CN108336435B - 一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，其特征在于：电池充电能量效率主要与电池温度、充电倍率及电池等效阻抗相关，在相对确定的SOC区间内，通过测试电池在不同温度、不同倍率及不同SOH下的持续充电性能，计算等效直流阻抗；对每一个给定的SOC范围、温度、充电倍率及SOH下，通过计算得到此条件下的电池等效充电能量效率；按照充电能量效率表查找当前SOH和温度下，尤其是在当前温度<25℃的情况下，查看电池最大电流充电时能量效率。通过比较目标充电效率及时间，获得充电电流及充电或加热策略的选择，在同样的充电时间下，可以提高系统能量效率。

Description

一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法
技术领域
本发明涉及一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，属于锂离子电池充电技术领域。
背景技术
锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、电压平台高、寿命长等优点，已经广泛应用到新能源汽车中。动力电池外接充电是保证新能源汽车正常运行的必要功能。新能源汽车能耗水平的重要指标是墙端能耗，提高整个充电系统的效率是降低墙端能耗、降低使用成本的途径之一，其中电池充电能耗是重要环节，尤其是在低于室温情况下或者大倍率充电的时候需要将动力电池充电能量效率的影响考虑在内。
目前锂离子电池充电优化在不影响电池安全性及不显著加速电池性能衰退前提下，主要集中在缩短充电时间及增加充电容量两个方面：
CN105932349A、CN106099230A主要是基于锂离子电池反应机理，在电流达到一定值时电池负极表面会达到析锂电位阈值或者负极嵌锂率达到一定的阈值限制，通过调整充电电流大小，找寻最大充电电流边界值，按照此电流边界进行充电方法开发，以缩短充电时间；以CN105552465A、CN101814639A等为代表专利是主要是控制极化电压大小，寻找最大电流边界，并在充电过程中自动调节电流大小，达到快速充电，缩短充电时间。
以CN103682500A、CN1845418为代表的进行间歇式脉冲充电、增加反向脉冲、设定充电截止条件时补偿欧姆损失等考虑消除极化增加充电容量的方法。
以上充电方法在电池充电能量效率方面的考虑较少，虽然电池室温下的充电效率往往在97%以上，但随着温度的降低，充电能量效率会逐步下降，温度到0℃，充电效率会下降到92%以下，同样温度下，随着充电倍率的增加，充电效率还会降低。为了提高能量利用率，在充电方法开发中，需要将电池充电能量效率考虑在内。
发明内容
本发明目的在于提供一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，为了弥补目前充电策略中对充电能量效率考虑不足的问题，其是能够综合考虑动力电池充电能量效率的充电优化方法，在低于室温情况下或者大倍率充电的时候需要将动力电池充电能量效率的影响考虑在内，通过比较目标充电效率及时间，获得充电电流及充电或加热策略的选择，在同样的充电时间下，可以提高系统能量效率，根据电池不同温度不同倍率充放电能量效率，加热时间和充电时间相同的前提下，计算加热效率和充电效率，总的充电能量效率提升1.8%。
本发明的技术方案是这样实现的：一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，其特征在于：电池充电能量效率主要与电池温度、充电倍率及电池等效阻抗相关，满足公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中ηe为充电能量效率，T为电池温度、I为电池电流、R为电池充电阻抗；R值与温度、电流和SOH相关，SOH为电池健康状态；具体步骤如下:
第一步：在相对确定的SOC区间内，通过测试电池在不同温度、不同倍率及不同SOH下的持续充电性能，计算等效直流阻抗；
第二步：对每一个给定的SOC范围、温度、充电倍率及SOH下，通过计算得到此条件下的电池等效充电能量效率：
Figure 335692DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，OCV为电池开路电压、R为电池等效欧姆阻抗、OCV和R是SOH和温度的函数，I为电池电流、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为充电设备输出电流、ηv为电池电压效率、ηI为库伦效率，锂离子电池库伦效率很高，一般可设定为1，a和b为需计算的SOC的起点和终点值，at和bt是SOC对应的时间，在电池使用中的某一确定状态，可以将SOC分段处理。获取不同SOH、不同倍率、不同温度下电池充电能量效率表。
