CN113690986A - 一种锂金属电池模组以及充放电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池制造技术领域，公开了锂金属电池模组以及充放电控制方法，电池模组包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，所有锂金属电池单体电芯分别与电池管理系统单独连接，充电时，电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组；放电时，电池管理系统控制锂金属电池单体电芯或所述第二电芯组合逐一放电；电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，并通过变压系统调节锂金属电池联组的端电压至额定电压，能够有效提高锂金属电池模组的循环性能，延长锂金属电池模组的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池充放电技术领域，特别涉及一种锂金属电池模组以及充放电控制方法。
背景技术
锂金属电池模组由多个锂金属电池单体电芯组成。常规的锂金属电池模组采用的充放电方式为：根据用电设备所需额定电压对单体电芯以固定的方式进行串并联组合，然后进行充放电。
如果以常规模组组装方式获得的锂金属电池模组存在以下几个问题：
1、按照现有的充电方法，锂金属电池模组的充电电流较大，导致锂金属电池单体电芯负极表面的锂以较快的速率发生沉积，极易发生不均匀沉积而产生锂枝晶，大大降低了锂金属电池模组的循环性能；
2、按照现有的放电方法，只能按照和充电过程相同的放电线路放电，无法精准的控制每一个锂金属电池单体电芯的放电电压和电流，而本申请的研究人员经过长期的研究偶然发现，相同充放电电流比例非常不利于锂金属单体电芯的循环性能；
3、由于锂电池电芯在出厂后的长期使用中，各个锂电池电芯之间会逐渐产生一定的性能差异，故同一锂金属电池模组内的多个锂电池电芯之间存在不一致性，锂金属电池模组在连续充放电循环后，会导致锂电池电芯的状态(如SOC、电压等)产生更大的差异，即同一锂金属电池模组内的多个锂电池电芯之间的不一致性在连续充放电循环后变得更大，导致充电时部分锂金属单体电池过充或者过放，将加速锂金属电池模组性能衰减，并最终导致锂电池模组过早失效。
因此，提供一种锂金属电池模组以及模组内部充放电方法来解决上述问题，是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种锂金属电池模组以及充放电控制方法，能够精准地控制每一个锂金属电池单体电芯，通过锂金属电池单体电芯的自由串并联进行充放电，有效提高锂金属电池模组的循环性能，延长锂金属电池模组的使用寿命。
本发明提供一种锂金属电池模组，所述电池模组包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，所述电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，所有所述锂金属电池单体电芯分别与所述电池管理系统单独连接，所述电池管理系统根据电流电压输入输出情况控制所有所述锂金属电池单体电芯进行自由串并联组，并通过变压系统调整联组两端的电压至额定电压。
作为优选，所述锂金属电池单体电芯的负极为锂金属、锂铟合金、锂铜合金、锂锡合金、锂镁合金以及其他含锂单质材料的金属负极。
作为优选，所述转换效率可调节的变压系统的功率转换效率为60％～100％。
本发明还提供一种锂金属电池模组的充放电控制方法，充电时，所述电池管理系统控制所有所述锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组，每个所述第一电芯组合由多个锂金属电池单体电芯组成。
本发明还提供一种锂金属电池模组的充放电控制方法，放电时，所述电池管理系统控制所述锂金属电池单体电芯或第二电芯组合逐一放电，每个所述第二电芯组合由多个锂金属电池单体电芯组成。
本发明还提供一种锂金属电池模组的充放电控制方法，充电时，所述电池管理系统控制所有所述锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组；
放电时，所述电池管理系统控制所述锂金属电池单体电芯或所述第二电芯组合逐一放电；
其中，每个所述第一电芯组合和第二电芯组合均分别由多个锂金属电池单体电芯组成，所述第一电芯组合和所述第二电芯组合的单体电芯数量相同或不同。
作为优选，所述电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，当锂金属电池联组的端电压大于或小于充电或者放电的额定电压时，所述电池管理系统通过转换效率可调节的变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。
作为优选，充电时，所述转换效率可调节的变压系统的功率转化效率为60％～80％；放电时，所述转换效率可调节的变压系统的功率转化效率为95％～100％。
作为优选，所述第一电芯组合或第二电芯组合分别由不超过3个的锂金属电池单体电芯组合而成。
