CN107069120A - 一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法 - Google Patents

一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法，该装置包括数据采集模块，用于采集装置电池的电压和电流数据；充电管理模块，用于根据上述数据计算充电过程中的控制参数并控制电流电压可调充电电路；电流电压可调充电电路，用于根据控制参数调整充电电流和充电电压。本发明方法通过在电池快充过程中加入中间充电阶段，从而避免过长时间采用高倍率的充电电流和较高的充电截止电压进行充电，从而有效地控制电池循环寿命的衰减，将电池损耗降到最低；同时在计算过程中引入虚拟电阻进行计算，达到稳定的充电控制，提高充电效率的同时，减少对电池的损害。本发明作为一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法可广泛应用于蓄电池领域。

Description

一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法
技术领域
本发明涉及蓄电池领域，尤其是一种电动车汽车锂离子电池的快充装置和方法。
背景技术
锂离子电池广泛应用于各种消费类电子产品，是目前最为常见的电池类型之一。鉴于它能量密度高、自放电率小、可反复充放电等特性，也被选作用于车辆、航天等交通运输领域的动力电池。
锂离子电池是可以反复充放电的。而传统的充电方式通常分为2个阶段：恒流充电阶段（即CC），和恒压充电阶段（即CV）。而在电动汽车的应用案例中，第1阶段也可使用恒功率充电（即CP）。
CC阶段：提供恒定的电流进行充电，直到任意单体电压达到第1阶段充电截止阀值。
CV阶段： 按单体截止电压的阀值进行恒压充电，直到电流衰减低于设定阀值，如C/20、C/10、C/5或其它。
基于不同的应用领域，完整的充电时间大概要1~5个小时不等，恒流阶段充电流一般设定在固定的倍率，例如0.5C~2C不等，完整的充电流程会在CV阶段电流值小于C/10时停止。而在某些应用定义的快速充电，则只会进行第1阶段恒流充电，此时电池电量大概在70%。
对于消费类电子产品而言，锂离子电池会充到单体电压4.2±0.05V左右。在汽车、工业和军事应用中，常使用相对较低的截止电压以延长电池的寿命。在电池电压大于4.3V或温度高于90℃时，保护电路会切断电路。
众所周知的，锂离子电池的充电装置通常都是CC和CV充电。参照图3，锂离子电池在刚开始充电的时候，都是以恒流进行；在恒压阶段，充电电压会设置为最大值，即电芯供应商推荐的电芯安全电压上限，例如典型的4.2V。图3、5和6中的横轴均表示时间。
充电电流是一个设计的参数，参考电芯容量、充电时长、需求和成本。当电池的单体电压上升至阀值，充电电流便会下降到初始电流值之下。特别的，当电芯电压Vb达到充电电压Vc的时候，充电电流会依据公式缓慢减少：I=(Vc-Vb)/Rs，这里I为充电电流，Vc为充电电压，Vb为电芯开环电压，Rs为充电回路的电阻（包含接触点电阻和电池内阻）。因此，在充电流程的最后一部分，一般在最后的1/3左右，电池是在以一个逐渐降低的电流在充电，这也意味这电池需要用更多的时间达到完全充满。
闭路电压代表着电池电压加上环路内电池内阻（包括电池端子和电芯内阻）引起的压降，用开路电压减去闭路电压，则通过电池内阻和电路元件的压降可以确定。
很多电池充电装置在恒流阶段利用这个压降去驱动电池充电电压，以增加对电池电芯的安时输入；通过在恒流阶段增加向电池输入的安时数，电池的充电速度将被大大加快。
当前的一些措施，包括锂离子充电器回路，都会对电池回路中的电压升进行补偿，从而提高充电电流，减少锂离子电池充电时间。补偿回路可以基于设计初始电压降，来自回路中的多种电阻元件，通过补偿这个电压降在恒流充电阶段维持一个预设的充电电流。但由于多种电阻元件的阻值会因许多不同的因素（包括电池接插件接头的氧化等）而不断变化。因此，经过一段时间使用后，电池的充电时间会延长，所以如何进一步减少锂离子电池的充电时间，并减少快充对电池寿命带来的负面影响，是目前迫切的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种用于电动车汽车锂离子电池的快速充电和利于延长电池使用寿命的装置。
为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种用于电动车汽车锂离子电池的快速充电和利于延长电池使用寿命的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种电动车汽车锂离子电池的快充装置，包括有
数据采集模块，用于采集装置电池的电压和电流数据；
充电管理模块，用于根据数据采集模块采集的数据计算充电过程中的控制参数，并根据控制参数控制电流电压可调充电电路对电池进行充电；
电流电压可调充电电路，用于根据控制参数调整充电电流和充电电压。
进一步，所述数据采集模块还用于采集电池的温度数据。
本发明所采用的另一技术方案是：一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，包括有以下步骤：
A、充电过程中采集电池数据，包括有充电电压和电流，并根据上述数据计算电池电压；
