CN111082174B - 一种锂离子电池三段式充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池三段式充电方法，将传统恒流‑恒压充电中的恒压阶段用恒流‑恒压两个阶段替换得到，第一个充电阶段与恒流‑恒压中的恒流阶段一致，主要需要确定的是第二个恒流阶段充电电流的大小；为了降低第二阶段充电电流的减少对充电时间的影响，在第二阶段充电电流取值时，添加一个所述充电方法与恒流‑恒压充电方法所需充电时间之间的约束，该时间约束中的时间差根据实际需要进行适当调整，在满足上述两种充电方法充电时间约束的基础上，第二阶段充电电流要取得最小值，最小的电流能最大程度地缓解充电过程中电池的最高温升，第三阶段恒压充电模式中充电截止电流与恒流‑恒压方法中保持一致，保证了两种方法充电容量的一致性。

Description

一种锂离子电池三段式充电方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池充电技术领域，具体提供一种锂离子电池三段式充电方法。

背景技术

随着电动汽车和可再生能源发电的快速发展，储能技术越来越受到重视。锂离子电池作为电动汽车的动力源和电力系统的主要储能形式已成为研究的热点。与其他类型的电池相比，锂离子电池具有能量和功率密度高、自放电率低等优异性能。合适的充电方法不仅能提高电池充电性能、增加电池的使用寿命，而且还能提高电池使用的安全性。在锂电池大量推广应用的过程中，最优充电策略的研究越来越受到关注。

最简单的充电方式有恒流和恒压两种，然而，在电池高或低荷电状态(SOC)时，充电电流过大会影响电池的充电性能。为解决这些问题，恒流-恒压充电方法因其简单高效最具商业化，被目前市场上的大部分充电设备采用。在恒流-恒压充电过程中，电池使用恒流充电，直到电池达到充电截止电压，然后电池将经历一个恒压模式，直到电流下降到预定值。

除了恒流-恒压充电方法外，目前还有许多其他充电方法来改善锂离子电池的充电性能。部分充电方法需要依赖于特定的充电设备，很难直接应用于现有的主流商用充电器。多段恒流充电方式可以在不增加现有充电器控制复杂度的情况下提高充电效率，缓解电池温升。使用多段恒流充电方法时，电池以预先设定的电流充电，直到终端电压达到预先设定的充电截止电压，然后充电电流突然下降到下一个预先设定的电流水平，直到所有充电电流水平都用完。在多段恒流方法中，相比于第一阶段，每二阶段充电电流的突然下降可以显著降低电池的最高温升，但是多次使用更低的电流会导致更长的充电时间。

受到多段恒流方法的启发，本发明提出的一种锂离子电池三段式充电方法，电池以恒流充电至截止电压，然后再以更低的电流恒流充电至截止电压，最后使用恒压充电模式，直至充电结束。

发明内容

本发明的目的在于改善锂离子电池充电过程中的最高温升，提高其充电效率，缩短充电时间。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种锂离子电池三段式充电方法，该方法是基于恒流-恒压方法和多段恒流方法进行的改进。所提出的三段式充电方法是将锂离子电池传统恒流-恒压充电中的恒压阶段用恒流-恒压两个阶段替换，该方法第一个恒流阶段与传统恒流-恒压中的恒流阶段一致。该方法所包含的三个充电阶段具体如下：

第一阶段：恒流充电模式，充电电流为I₁。当电池电压上升至电池充电截止电压时，该充电阶段结束。该段恒流充电模式与传统恒流-恒压充电方法中的恒流模式一致。第一阶段恒流充电模式与传统恒流-恒压充电方法中的恒流模式一致。

第二阶段：恒流充电模式，充电电流为I₂。由于电池内阻和极化现象，第二阶段开始时电池的SOC受第一阶段的充电电流I₁控制。第二阶段中，当电池电压再次上升至电池充电截止电压时，该充电阶段结束。根据电池在传统恒流-恒压充电方法下的充电曲线，可计算得充电电流I₂为充电电流I₁函数。

电流I₂的值会影响第二个恒流阶段的持续时间和第三阶段恒压模式开始时电池的SOC，进而影响整个充电过程完成所需的时间。所以，第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择原则如下：

