CN109728371A - 一种动力软包电芯阶梯充电控制方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力软包电芯阶梯充电控制方式，其将动力软包电芯的充电过程分为若干呈阶梯变化的充电阶段，每个充电阶段根据设定的充电电流以及充电时间，并且提供稳定的安全截止电压控制，将动力软包电芯充电至预设的SOC。本发明提供的充电控制方式可以有效提高动力软包电芯充电倍率，同时保证了安全性，使用本阶梯充电方式电芯发热量较低，可有效控制电芯温升，提高充电效率，延长电芯使用寿命。

Description

一种动力软包电芯阶梯充电控制方式

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及动力软包电芯的快速充电技术。

背景技术

锂离子电池因为其能量密度高，倍率性能好，电压高、重量轻、循环寿命长、工作温度范围宽、无记忆效应，在目前技术条件下是新能源汽车领域最广泛应用的储能产品。开发安全性更好、能密度更高、倍率性能更优的动力电池产品，是目前行业内的共识。

目前高比能量电芯，不能很好的兼顾倍率充电性能，只能做到1/3C、或者1/2C持续充电倍率，充电时间在2-4h，充满电等待时间较长。目前市场上高比能量动力软包电芯仅能小电流持续充电，充电机制为恒流小电流，一般不超过1.0C的持续充电倍率，尤其是高比能量电芯(能量密度在200wh/kg以上)，使用更高倍率充电后，电芯发热量较大，容易导致热失控，存在较大的安全隐患，并且不能很好的利用有限的充电桩资源，新能源汽车用户充电体验不佳。

如果盲目提高充电倍率，考虑电芯承受能力等因素，过大倍率充电会造成负极析锂，甚至导致电芯短路，起火，爆炸，造成一定的安全隐患。

因此如何根据电芯实际充电能力，尽可能的提高充电倍率，在保证电芯安全充电的前提下，降低充电等待时间，为本领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有高比能量锂动力电池的充电时间过长的问题，需要一种新的电芯阶梯充电方案。

为此，本发明的目的在于提供一种动力电芯阶梯充电控制方式，可以有效提高充电倍率，降低充电时间，并保证充电时安全性。

为了达到上述目的，本发明提供的动力电芯阶梯充电控制方式，所述控制方法将动力电芯的充电过程分为若干呈阶梯变化的充电阶段，每个充电阶段根据设定的充电电流以及充电时间，并且限定每阶段的充电安全截止电压，避免过充，将动力电芯充电至预设的SOC(State of Charge，荷电状态)。

进一步的，所述控制方法将动力电芯的充电过程分为6个充电阶段，第一充电阶段进行小电流充电；第二充电阶段进行大电流充电；第三充电阶段，阶梯降低电流进行充电；第四充电阶段，阶梯降低电流值进行充电；第五充电阶段进行小电流充电；第六阶段进行恒压充电。

进一步的，所述第一充电阶段充电至5.5±0.5％SOC截止，所述第二充电阶段充电至32.2±0.5％SOC截止，所述第三充电阶段充电至55.5±0.5％SOC截止，所述第四充电阶段充电至79.5±0.5％SOC截止，所述第五充电阶段充电至97.4±0.5％SOC截止，所述第六充电阶段充电至100％SOC截止。

进一步的，所述第一充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为10±2min，充电安全截止电压为3.48±0.02v。

进一步的，所述第二充电阶段充电电流为1.6±0.01C，充电电流值为80±5A，充电时间控制为10±2min，充电安全截止电压为3.76±0.02v。

进一步的，所述第三充电阶段充电电流为1.4±0.01C，充电电流值为70±5A，充电时间控制为10±2min，充电安全截止电压为3.86±0.02v。

进一步的，所述第四充电阶段充电电流为1.2±0.01C，充电电流值为60±5A，充电时间控制为12±2min，充电安全截止电压为4.11±0.02v。

进一步的，所述第五充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为35±5min，充电安全截止电压为4.30±0.02v。

进一步的，所述第六充电阶段充电电流为恒压充电，恒压值为4.30±0.02v，充电时间控制为10±2min，充电截止电流为0.05C±0.01C，充电电流区间为16.7-2.5A。

本发明提供的充电控制方式可以有效提高动力电池充电倍率，有效提高动力电池充电速度，提高充电效率，延长电池使用寿命。

同时，本发明提供的充电控制方式操作简单，安全性高，充电时间短。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中循环300周后进行电芯拆解效果图；

图2为本发明实例中实验电芯各SOC条件下充电内阻；

图3为本发明实例中阶梯充电控制方式明细；

图4为本发明实例中阶梯充电电压/SOC与时间关系图；

图5为本发明实例中阶梯充电电压与SOC关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本实例针对动力电芯采用阶梯式的充电控制方式来完成动力电池的充电，实现提高充电倍率，降低充电时间同时，保证充电的安全性。