作为优选，充电时，所述第一电芯组合中的锂金属电池单体电芯串联；放电时，所述第二电芯组合中的锂金属电池单体电芯并联。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、通过电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯串并联切换，充电时，所有锂金属电池单体电芯或第一电芯组合并联联组，并对每只单体电芯的端电压进行有效监控，实现不同单体之间均以相同电压状态进行充电，可有效避免电池模组因控制串联总电压导致的不均一单体电池产生的过充问题；
2、通过控制变压系统的转换效率，实现充电电流降低，每个锂金属电池单体电芯负极表面的锂金属以较慢的速率发生沉积，沉积较为均匀，锂枝晶形成较少；
3、放电时，锂金属单体电芯或第二电芯组合逐个放电，放电电流远大于充电电流，利用尖端效应能够消除锂枝晶，并有效避免电池模组因控制串联总电压导致的不均一单体电池产生过放问题，从而有效提高锂金属电池模组的循环性能，延长锂金属电池模组的使用寿命；
4、另外，本发明还有额外的功效：锂金属电池在模组中的单独控制方式可降低单体之间存在的性能差异，降低配组要求，提高合格率，大幅度降低电池成本。同时，可降低锂电池电芯因性能衰减不同产生的不一致性导致的锂电池模组过早失效的问题。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1、
一种锂金属电池模组，包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，所有锂金属电池单体电芯分别与电池管理系统单独连接，电池管理系统根据电流电压输入输出情况控制所有所述锂金属电池单体电芯进行自由串并联组，并通过变压系统调整联组两端的电压至额定电压。
其中，锂金属电池单体电芯的负极为锂金属、锂铟合金、锂铜合金、锂锡合金、锂镁合金以及其他含锂单质材料的金属负极。转换效率可调节的变压系统的功率转换效率为60％～100％。
实施例2、
一种锂金属电池模组以及充放电控制方法，包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，充电时，电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组。其中，每个第一电芯组合由不超过3个锂金属电池单体电芯组合而成，且充电过程中，第一电芯组合中的锂金属电池单体电芯串联。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，当锂金属电池联组的端电压大于充电的额定电压时，电池管理系统通过变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。
实施例3、
一种锂金属电池模组的充放电控制方法，包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，放电时，电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯或第二电芯组合逐一放电，其中，每个第二电芯组合由不超过3个锂金属电池单体电芯组成，并且放电过程中，第二电芯组合中的锂金属电池单体电芯并联。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，当锂金属电池联组的端电压小于放电的额定电压时，电池管理系统通过变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。
实施例4、
一种锂金属电池模组的充放电控制方法，包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，充电时，电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组；
放电时，电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯或所有第二电芯组合逐一放电；
其中，每个第一电芯组合和第二电芯组合均分别由不超过3个锂金属电池单体电芯组成，第一电芯组合和第二电芯组合的单体电芯数量相同或不同。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，当锂金属电池联组的端电压大于或者小于充放电的额定电压时，电池管理系统通过变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。
实施例5、
一种锂金属电池模组以及充放电控制方法，该锂金属电池模组包括16个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统。所述16只锂金属电池单体电芯分别与所述电池管理系统单独连接，电芯正极材料为NCM811，负极材料为锂金属，正极集流体为A l，负极集流体为Cu，电芯容量为5Ah。其中充电桩额定电压以及用电器额定电压均为30V，额定电流为3A。
充电时，电池管理系统控制该16个锂金属电池单体电芯并联联组。电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，实际额定电压为3.75V左右，锂金属电池联组的端电压小于充电桩的额定电压，电池管理系统将通过变压系统降低充电额定电压至该锂金属电池联组的端电压进行充电。充电时，变压系统功率转换效率为60％，每个单体电芯中的充电电流为0.9A。
