CN113707960A - 锂离子动力电池快充的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的锂离子动力电池快充的方法，属于锂电池充电方法的技术领域，解决现有技术的产品方法没有考虑快充时间和温度因素的技术问题。包括锂电池荷电状态进行SOC范围段的划分；确定各SOC范围段的最大充电倍率；确定出充放电倍率系数；根据所述充放电倍率系数对所述最大充电倍率修正或调整，确定各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率，并根据修正后的锂电池充放电倍率确定各个SOC范围段的充电时间；测量各个SOC范围段充电的温度差，并与所述各个SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。本发明在最大充电电流范围内优化各SOC段充电电流，满足快速充电时间要求和衰减风险降低。

Description

锂离子动力电池快充的方法
技术领域
本发明属于电池充电方法的技术领域，尤其涉及一种锂离子动力电池快充的方法。
背景技术
近年来，为了限制气候变化和空气污染的影响，锂离子电池在纯电动汽车中的广泛应用正在加速。但，相比于传统的燃油车，里程焦虑，充电时间长等问题成为阻碍电动汽车发展的主要问题。因此快速充电方法成为电池厂商和整车厂普遍的发展目标。但是，研究表明大倍率充电会引起电池的容量与输出功率等性能的加速衰减。另一方面，电池在充电期间产生的大量热量难以均匀、有效地散去，会引起衰减加速以及其他安全问题。
现有专利中，公开号CN112083335A公开“一种车用蓄电池的快充方法及系统”的专利，通过根据不同SOC下的实时极化内阻计算最大可承受电流，并通过增加电流系数获得电池的容量不损失，相比于标准充电制度电池性能不下降但是，电流系数为定值进行快充，指出电流系数取定值，如，一般为0.8，其没有考虑快充时间和温度因素，影响电池的使用性能。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子动力电池快充的方法，解决现有技术的产品方法没有考虑快充时间和温度因素，影响电池的使用性能的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：
提供一种锂离子动力电池快充的方法，所述方法包括：
根据设计规范将待测锂电池荷电状态进行SOC范围段的划分；
计算锂电池的充电直流内阻，以确定各个SOC范围段的最大充电电流，从而确定各SOC范围段的最大充电倍率；
设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，并确定出充放电倍率系数；
根据所述充放电倍率系数对所述最大充电倍率修正或调整，确定各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率，并根据修正后的锂电池充放电倍率确定各个SOC范围段的充电时间；
测量各个SOC范围段充电的温度差，并与所述各个SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。
在一个优选或可选的实施方式中，所述计算锂电池的充电直流内阻的方法包括：
根据HPPC测试方法，测锂电池0％SOC到100％SOC间的每个SOC点的V0和预设电容量放电预设时间后的电压V1，且满足：Rn＝(V0-V1)/2C，确定各个SOC点的充电内阻，其中，V0为预设充电倍率充电前静置最后一刻开启电压。
在一个优选或可选的实施方式中，确定各个SOC范围段的最大充电电流的方法包括：
每个SOC点的最大电流满足：Imax＝(Vmax-Vn)/Rn，其中：Vmax为每个SOC范围段内预设充电倍率进行充电的截止电压，Vn为预设充电倍率充电的开启电压，并计算出各SOC点的最大充电倍率。
在一个优选或可选的实施方式中，计算出各SOC点的最大充电倍率的方法为：满足：Cmax＝Imax/锂电池电容量。
在一个优选或可选的实施方式中，设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，并确定出充放电倍率系数：
获取锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间，所述充放电倍率系数满足：预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间的最大值/锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间。
在一个优选或可选的实施方式中，确定锂电池快充电流map变化关系的方法包括：
对各个所述SOC范围段的充电时间进行求和，确定锂电池快充的总时间，且各个SOC范围段的时间满足，S＝A*SOC容量/(Cmax*充放电倍率系数)，A为设计规范要求的SOC范围点。
在一个优选或可选的实施方式中，确定各个SOC范围段温度的方法包括：
锂电池进行放空电，且按照各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率恒流充电，定个各个所述SOC范围段的温度增量系数；
各个SOC范围段温度满足：T＝温度增量系数*充电时间，充电时间为各SOC范围段容量/快充电流；
根据所述各个SOC范围段温度与各个所述SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。