从图2可以得出，阶梯充电原理主要来源于电芯各SOC阶段充电内阻的不同，然后根据实验结果进行合理设计，根据各SOC下电芯内阻可知，低SOC条件下充电内阻较高，此时应当使用小电流充电作为缓冲，中间SOC条件下充电内阻最低，此时可以适当增加充电电流，高SOC条件下内阻也会略微升高，而且此时负极嵌锂比例较高，不合适进行大电流充电。因此根据上述实验数据进行合理阶梯充电设计。

参见图4，本实例给出的阶梯式充电控制方式，其将动力电芯整个充电过程分为若干呈阶梯变化的充电阶段，每个充电阶段根据设定的充电电流以及充电时间，将动力电芯充电至预设的SOC。这样能够有效的控制动力电池充电温升，提升动力电池充电智能化水平，降低发热量，并且有效降低动力电池充电过程的安全风险。

参见图3，本实例给出的阶梯充电分为不同的阶段，主要根据计算公式：充电电流*充电时间＝充电SOC，进行阶段划分。每阶段划分主要有两个条件，其一为充电时间到达(截止条件A)，其二为充电电压达到(截止条件B)，不论哪一种条件，两个条件达到其一(满足截止条件A或截止条件B)即为默认进入下一阶段。同时在不同SOC阶段，其充电截止电压基本固定，作为举例，本实例中可以把充电截止电压作为安全控制条件。

参见图5，从每个充电阶段来看，充电至每阶段SOC时的截止电压数据较集中，由此可以将每阶段的充电安全截止电压作为每阶段充电安全控制手段之一。作为举例，本实例中每阶段可分别设置充电安全截止电压，避免过充，提升电芯充电安全性；其中5.5％SOC充电安全截止电压为3.48v，32.2％SOC充电安全截止电压为3.76v，55.5％SOC充电安全截止电压为3.86v，79.5％SOC充电安全截止电压为4.11v，97.4％SOC充电安全截止电压为4.30v。

在实现时，本实例优选将动力电芯整个充电过程分为6个连续的充电阶段，参见图3：

第一充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，还有充电安全截止电压，将动力电芯由0％SOC充电至5.5±0.5％SOC截止，接着转入第二充电阶段；

第二充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，还有充电安全截止电压，将动力电芯由5.5±0.5％SOC至32.2±0.5％SOC截止，接着转入第三充电阶段；

第三充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，还有充电安全截止电压，将动力电芯由32.2±0.5％SOC至55.5±0.5％SOC截止，接着转入第四充电阶段；

第四充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，还有充电安全截止电压，将动力电芯由55.5±0.5％SOC至79.5±0.5％SOC截止，接着转入第五充电阶段；

第五充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，还有充电安全截止电压，将动力电芯由79.5±0.5％SOC充电至97.4±0.5％SOC截止，接着转入第六充电阶段；

第六充电阶段，根据设定的充电电流以及充电时间，恒压充电，电流截止，将动力电芯充电至100％SOC截止，完成整个阶段充电。

对于每个充电阶段中采用的充电电流以及充电时间，并且设置了充电安全截止电压，为了能够最大的提高充电倍率和降低充电时间同时，并保证充电时安全性，本实例方案优选为：

其中，第一充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间为2.5≤V<3.48，充电安全截止电压为3.48±0.02v。

第二充电阶段充电电流为1.6±0.01C，充电电流值为80±5A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间范围为3.48≤V<3.76，充电安全截止电压为3.76±0.02v。

第三充电阶段充电电流为1.4±0.01C，充电电流值为70±5A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间范围为3.76≤V<3.86，充电安全截止电压为3.86±0.02v。

第四充电阶段充电电流为1.2±0.01C，充电电流值为60±5A，充电时间控制为12±2min，充电电压区间范围为3.86≤V<4.11，充电安全截止电压为4.11±0.02v。

第五充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为35±5min，充电电压区间范围为4.11≤V<4.30，充电安全截止电压为4.30±0.02v。

第六充电阶段充电电流为恒压充电，恒压值为4.30±0.02v，充电时间控制为10±2min，充电截止电流为0.05C±0.01C，充电电流值区间为16.7-2.5A。

本阶梯充电分为不同的阶段，每阶段划分主要有两个条件，其一为充电时间到达(充电时间到达即为充电SOC到达)，其二为充电电压达到(安全截止电压)，不论哪一种条件，两个条件达到其一即为默认进入下一阶段。

本阶梯式充电控制方式中，各阶段之间的切换，主要根据计算公式：充电时间*电流值＝充电SOC，由SOC的值来进行区分各阶段；参见图5，数据来源于大量实验室阶梯充电数据，充电安全截止电压值主要根据充电各阶段SOC截止电压平均值进行划分，避免过充电，安全截止电压作为本阶梯充电重要的安全控制手段之一。

针对上述方案下面以动力软包锂离子电池为例，来说明一下本方案的实施过程。

参见图3，本实例针对软包锂离子电池将其整个充电过程分为六个呈阶段状分布的充电阶段，每个充电阶段根据预设的充电电流在预设的充电时间内将软包锂离子电池充电至预定的SOC，并且设定了各阶段安全充电截止电压，通过这连续的六个充电阶段(在保证软包锂离子电池安全的情况下)，对软包锂离子电池进行快速充电。