该实施例通过电池管理系统实现电芯以常规的固定并串连接后直接进行放电，每个单体电芯中的放电电流为1.5A。
实施例6、
和实施例5的区别在于：充电时，电池管理系统控制每2个锂金属电池单体电芯组成一个第一电芯组合，电池管理系统控制该2个第一电芯组合并联，且每个第一电芯组合内的2个锂金属电池单体电芯串联。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，实际额定电压为7.5V左右，锂金属电池联组的端电压小于充电桩的额定电压，电池管理系统将通过变压系统降低充电额定电压至该锂金属电池联组的端电压进行充电。充电时，变压系统功率转换效率为60％，每个单体电芯的充电电流为0.9A。
实施例7、
和实施例5的区别在于：充电时，变压系统功率转换效率为80％，每个单体电芯的充电电流为1.2A。
实施例8、
一种锂金属电池模组的充放电控制方法，该锂金属电池模组包括16个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统。电芯参数以及额定电压、电流参数与实施例5相同。
充电是以通过电池管理系统实现电芯以常规2并8串连接后进行充电。每个单体电芯中的充电电流为1.5A。
放电时，通过电池管理系统实现电芯以2并的第二电芯组合进行逐一放电。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，端电压为3.75V。锂金属电池联组的端电压小于用电器所需要的额定电压，电池管理系统通过变压系统提高该锂金属电池联组的端电压至额定电压进行放电。放电时，变压系统功率转换效率为99％，每个单体电芯的放电电流为12.12A。
实施例9、
与实施例8的区别在于，放电时，电池管理系统控制该16个锂金属电池单体电芯分别逐一放电。
电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，端电压为3.75V。锂金属电池联组的端电压小于用电器所需要的额定电压，电池管理系统通过变压系统提高该锂金属电池联组的端电压至额定电压进行放电。放电时，变压系统功率转换效率为99％，每个单体电芯的放电电流为24.24A。
实施例10、
与实施例9的区别在于：放电时，功率转换效率为96％，每个单体电芯的放电电流为25A。
实施例11、
一种锂金属电池模组的充放电控制方法，该锂金属电池模组包括16个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统。电芯参数以及额定电压、电流参数与实施例5相同。
充电时，电池管理系统控制16个锂金属电池单体电芯并联联组；
放电时，电池管理系统控制16个锂金属电池单体电芯逐一放电；
电池管理系统实时检测锂金属电池模组的端电压，充电时端电压为3.75V，放电时端电压为3.75V。电池管理系统通过变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。充电时，功率转换效率为60％，放电时，功率转换效率为99％，充电时每个单体电芯的充电电流为0.9A,放电时每个单体电芯的放电电流为24.24A。
实施例12、
一种锂金属电池模组的充放电控制方法，该锂金属电池模组包括16个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统。电芯参数以及额定电压、电流参数与实施例5相同。
与实施例11的区别在于，充电时，每2个锂金属电池单体电芯组成一个第一电芯组合，电池管理系统控制该8个第一电芯组合并联，且每个第一电芯组合内的2个锂金属电池单体电芯串联。
放电时，每2个锂金属电池单体电芯组成一个第二电芯组合，电池管理系统控制该8个第二电芯组合逐一放电，且每个第二电芯组合内的2个锂金属电池单体电芯并联。
电池管理系统实时检测锂金属电池模组的端电压，充电时端电压为7V，放电时端电压为3.75V。电池管理系统通过变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压,该实施例放电端电压和额定电压相同。充电时，功率转换效率为60％，放电时，功率转换效率为99％，充电时每个单体电芯的充电电流为0.9A,放电时每个单体电芯的放电电流为12.12A。
实施例13、
与实施例11的区别在于：充电时，变压系统功率转换效率为75％，放电时，功率转换效率为98％。充电时每个单体电芯的充电电流为1.125A,放电时每个单体电芯的放电电流为24.49A。
对比例1、
一种锂金属电池模组，包括16个锂电池电芯，该锂金属电池模组采用固定2并8串汇流排焊接后进行充放电，电芯正极材料为NCM811，负极材料为锂金属，正极集流体为Al，负极为Cu，电芯容量为5Ah。其中充电桩额定电压以及用电器额定电压均为30V，额定电流为3A。
对比例2、
选取1个锂金属电池单体电芯，采用常规的0.33C/0.33C充放电，电芯正极材料为NCM811，负极材料为锂金属，正极集流体为A l，负极为Cu，电芯容量为5Ah。
对上述实施例5-13和对比例1公开的锂金属电池模组进行循环性能测试，充电桩电压额定电压为30V，额定电流为3A，当锂金属电池模组的电池容量的保持率降到80％时，记录锂金属电池模组的循环圈数，对对比例2中的锂金属电池单体电芯进行0.33C/0.33C充放电循环，当锂金属电池单体电芯的电池容量的保持率降到80％时，记录锂金属电池单体电芯的循环圈数，测试结果如下表所示。