在一个优选或可选的实施方式中，还包括对所述充放电倍率系数修正方法：
判断所述充放电倍率系数修正的锂电池充放电倍率所计算的总时间是否大于所述设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，如是，对所述充放电倍率系数进行预设次数的修正，直至两者时间相等，并重新计算各个SOC范围段的锂电池充放电倍率，如否，不进行修正。
在一个优选或可选的实施方式中，所述重新计算各个SOC范围段的锂电池充放电倍率进行预设精度的取舍。
在一个优选或可选的实施方式中，所述SOC范围段包括5％SOC范围段和5％-10％的SOC范围段，且充放电倍率分别为0.33C和1C。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
本案所提供方法，根据所述充放电倍率系数对所述最大充电倍率修正或调整，确定各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率，并根据修正后的锂电池充放电倍率确定各个SOC范围段的充电时间。整体以电芯充电内阻为基准，在最大充电电流范围内优化各SOC段充电电流，不但满足快速充电的时间要求，而且将快充过程中电池高温对于电池寿命的衰减的风险降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需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为本案发明快充方法的示意图；
图2位本案发明快充的对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示的锂离子动力电池快充的方法，该方法包括：
S101:根据设计规范将待测锂电池荷电状态进行SOC范围段的划分。SOC指电池荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余可放电电量与其完全充电状态的电量的比值，常用百分数表示。电池的SOC设计规范中，一般的，以0％SOC、5％SOC、10％SOC、20％SOC......100％SOC进行SOC范围段的划分。以上的5％或10％等为SOC点，0％SOC至5％SOC或5％SOC至10％SOC等为SOC范围段；
S102:计算锂电池的充电直流内阻，以确定各个SOC范围段的最大充电电流，从而确定各SOC范围段的最大充电倍率，具体的：
充电直流内阻根据HPPC测试方法，测锂电池0％SOC到100％SOC间的每个SOC点的V0和预设电容量放电预设时间后的电压V1，且满足：Rn＝(V0-V1)/2C，确定各个SOC点的充电内阻，其中，V0为预设充电倍率充电前静置最后一刻开启电压。HPPC测试方法是美国《FreedomCar电池测试手册》的HPPC方法，测试持续时间为10s，施加的放电电流为5C或更高，充电电流为放电电流的75％，具体电流的选择根据电池特性制定，C为锂电池的充放电倍率。
各个SOC范围段的最大充电电流的确定如下：
每个SOC点的最大电流满足：Imax＝(Vmax-Vn)/Rn，其中：Vmax为每个SOC范围段内预设充电倍率进行充电的截止电压，Vn为预设充电倍率充电的开启电压，并计算出各SOC点的最大充电倍率。
进一步的，各最大充电电流计算出各SOC点的最大充电倍率的方法满足：Cmax＝Imax/锂电池电容量。
S103:设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，并确定出充放电倍率系数，具体的：
设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，一般由设计者确定，或是，根据充电规范设计，例如，快充时间设计要求如下，设计时要求能够同时满足三个SOC范围段的充电时间要求，在25度的环境下：
a.30％-80％SOC的直流充电时间≤30min；
b.0％-80％SOC的直流充电时间≤45min；
c.0％-100％SOC的直流充电时间≤90min；
因此，设计的总充电时间不仅满足某一个设计要求的充电时间，还要满足满足整体设计，所以，所选取的时间应当是三个设计中用时最长的数值，具体的：
先确定锂电池的充放电倍率系数，充放电倍率系数满足：预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间的最大值/锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间，如，获取锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间，如，100％SOC在1C的充放电倍率下需要1个小时完成充电，锂电池容量选取180，选取0％SOC至100％SOC的充放电倍率分别为0.33C,0.5C,1C,1.2C,1.5C倍率恒流充电，取上述a、b和c分别各个SOC范围段充电时间最短的数值与1个小时的比值，最小值取整为9分钟，比值保留两位小数＝0.15，作为初始值，或是，对整体进行预估获取接近0.15的数值，考虑时间特性，需要进行修正；
该初始值0.15与各最大充电电流计算出各SOC点的最大充电倍率的Cmax进行乘积并取整，结构如表一所示：
系数 0.15
SOC Imax Cmax Fast Map Fast Map(取整)
90％-100％ 355 2.0 0.30 0.3
80％-90％ 576 3.2 0.48 0.5
70％-80％ 790 4.4 0.66 0.5
60％-70％ 985 5.5 0.82 1