B、在初始充电阶段中，对电池进行恒流充电或者恒功率充电，直至充电电压达到初始充电阶段的电压截止阈值；
C、在中间充电阶段中，包括至少一个恒流充电阶段、至少一个恒功率充电阶段或者至少一个恒压充电阶段；
D、在结束充电阶段中，对电池进行恒压充电，直至充电电流达到结束充电阶段的电流截止阈值。
进一步，所述步骤A中，电池电压Vcell表示为：
Vcell=U-Ichg*R’
其中R’为虚拟电阻阻值，虚拟电阻阻值是电池内阻和电池当前电量的函数，U为充电电压，Ichg为充电电流。
进一步，所述步骤A中的电池数据还包括有电池温度。
进一步，所述初始充电阶段的充电电压阈值为4V-4.05V。
进一步，所述步骤C中，恒压充电阶段的电流截止阈值大于结束充电阶段的电流截止阈值。
进一步，所述步骤C中，恒流充电阶段的电压截止阈值小于或等于结束充电阶段的电流截止阈值。
进一步，所述虚拟电阻阻值是电池内阻、电池当前电量和电池温度的函数。
本发明的有益效果是：该装置通过电流电压可调充电电路进行充电控制，从而避免现有技术中过长时间采用固定的高倍率的充电电流和较高的充电截止电压进行充电，从而有效地控制电池循环寿命的衰减，将电池损耗降到最低；同时采集多种电池数据进行计算，达到稳定的充电控制，提高充电效率的同时，减少对电池的损害。
本发明的另一有益效果是：该方法通过在电池快充过程中加入中间充电阶段，从而避免过长时间采用高倍率的充电电流和较高的充电截止电压进行充电，从而有效地控制电池循环寿命的衰减，将电池损耗降到最低；同时在计算过程中引入虚拟电阻进行计算，达到稳定的充电控制，提高充电效率的同时，减少对电池的损害。
附图说明
图1为本发明装置的电路结构框图；
图2为本发明方法的步骤流程图；
图3为现有技术中恒流和恒压阶段充电的电池电压和电流变化图；
图4为本发明中电池充电模型示意图；
图5为本发明方法一具体实施例的充电阶段电池电压和电流变化图；
图6为本发明方法中虚拟电阻阻值变化时对应其他参数的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1，一种电动车汽车锂离子电池的快充装置，包括有
数据采集模块，用于采集装置电池的电压和电流数据；
充电管理模块，用于根据数据采集模块采集的数据计算充电过程中的控制参数，并根据控制参数控制电流电压可调充电电路对电池进行充电；
电流电压可调充电电路，用于根据控制参数调整充电电流和充电电压。
进一步作为优选的实施方式，所述数据采集模块还用于采集电池的温度数据。
参照图2，一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，包括有以下步骤：
A、充电过程中采集电池数据，包括有充电电压和电流，并根据上述数据计算电池电压；
B、在初始充电阶段中，对电池进行恒流充电或者恒功率充电，直至充电电压达到初始充电阶段的电压截止阈值；
C、在中间充电阶段中，包括至少一个恒流充电阶段、至少一个恒功率充电阶段或者至少一个恒压充电阶段；
D、在结束充电阶段中，对电池进行恒压充电，直至充电电流达到结束充电阶段的电流截止阈值。
现有技术中的锂离子电池的充电过程通常分为两种阶段，即恒流充电和恒压充电阶段。对于高能量电芯，CC阶段一般用1C~2C（或以下）的恒流，CV阶段的充电截止电压则约在4.1V到4.2V之间；当锂离子电池进行快充时，高倍率的充电电流和较高的充电截止电压，都会使电芯的循环寿命衰减。
而本发明的上述步骤中，在初始充电阶段和结束充电阶段之间加入中间充电阶段，避免在中间充电阶段采用高倍率的充电电流和较高的充电截止电压，从而有效地控制电池循环寿命的衰减，将电池损耗降到最低；直到最后的结束充电阶段才用较高的充电截止电压将电池充满，与现有技术相比，由于之前已经存在中间充电阶段对电池进行充电，因此在结束充电阶段中，电池达到充满状态的时间将更短，电池损耗更低。
本发明电池充电的直流等效模型中，主要包括虚拟电阻R’和电池的标称内阻R，如图4所示，进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中，电池电压Vcell表示为：
Vcell=U-V’，其中V’= Ichg*R’；
因此Vcell=U-Ichg*R’
其中R’为虚拟电阻阻值，虚拟电阻阻值是电池内阻R和电池当前电量SOC的函数，U为充电电压，Ichg为充电电流。
图4所示模型中，虚拟电阻视为多个对电池寿命有负面影响的物理参数的综合函数表现。例如，虚拟电阻可以部分代表负极极化时产生的极化内阻；当极化内阻增大时，电池负极出现锂析出的可能性也会增大，从而导致电池的容量衰减。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的电池数据还包括有电池温度。
进一步作为优选的实施方式，所述虚拟电阻阻值是电池内阻、电池当前电量和电池温度的函数。
从模型的角度来看，影响极化内阻的因素，例如温度、电池使用时间还有当前电池电量都可以写入算法逻辑里进行计算和修正，来避免电池的损伤。