| 序号 | 循环圈数 | 序号 | 循环圈数 | 序号 | 循环圈数 |
| 实施例5 | 113 | 实施例9 | 281 | 实施例13 | 378 |
| 实施例6 | 105 | 实施例10 | 293 | ||
| 实施例7 | 108 | 实施例11 | 407 | 对比例1 | 75 |
| 实施例8 | 252 | 实施例12 | 356 | 对比例2 | 120 |
通过对比实施例5-13和对比例1公开的锂金属电池模组以及对比例2可知，单独采用本发明公开的充电方式，可以实现小电流充电，抑制锂枝晶的产生，与现有技术相比，锂金属电池模组的循环性能也有明显提升。单独采用本发明公开的放电方式，可以精准的控制每个锂金属电池单体电芯的放电，实现大电流放电，消除部分锂枝晶，锂金属电池模组的循环性能也有明显提升。而针对同一锂金属电池模组使用该发明公开的充电和放电方式，锂金属电池模组的循环性能得到了有效的提高，大大延长了锂金属电池模组的使用寿命。
与现有技术相比，本发明采用小电流充电，大电流放电的控制思路，通过电池管理系统控制所有锂金属电池单体电芯串并联切换，充电时，所有锂金属电池单体电芯或者第一电芯组合并联联组，通过转换效率可调节的变压系统调节输入功率，此时每个锂金属电池单体电芯的充电电流小，锂金属电池单体电芯负极表面的锂金属以较慢的速率发生沉积，沉积较为均匀，锂枝晶形成较少。放电时，所有锂金属电池单体电芯串联或第二电芯组合逐一放电，放电电流远大于充电电流，能够消除部分锂枝晶，减少同一锂金属电池模组内的多个锂金属电池单体电芯之间不一致性带来的影响，从而有效提高锂金属电池模组的循环性能，延长锂金属电池模组的使用寿命，出乎意料的获得了比单体电池更优的模组循环寿命。
另外，通过变压系统调节锂金属电池模组的端电压，使锂金属电池模组的端电压保持在额定电压，能够有效避免锂金属电池模组在下次充放电时发生过充或过放，有利于延长锂金属电池模组的使用寿命。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂金属电池模组，其特征在于：所述电池模组包括多个锂金属电池单体电芯和电池管理系统，所述电池管理系统包含转换效率可调节的变压系统，所有所述锂金属电池单体电芯分别与所述电池管理系统单独连接，所述电池管理系统根据电流电压输入输出情况控制所有所述锂金属电池单体电芯进行自由串并联组，并通过变压系统调整联组两端的电压至额定电压。
2.根据权利要求1所述的锂金属电池模组，其特征在于：所述锂金属电池单体电芯的负极为锂金属、锂铟合金、锂铜合金、锂锡合金、锂镁合金以及其他含锂单质材料的金属负极。
3.根据权利要求1所述的锂金属电池模组，其特征在于：所述转换效率可调节的变压系统的功率转换效率为60％～100％。
4.一种锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：充电时，所述电池管理系统控制所有所述锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组，每个所述第一电芯组合由多个锂金属电池单体电芯组成。
5.一种锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：放电时，所述电池管理系统控制所述锂金属电池单体电芯或第二电芯组合逐一放电，每个所述第二电芯组合由多个锂金属电池单体电芯组成。
6.一种锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：充电时，所述电池管理系统控制所有所述锂金属电池单体电芯或所有第一电芯组合并联联组；
放电时，所述电池管理系统控制所述锂金属电池单体电芯或所述第二电芯组合逐一放电；
其中，每个所述第一电芯组合和第二电芯组合均分别由多个锂金属电池单体电芯组成，所述第一电芯组合和所述第二电芯组合的单体电芯数量相同或不同。
7.根据权利要求4-6任一项所述的锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：所述电池管理系统实时检测锂金属电池联组的端电压，当锂金属电池联组的端电压大于或小于充电或者放电的额定电压时，所述电池管理系统通过转换效率可调节的变压系统调节该锂金属电池模组的端电压至额定电压。
8.根据权利要求4-6任一项所述的锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：充电时，所述转换效率可调节的变压系统的功率转化效率为60％～80％；放电时，所述转换效率可调节的变压系统的功率转化效率为95％～100％。
9.根据权利要求4-6任一项所述的锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：所述第一电芯组合或第二电芯组合分别由不超过3个的锂金属电池单体电芯组合而成。
10.根据权利要求6所述的锂金属电池模组的充放电控制方法，其特征在于：充电时，所述第一电芯组合中的锂金属电池单体电芯串联；放电时，所述第二电芯组合中的锂金属电池单体电芯并联。
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