其中，这六个充电阶段中每个充电阶段的设定要求如图3所示，由此，本实例对软包锂离子电池进行安全快速充电的过程如下：

首先，进入第一充电阶段，进行小电流充电。该充电阶段以1/3C的充电电流，16.7A的充电电流值对软包锂离子电池持续充电10min，将软包锂离子电池充电至5.5％SOC截止，充电安全截止电压为3.48±0.02v，并进入第二充电阶段。

第二充电阶段，进行大电流充电。该充电阶段以1.6C的充电电流，以及80A的充电电流值继续对软包锂离子电池持续充电10min，将软包锂离子电池充电至32.2％SOC截止，充电安全截止电压为3.76±0.02v，并进入第三充电阶段。

第三充电阶段，阶梯降低电流进行充电。该充电阶段以1.4C的充电电流，以及70A的充电电流值继续对软包锂离子电池持续充电10min，充电安全截止电压为3.86±0.02v，将软包锂离子电池充电至55.5％并进入第四充电阶段。

第四充电阶段，阶梯降低电流值进行充电。该充电阶段以1.2C的充电电流以及60A的充电电流值继续对软包锂离子电池持续充电12min，将软包锂离子电池充电至79.5％止，充电安全截止电压为4.11±0.02v，并进入第五充电阶段。

第五充电阶段，进行小电流充电。该充电阶段以1/3C充电电流以及16.7A的充电电流值继续对软包锂离子电池持续充电，充电至4.30v电压截止(97.4％SOC)。

第六充电阶段，进行恒压。该充电阶段以4.30v恒压充电，充电电流区间为16.7A-2.5A，充电至电流值≤1/20C截止，或者电流值≤2.5A截止，充电完成(100％SOC)。

由上述实例可知，依次经过上述的六个充电阶段，将能够实现对软包电芯的快速且安全的充电。

同时，本实例方案能够将电芯从5.5±0.5％SOC充至79.5±0.5％SOC，耗时仅需32min，综合充电电流为1.4C，能极大的减少充电等待时间，相较普通高能量密度电芯充电方式至少提升了倍率0.9C以上，充电至相同SOC条件下耗时至少降低了60min,提升了整体充电性能。

再者，参见图1，其所示为使用本实例阶梯充电方式循环300周后满电拆解效果图，由图可知，负极界面良好无析锂。

由此可见本阶梯式的充电方式可适用于新能源汽车动力电芯充电，且通过本充电方式可以实现高比能量电池快速充电。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述控制方法将动力电芯的充电过程分为若干呈阶梯变化的充电阶段，每个充电阶段根据设定的充电电流以及充电时间，将动力电芯充电至预设的SOC，并且限定每个充电阶段的安全截止电压。

2.根据权利要求1所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述控制方法将动力电芯的充电过程分为6个充电阶段，第一充电阶段进行小电流充电；第二充电阶段进行大电流充电；第三充电阶段，阶梯降低电流进行充电；第四充电阶段，阶梯降低电流值进行充电；第五充电阶段进行小电流充电，第六阶段进行恒压充电。

3.根据权利要求2所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第一充电阶段由0％SOC充电至5.5±0.5％SOC截止，所述第二充电阶段充电由5.5±0.5％SOC至32.2±0.5％SOC截止，所述第三充电阶段充电由32.2±0.5％SOC至55.5±0.5％SOC截止，所述第四充电阶段充电由55.5±0.5％SOC至79.5±0.5％SOC截止，所述第五充电阶段由79.5±0.5％SOC充电至97.4±0.5％SOC截止，所诉第六充电阶段由97.4±0.5％SOC充至100％SOC截止。

4.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第一充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间为2.5≤V<3.48，或者充电安全截止电压为3.48±0.02v。

5.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第二充电阶段充电电流为1.6±0.01C，充电电流值为80±5A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间范围为3.48≤V<3.76，或者充电安全截止电压为3.76±0.02v。

6.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第三充电阶段充电电流为1.4±0.01C，充电电流值为70±5A，充电时间控制为10±2min，充电电压区间范围为3.76≤V<3.86，或者充电安全截止电压为3.86±0.02v。

7.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第四充电阶段充电电流为1.2±0.01C，充电电流值为60±5A，充电时间控制为12±2min，充电电压区间范围为3.86≤V<4.11，或者充电安全截止电压为4.11±0.02v。

8.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第五充电阶段充电电流为0.33±0.01C，充电电流值为16.7±3A，充电时间控制为35±5min，充电电压区间范围为4.11≤V<4.30，或者充电安全截止电压为4.30±0.02v。

9.根据权利要求3所述的动力电芯阶梯充电控制方式，其特征在于，所述第六充电阶段为恒压充电，充电恒压值为4.30±0.02v，充电时间控制为10±2min，充电电流至0.05±0.01C截止，电流范围值为16.7-2.5A。