第三步：按照充电能量效率表查找当前SOH和温度下，尤其是在当前温度<25℃的情况下，查看电池最大电流充电时能量效率，如果此能量效率小于目标值，可选择次大充电电流再查看能量效率，直到能量效率满足设定目标；计算当前温度下的充电时间，将此充电时间分为加热时间和充电时间，找到使得加热能耗和充电能耗两个时间的分配关系，计算此能耗与当前温度下充电能耗的对比，如果前者能耗小，则以此加热功率加热到目标温度再进行充电，如果后者能耗小，则以当前温度进行充电。
Figure 639634DEST_PATH_IMAGE004
（3）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（4）
Figure 804772DEST_PATH_IMAGE006
（5）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为设定的目标充电能量效率，
Figure 261293DEST_PATH_IMAGE008
用于加热电池的能量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
电池当前温度下最大电流充电损失的能量，
Figure 658776DEST_PATH_IMAGE010
电池加热后温度下最大电流充电损失的能量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
是当前温度下最大电流充电的时间，
Figure 200747DEST_PATH_IMAGE012
为加热时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为加热后温度下最大电流充电的时间。
本发明的积极效果是：通过电池基本OCV-SOC关系及电池基本性能脉冲性能测试数据处理结果，通过公式（2）计算即可得到充电能量效率曲线，不需要额外的特殊设备。在低于室温情况下或者大倍率充电的时候需要将动力电池充电能量效率的影响考虑在内，通过比较目标充电效率及时间，获得充电电流及充电或加热策略的选择，在同样的充电时间下，可以提高系统能量效率。
附图说明
图1是在充电中结合充电能量效率制定充电策略的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，其特征在于：电池充电能量效率主要与电池温度、充电倍率及电池等效阻抗相关，满足公式：
Figure 154927DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中
Figure 652905DEST_PATH_IMAGE014
为充电能量效率，T为电池温度、I为电池电流、R为电池充电阻抗；R值与温度、电流和SOH相关，SOH为电池健康状态；具体步骤如下
第一步：在相对确定的SOC区间内，通过测试电池在不同温度、不同倍率及不同SOH下的持续充电性能，计算等效直流阻抗；
第二步：对每一个给定的SOC范围、温度、充电倍率及SOH下，通过计算得到此条件下的电池等效充电能量效率：
Figure 486869DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，OCV为电池开路电压、R为电池等效欧姆阻抗、OCV和R是SOH和温度的函数，I为电池电流、
Figure 247627DEST_PATH_IMAGE003
为充电设备输出电流、ηv为电池电压效率、ηI为库伦效率，锂离子电池库伦效率很高，一般可设定为1，a和b为需计算的SOC的起点和终点值，at和bt是SOC对应的时间，在电池使用中的某一确定状态，可以将SOC分段处理。获取不同SOH、不同倍率、不同温度下电池充电能量效率表。
第三步：按照充电能量效率表查找当前SOH和温度下，尤其是在当前温度<25℃的情况下，查看电池最大电流充电时能量效率，如果此能量效率小于目标值，可选择次大充电电流再查看能量效率，直到能量效率满足设定目标；计算当前温度下的充电时间，将此充电时间分为加热时间和充电时间，找到使得加热能耗和充电能耗两个时间的分配关系，计算此能耗与当前温度下充电能耗的对比，如果前者能耗小，则以此加热功率加热到目标温度再进行充电，如果后者能耗小，则以当前温度进行充电。
Figure 192449DEST_PATH_IMAGE004
（3）
Figure 544933DEST_PATH_IMAGE005
（4）
Figure 300531DEST_PATH_IMAGE006
（5）
其中，
Figure 738465DEST_PATH_IMAGE007
为设定的目标充电能量效率，
Figure 221399DEST_PATH_IMAGE008
用于加热电池的能量，
Figure 507018DEST_PATH_IMAGE009
电池当前温度下最大电流充电损失的能量，
Figure 620468DEST_PATH_IMAGE010