此外，这样的因素还有很多，电芯层面对虚拟电阻的影响因素如电解液的种类、电极的设计、以及负极的材料。所有的因素都可以通过实验来确定，从而可以建立出对应的模型来表达这些影响代表的虚拟电阻阻值。例如当虚拟电阻阻值是电池内阻R和电池当前电量SOC的函数时，可表示为R’=k1*R+f(SOC),其中f(SOC)是以SOC为输入变量的一个函数或查表值，例如f（SOC）可能是k2*SOC，k1是一个0和1间的数字，一般在0.1左右， k2一般为0.001/SOC%。或者，当虚拟电阻阻值是电池内阻、电池当前电量和电池温度的函数时，可表示为R’=（SOC，温度，R）。或者，虚拟电阻阻值同时还包含使用时间的函数，一般电芯的内阻都会随着使用时间的增长而变大。电池内阻R可以通过多种方式确定，例如通过查表确定或通过实时计算确定。一般来说，R’是和R和SOC直接关联，与温度则成反比关系。通过这些关系，我们得到目标Vcell=U-V’。U是电池充电时电芯需要达到的最终充电电压值，一般会设置在4.125V。
进一步作为优选的实施方式，所述初始充电阶段的充电电压阈值为4V-4.05V。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中，恒压充电阶段的电流截止阈值大于结束充电阶段的电流截止阈值。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中，恒流充电阶段的电压截止阈值小于或等于结束充电阶段的电流截止阈值。
参照图5，说明本发明方法的一具体实施例，其具体步骤中采用了多个阶段的快充。
其中第一阶段为初始充电阶段，采用恒流充电，充电电流一般设置为大于或等于常用的1C。第一阶段充电截止电压一般不会太高，小于等于最终截止充电电压，一般在4.0V或4.05V左右。一个拥有较低阻抗的电芯可以充到较高的电压值而不受到损伤。这些实际值同样会根据电芯最大充电截止电压来确定，比如可以用最大充电电压进行百分比折算，如SOC的80%，或是4.125V的80%。
第二阶段和第三阶段为中间充电阶段。第二阶段采用恒压充电，设定的恒压值通常是第一阶段的末端电压，例如4.0V或4.05V左右。在第二阶段的期间，当充电电流曲线会从第一阶段的恒定电流下降到一个设定的阀值以下，例如1C到0.33C；第三阶段采用恒流充电，再次以一个恒定的倍率电流进行充电，电芯电压会升高到最终充电截止电压。
第四阶段为结束充电阶段，采用恒压充电，保持电芯的最大充电截止电压，充电过程中电流逐渐下降。当电流持续下降到一个预设值以下时，全部充电流程结束。一般典型预设值为0.1C、0.05C或0.025C等。
作为本发明方法的具体实施例，所述中间充电阶段还可采用其他的充电阶段的组合，每个充电阶段中的充电电压或充电电流可根据电池电芯充电时的阻抗进行灵活控制；如图6所示虚拟电阻阻值变化时对应其他参数的变化，在充电刚开始时包含有一段恒流充电阶段或恒压充电阶段，以最高可达2C以上的最大充电电流充电，与此同时电池电压Vcell会不断升高。R’参数控制着充电电流和充电电压的截止阀值，因为当充电电流减少时，V’相应减少，而R’随着SOC的增大而变大。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种电动车汽车锂离子电池的快充装置，其特征在于：包括有
数据采集模块，用于采集装置电池的电压和电流数据；
充电管理模块，用于根据数据采集模块采集的数据计算充电过程中的控制参数，并根据控制参数控制电流电压可调充电电路对电池进行充电；
电流电压可调充电电路，用于根据控制参数调整充电电流和充电电压。
2.根据权利要求1所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充装置，其特征在于：所述数据采集模块还用于采集电池的温度数据。
3.一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于，包括有以下步骤：
充电过程中采集电池数据，包括有充电电压和电流，并根据上述数据计算电池电压；
在初始充电阶段中，对电池进行恒流充电或者恒功率充电，直至充电电压达到初始充电阶段的电压截止阈值；
在中间充电阶段中，包括至少一个恒流充电阶段、至少一个恒功率充电阶段或者至少一个恒压充电阶段；
在结束充电阶段中，对电池进行恒压充电，直至充电电流达到结束充电阶段的电流截止阈值。
4.根据权利要求3所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述步骤A中，电池电压Vcell表示为：
Vcell=U-Ichg*R’
其中R’为虚拟电阻阻值，虚拟电阻阻值是电池内阻和电池当前电量的函数，U为充电电压，Ichg为充电电流。
5.根据权利要求4所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述步骤A中的电池数据还包括有电池温度。
6.根据权利要求3所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述初始充电阶段的充电电压阈值为4V-4.05V。
7.根据权利要求3所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述步骤C中，恒压充电阶段的电流截止阈值大于结束充电阶段的电流截止阈值。
8.根据权利要求3所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述步骤C中，恒流充电阶段的电压截止阈值小于或等于结束充电阶段的电流截止阈值。
9.根据权利要求4所述的一种电动车汽车锂离子电池的快充方法，其特征在于：所述虚拟电阻阻值是电池内阻、电池当前电量和电池温度的函数。
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