50％-60％ 1266 7.0 1.06 1
40％-50％ 1382 7.7 1.15 1.2
30％-40％ 1433 8.0 1.19 1.2
20％-30％ 1455 8.1 1.21 1.2
10％-20％ 1455 8.1 1.21 1.2
5％-10％ 1 1
0-5％ 0.33 0.33
表一
以上述C中的90分钟为例进行计算，结构见表二，
Figure BDA0003199271490000091
表二
表二中修正前计算总时间为1.45小时，以分钟为单位则为，87.10分钟；
表二中修正后计算总时间为1.47小时，以分钟为单位则为，88.09分钟；
同理对上述的a和b的30分钟和45分钟进行计算，且均需分别满足小于a、b和c的30min、45min和90min，对系数0.15进行调整，并迭代求解计算出满足三者时间要求的最终系数和时间，即为，对充放电倍率系数修正方法：
判断充放电倍率系数修正的锂电池充放电倍率所计算的总时间是否大于设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，如是，对充放电倍率系数进行预设次数的修正，直至两者时间相等，相等即为临界值，取近似整数值即可，并重新计算各个SOC范围段的锂电池充放电倍率，如否，不进行修正。
S104:根据充放电倍率系数对最大充电倍率修正或调整，确定各个SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率，并根据修正后的锂电池充放电倍率确定各个SOC范围段的充电时间；
修正后的充电流值见表三：
Figure BDA0003199271490000101
表三
S105:测量各个SOC范围段充电的温度差，并与各个SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。具体的：
对各个SOC范围段的充电时间进行求和，确定锂电池快充的总时间，且各个SOC范围段的时间满足，S＝A*SOC容量/(Cmax*充放电倍率系数)，A为设计规范要求的SOC范围点。
进一步的，确定各个SOC范围段温度的方法包括：
锂电池进行放空电，且按照各个SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率恒流充电，定个各个SOC范围段的温度增量系数；
各个SOC范围段温度满足：T＝温度增量系数*充电时间，充电时间为各SOC范围段容量/快充电流；
根据各个SOC范围段温度与各个SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。
作为本案所提供的具体实施方式，SOC范围段包括5％SOC范围段和5％-10％的SOC范围段，且充放电倍率分别为0.33C和1C。考虑电池的实际使用性能，低电量的特征，一般保持规范中的基本参数，不进行调整。
以三元石墨体系的方形铝壳180Ah电池进行快充和充放电测试为例，通过在电池大面布温感监控充电过程中的温度情况。测试过程如下：
在国标规定的室温下，将电池按1C放空电，静止1h。
以1C恒流恒压方式充电到截止电压，静置1h，以1恒流放空电。重复此操作5次。取5次放电容量均值作为后续1C标准。
对电池进行充电内阻测试；将电池进行1C满充后，静置1h，再进行1C放电6min，使电池达到SOC90％,静置1h，对电池进行2C放电10s，静置40s，再进行1.5C充电10S，静置40s，再用1C放电到80％，重复前步SOC90％到SOC80％的操作，直至SOC0％。
进行各SOC的充电内阻计算，以SOC90％的直流内阻计算为例，1.5C充电前的静置最后一刻OCV为V1，2C充电10s的终止电压为V2，R＝(V2-V1)/1.5C。
计算各SOC点的最大电流；通过Imax＝(Vmax-Vn)/Rn，其中Vmax为充电截至电压4.35V，Vn为各SOC点的V2，Rn为各SOC点的充电内阻。得出各SOC点的最大充电倍率Cmax＝Imax/180。数据如表1
通过t＝10％SOC容量/(Cmax*充电系数)，将各SOC段的充电时间t求和，得到快充的总时间。特别的SOC0％-5％的快充电流定义为0.33C，SOC5％-10％的快充电流定义为1C。
快充时间要求如下：
a.30％-80％SOC的直流充电时间≤30min。
b.0％-80％SOC的直流充电时间≤45min。
c.0％-100％SOC的直流充电时间≤90min。
通过调整充电系数，使快充总时间满足快充时间要求(a，b，c)。计算各SOC段的快充电流Fast map＝Cmax*快充系数，对得出的值近似取整，得出修正后的快充电流。将电池放空电，按照表中的快充电流，分别进行0.33C,0.5C,1C,1.2C,1.5C倍率恒流充电。分别计算每10％SOC段的各倍率温度增量系数，如表3所示，从而确定最终的充放电倍率，如表四所示：
0-5％ 5％-10％ 10％-20％ 20％-30％ 30％-40％ 40％-50％ 50％-60％ 60％-70％ 70％-80％ 80％-90％ 90％-100％ 总时间
快充map 0.33 1 1.2 1.2 1.2 1.2 1 1 0.5 0.5 0.33 8.80
以往map 0.33 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9.67
表四
根据和表三和表四中确定出修正的快充电流值，确定出快充电流对应的倍率下的温度增量系数，通过T＝温度增量系数*充电时间(各SOC段容量/快充电流)，计算得出快充结束得温度值，如表五所示，以最大90分钟的充电时间为例的。