1)电流I₂取值时，需要在所发明充电方法的充电时间与传统恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束。该约束的目的是要使所提出充电方法的充电时间相对于恒流-恒压方法不具明显劣势。约束中的时间差可以根据实际需求进行适当调整，不妨碍本发明技术路线的实施。

2)在满足上述两种充电方法时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值。最小的I₂能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性。

根据第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择原则，求解I₂最小值的优化问题标准化如下:

公式中I_max和I_min表示电池的最大和最小可接受充电电流，T为对应充电方法所需的充电时间，Δt表示两种充电方法的充电时间差。

Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的三段式充电方法时，将电流I₂的选择原则1)中的充电时间差控制在3分钟以内，最大和最小充电电流分别设置为1C(3.2A)和1/20C(0.16A)，第二阶段充电电流I₂关于第一阶段充电电流I₁的函数如下：

第三阶段：恒压充电模式，电压为电池的充电截止电压。当电池电流降低至充电截止电流时，该充电阶段结束。

第三阶段恒压充电模式与传统恒流-恒压充电方法中的恒压模式一致。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)相较于传统的恒流-恒压充电方法，本发明可以缓解电池充电过程中的最高度升，提高充电效率。

2)相较于多段恒流充电方法，本发明解决了多级电流突降引起的充电时间大幅增长的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本发明充电方法充电时锂离子电池的电流、电压曲线。

图2为锂离子电池二阶RC等效电路；

图3为采用恒流-恒压充电方法充电时的充电曲线；

图4为电池开路电压关于SOC的曲线；

图5为电池内阻关于SOC的曲线；

图6为锂离子电池三段式充电方法中充电电流I₂关于I₁的曲线。

具体实施方式

以下是本发明所述的一种锂离子电池三段式充电方法的最佳实例，并结合附图对本发明所包含的技术路线作进一步说明，并不因此限定本发明的保护范围。

实例中锂离子电池被作为测试和实验的对象，电池型号为：PanasonicNCR18650BD。电池额定电压为3.6V，工作电压为2.5至4.2V，最大容量为3200mAh，最大充电电流在测试中设置为1C。整个测试和实验环境温度为20℃，由恒温箱控制并调节。

本发明中最关键的是第二阶段中电流值I₂的选择。首先需要获得准确的电池充电特性和模型参数。

电池的充电特性是指电池采用恒流-恒压充电方法时的充电曲线。恒流阶段充电电流取最大值1C即3.2A；恒压阶段电压为4.2V，充电截止电流设置为1/20C即0.16A。充电曲线为图3(a)，将图3(a)中的时间轴换成电池的SOC得到图3(b)。结合图3(a)和图3(b)，恒压模式中电池从当前的SOC至充电完成的剩余充电时间的对应关系曲线如图3(c)所示。那么根据图3(b)和图3(c)中的充电曲线，可以拟合得到恒压模式下，充电电流和充电剩余时间关于当前SOC的函数关系如下：

图2为电池的二阶RC等效电路模型。该模型由开路电压Vocv、欧姆电阻R₀和两个RC网络组成。RC网络表示电池的极化效应，Vp表示极化电压。i_B为充电电流，V_B为终端电压。V₁和V₂分别是C₁和C₂的电压。

电池的模型参数通过混合脉冲功率特性(HPPC)测试曲线进行辨识，HPPC测试每10％的SOC间隔进行一次，由于在SOC较小时电池参数变化较大，增加SOC为5％时的测试点。电池的开路电压曲线也可以通过实验得到。开路电压曲线如图3所示，对曲线拟合函数如下:

欧姆电阻R₀和极化电阻R₁、R₂的辨识结果如图5所示。从图中可以看出，无论是欧姆内阻还是极化电阻，它们随充电电流和荷电状态的变化趋势基本相同。电阻随SOC的变化趋势为U形，且SOC中间区域的电阻基本恒定。稳态时，认为电池内阻为欧姆电阻和极化电阻之和，即R＝R₀+R₁+R₂。根据以上分析，如图5所示，电池内阻曲线拟合函数如下:

上述曲线拟合只是为了后续求解方便，也可以采用查表的形式。

在恒流-恒压充电方式中，当恒流阶段电流为I₁时，恒流阶段结束时的SOC计算如下:

V_OCV(soc)+R(soc)·I₁＝4.2 (4)

方程(4)的解表示为SOC_CC(I₁)。充电时间计算如下:

这里Q为电池采用上述恒流-恒压方法充电时实际测得的容量。

本发明所提出的三段式充电方法中，当两个恒流阶段电流分别为I₁和I₂时，第二恒流阶段结束时的SOC计算如下:

V_OCV(soc)+R(soc)·I₂＝4.2 (6)

方程(6)的解表示为SOC_CC(I₂)。充电时间计算如下:

根据第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择要求：

1)电流I₂取值时，需要在所发明充电方法的充电时间与传统恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束。该约束的目的是要使所提出充电方法的充电时间相对于恒流-恒压方法不具明显劣势。约束中的时间差可以根据实际需要进行适当调整，这里以3分钟为例。

2)在满足上述两种充电方法时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值。最小的I₂要能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性。

因此，求解I₂最小值的优化问题表示如下:

根据式(1)-(7)求解该优化问题，结果如图6所示。拟合曲线得I₂关于I₁的函数如下:

上述公式(9)即为本发明所提出充电方法中第二阶段充电电流I₂的控制率，其中第一阶段充电电流I₁的取值不得超过电池的最大可接受充电电流。

本发明锂离子电池三段式充电方法将锂离子电池传统恒流-恒压充电中的恒压阶段用恒流-恒压两个阶段替换得到，所提方法的第一个充电阶段与恒流-恒压中的恒流阶段一致。本发明中锂离子电池三段式充电方法主要需要确定的是第二个恒流阶段充电电流的大小；由于多段恒流充电过程中充电电流多次突降造成相同时间内充入电池的电量减少，而弥补这部分减少的电量会造成充电时间的增长，所以本发明中只保留了两个阶段的恒流模式。为了降低第二阶段充电电流的减少对充电时间的影响，在第二阶段充电电流取值时，添加一个本发明所提出的充电方法与恒流-恒压充电方法所需充电时间之间的约束。该时间约束中的时间差可以根据实际需要进行适当调整，不妨碍本发明技术路线的实施。同时，在满足上述两种充电方法充电时间约束的基础上，第二阶段充电电流要取得最小值。最小的电流能最大程度地缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性。第三阶段恒压充电模式中充电截止电流与恒流-恒压方法中保持一致，保证了两种方法充电容量的一致性。

至此，已经通过实例，并结合附图对本发明的技术路线进行了详细说明，但是本领域研究人员很容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，其充电过程包括第一阶段、第二阶段和第三阶段；

第一阶段：恒流充电模式，充电电流为I₁，当电池电压上升至电池充电截止电压时，该阶段结束；

第二阶段：仍然为恒流充电模式，充电电流为I₂，当电池电压再次上升至电池充电截止电压时，该阶段结束，根据电池在传统恒流-恒压充电方法下的充电曲线，可求得充电电流为I₂关于充电电流为I₁的函数；

第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择原则如下：

1)、电流I₂取值时，需要在所述充电方法的充电时间与传统恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束，该约束的目的是要使所提出充电方法的充电时间相对于恒流-恒压方法不具明显劣势，约束中的时间差根据实际需求进行适当调整；

2)、在满足上述两种充电方法时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值，最小的I₂要能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性；

求解I₂最小值的优化问题标准化如下：

公式中I_max和I_min表示电池的最大和最小可接受充电电流，T为对应充电方法所需的充电时间，Δt表示两种充电方法的充电时间差；

第三阶段：恒压充电模式，电压为电池的充电截止电压，当电池电流降低至充电截止电流时，该充电阶段结束。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，求解I₂最小值的优化问题，Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的三段式充电方法时，将所发明充电方法与传统恒流-恒压方法的充电时间差控制在3分钟以内，即Δt为3分钟，最大和最小充电电流分别设置为1C即3.2A和1/20C即0.16A，第二阶段充电电流I₂关于第一阶段充电电流I₁的函数如下：

3.根据权利要求1所述的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，第一阶段恒流充电模式与传统恒流-恒压充电方法中的恒流模式一致。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，第三阶段恒压充电模式与传统恒流-恒压充电方法中的恒压模式一致。

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