池组充电并静置后,处于温度补偿基准环境温度的开路电压,Ttl为锂离子电池运行的极限环境温度,Ts为温度补偿的基准环境温度。
11. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括: 通过下述方法,判断锂离子电池浮充阶段是否结束,可否进入补充电阶段: 若Cf<U(t = tr),则锂离子电池浮充阶段结束,进入补充电阶段;否则,未进入补充电阶段,继续对锂离子电池浮充阶段的充电装置的输出电压U。进行控制, 其中,Cf为锂离子电池浮充后预估的剩余容量,(^为事故全停状态下锂离子电池持续放电所需的必备容量,tr为浮充阶段结束、补充电阶段开始的时刻点。
12. —种锂离子电池直流电源系统浮充运行控制的系统,其特征在于,所述系统包括: 控制装置、充电装置、锂电池电流传感器和锂电池模组串; 锂电池模组串由η个锂电池模组串联组成,η可以为1至任意整数; 锂电池模组串与锂电池电流传感器串联后,再与充电装置并联; 控制装置通过CAN总线与锂电池模组、锂电池电流传感器和充电装置相连。
13. 根据权利要求12所述的系统,其特征在于,锂电池模组内包含锂电池单体电芯阵列和电池管理系统; 锂电池单体电芯阵列由j X k (行X列)个完全相同的锂电池单体电芯组成,j和k可以为1至任意整数,j个锂电池单体电芯先串联组成锂电池单体电芯串,k个相同的锂电池单体电芯串并联组成锂电池单体电芯阵列。
14. 根据权利要求13所述的系统,其特征在于,锂电池模组的数量η为2或4,锂电池模组内锂电池单体电芯的行数j为17。
15. 根据权利要求12所述的系统,其特征在于,控制装置内包含充电装置输出电压控制单元和通信单元; 控制装置内通信单元与锂电池模组内电池管理系统相通信; 控制装置内充电装置输出电压控制单元与充电装置和锂电池电流传感器相通信; 控制装置内充电装置输出电压控制单元与通信单元相通信; 控制装置内通信单元与上级监控系统相通信。
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