温度 0％ 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 90％ 100％
快充map 25 25.30 26.38 27.47 28.80 29.97 30.87 31.67 31.47 31.07 30.67
以往map 25 25.30 26.10 27.10 28.40 29.70 30.60 31.40 31.70 32.10 32.30
实际map 25 25.2 26.6 27.8 29.2 30.4 31.1 32 31.6 30.7 29.8
表五
通过表5反映出，本案方法得快充map进行实际测量，充电时间满足快充时间要求，所需充电时间比以往充电方案短，并且通过对温度增量得拟算，快充map得充电截止温度比以往充电方案温度低，并且与拟合快充温度曲线与实际测得的温度曲线相近，如图2所示。拟合的快充终止温度与实际测得的快充温度相差约0.8℃，结合结果差异不大，属于可允许的温度误差范围，因此，本专利的方法可以提供有效的、满足要求的快充方法。
以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池快充的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据设计规范将待测锂电池荷电状态进行SOC范围段的划分；
计算锂电池的充电直流内阻，以确定各个SOC范围段的最大充电电流，从而确定各SOC范围段的最大充电倍率；
设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，并确定出充放电倍率系数；
根据所述充放电倍率系数对所述最大充电倍率修正或调整，确定各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率，并根据修正后的锂电池充放电倍率确定各个SOC范围段的充电时间；
测量各个SOC范围段充电的温度差，并与所述各个SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算锂电池的充电直流内阻的方法包括：
根据HPPC测试方法，测锂电池0％SOC到100％SOC间的每个SOC点的V0和预设电容量放电预设时间后的电压V1，且满足：Rn＝(V0-V1)/2C，确定各个SOC点的充电内阻，其中，V0为预设充电倍率充电前静置最后一刻开启电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定各个SOC范围段的最大充电电流的方法包括：
每个SOC点的最大电流满足：Imax＝(Vmax-Vn)/Rn，其中：Vmax为每个SOC范围段内预设充电倍率进行充电的截止电压，Vn为预设充电倍率充电的开启电压，并计算出各SOC点的最大充电倍率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算出各SOC点的最大充电倍率的方法为：满足：Cmax＝Imax/锂电池电容量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，并确定出充放电倍率系数：
获取锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间，所述充放电倍率系数满足：预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间的最大值/锂电池100％SOC在标准充放电倍率下完成的时间。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定锂电池快充电流map变化关系的方法包括：
对各个所述SOC范围段的充电时间进行求和，确定锂电池快充的总时间，且各个SOC范围段的时间满足，S＝A*SOC容量/(Cmax*充放电倍率系数)，A为设计规范要求的SOC范围点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定各个SOC范围段温度的方法包括：
锂电池进行放空电，且按照各个所述SOC范围段的修正后的锂电池充放电倍率恒流充电，定个各个所述SOC范围段的温度增量系数；
各个SOC范围段温度满足：T＝温度增量系数*充电时间，充电时间为各SOC范围段容量/快充电流；
根据所述各个SOC范围段温度与各个所述SOC范围段的充电时间确定锂电池快充电流map变化关系。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括对所述充放电倍率系数修正方法：
判断所述充放电倍率系数修正的锂电池充放电倍率所计算的总时间是否大于所述设计或获取预设环境温度下预设个数量的SOC范围段直流充电的时间，如是，对所述充放电倍率系数进行预设次数的修正，直至两者时间相等，并重新计算各个SOC范围段的锂电池充放电倍率，如否，不进行修正。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述重新计算各个SOC范围段的锂电池充放电倍率进行预设精度的取舍。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SOC范围段包括5％SOC范围段和5％-10％的SOC范围段，且充放电倍率分别为0.33C和1C。
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