电池加热后温度下最大电流充电损失的能量，
Figure 608015DEST_PATH_IMAGE011
是当前温度下最大电流充电的时间，
Figure 832323DEST_PATH_IMAGE012
为加热时间，
Figure 706869DEST_PATH_IMAGE013
为加热后温度下最大电流充电的时间。
实施例1
如图1所示充电中结合充电能量效率制定充电策略的流程图，第一步：首先选择50Ah、SOH为100%状态的电芯，将电芯至于25℃恒温环境舱中搁置10个小时，测试10%-90%SOC下每隔10%SOC，电流0.3C、0.5C、1C、1.5C和2C的充电性能，记录电池电压变化情况，采样周期0.1s；将电芯至于0℃恒温环境舱中搁置16个小时，测试10%-90%SOC下每隔10%SOC，电流0.3C、0.5C、1C和1.5C的充电性能，记录电压变化情况，采样周期0.1s，计算电池等效阻抗R，如表1。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
第二步：电池OCV-SOC如表2，根据公式（2）计算电池充电能量效率，如表3。
Figure 53537DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
第三步：选择0℃下1.5C充电，SOC从10%充电到80%，平均能量效率为91.6%，如果电池总成由288个电芯组成，总能量为53.6kWh，损失的能量为4.5kWh，充电时间为28min；设定7min将电池从0℃加热到25℃，总耗能1.59kWh，用2C将电池从10%SOC充电到80%，时间为21min，平均能量效率为96.4%，能量损失为1.93kWh，4.5kWh -1.59kWh-1.93kWh>0，可以将先加热到25℃后再进行充电。这种方法的综合效率为93.4%，效率提升1.8%。

Claims (1)

1.一种考虑充电能量效率的锂离子电池充电方法，其特征在于：电池充电能量效率与电池温度、充电倍率及电池等效阻抗相关，满足公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中ηe为充电能量效率，T为电池温度、I为电池电流、R为电池充电阻抗；R值与温度、电流和SOH相关，SOH为电池健康状态；具体步骤如下:
第一步：在相对确定的SOC区间内，通过测试电池在不同温度、不同倍率及不同SOH下的持续充电性能，计算等效直流阻抗；
第二步：对每一个给定的SOC范围、温度、充电倍率及SOH下，通过计算得到此条件下的电池等效充电能量效率：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，OCV为电池开路电压，R为电池等效欧姆阻抗，SOC是电池荷电状态，OCV是由SOH与温度构成的函数，R是SOH与温度构成的函数，I为电池电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为充电设备输出电流，ηv为电池电压效率，ηI为库伦效率，锂离子电池库伦效率很高，一般设定为1，a和b为需计算的SOC的起点和终点值，at和bt是SOC对应的时间；第三步：按照充电能量效率表查找当前SOH和温度下电池最大电流充电时能量效率，如果此能量效率小于目标值，选择次大充电电流再查看能量效率，直到能量效率满足设定目标；计算当前温度下的充电时间，将此充电时间分为加热时间和充电时间，找到使得加热能耗和充电能耗两个时间的分配关系，计算此能耗与当前温度下充电能耗的对比，如果前者能耗小，则以此加热功率加热到目标温度再进行充电，如果后者能耗小，则以当前温度进行充电；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为设定的目标充电能量效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
用于加热电池的能量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
电池当前温度下最大电流充电损失的能量，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
电池加热后温度下最大电流充电损失的能量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是当前温度下最大电流充电的时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为加热时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为加热后温度下最大电流充电的时间。
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