CN113824189B - 一种锂离子电池的多段式充电系统 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池的多段式充电系统，属于电池充电技术领域。解决了现有电池充电方法对电池使用寿命存在严重影响的问题。本发明多段可编程脉冲电源用于分阶段输出不同幅值和频率的电信号；电磁耦合无线电力传输线圈用于通过无线的方式将电源输出的电信号传输出去；全波整流电路用于接收无线电信号，对接收的电信号进行全波整流，限流电路用于接收全波整流后的电信号，对全波整流后的电信号进行限流，滤波电路用于接收限流后的电信号，并对限流后的电信号进行滤波，将滤波后的电信号输出至锂离子电池；充电控制器用于利用滤波后的实时电信号和锂离子电池的实时剩余电量向多段可编程脉冲电源发送充电阶段控制信号。本发明适用于锂离子电池充电。
Description
技术领域
本发明属于电池充电技术领域。
背景技术
电池的使用充斥着我们生活的每个角落，对电池充电的减少对电池使用寿命的影响是本领域需要克服的难题，现有充电通常采用不变功率对电池充电对电池充电，多次充电后严重的缩短了电池的使用寿命。
发明内容
本发明目的是为了解决现有电池充电方法对电池使用寿命存在严重影响的问题，提出了一种锂离子电池的多段式充电系统。
本发明所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，包括多段可编程脉冲电源(1)、电磁耦合无线电力传输线圈(2)、全波整流电路(3)、限流电路(4)、滤波电路(5)和充电控制器(6)；
多段可编程脉冲电源(1)用于分阶段输出不同幅值和频率的电信号；
电磁耦合无线电力传输线圈(2)用于通过无线的方式将电源输出的电信号传输出去；
全波整流电路(3)用于接收无线电信号，并对接收的电信号进行全波整流，对全波整流后的电信号进行输出；
限流电路(4)用于接收全波整流后的电信号，并对全波整流后的电信号进行限流，对限流后的电信号进行输出；
滤波电路(5)用于接收限流后的电信号，并对限流后的电信号进行滤波，将滤波后的电信号输出至锂离子电池；
充电控制器(6)用于利用滤波后的实时电信号和锂离子电池的实时剩余电量向多段可编程脉冲电源(1)的充电阶段控制信号。
进一步地，本发明中，多段可编程脉冲电源(1)的充电阶段依次为：涓流预充阶段、恒流充电阶段、恒压限流阶段、脉冲放电阶段和稳流脉冲充电阶段。
进一步地，本发明中，涓流预充阶段的充电时间为：充电开始的0到4s内，电压由0伏逐渐上升。
进一步地，本发明中，恒流充电阶段由充电4s后开始，为恒定电流充电直至锂离子电池的电池电压达到上限电压结束。
进一步地，本发明中，恒压充电阶段从锂离子电池的电池电压达到上限电压开始，维持恒定电压对锂离子电池进行充电，直至锂离子电池电量达到99％停止恒压充电。
进一步地，本发明中，脉冲放电阶段从锂离子电池电量达到99％引入负脉冲放电，充电45s～50s后停止。
进一步地，本发明中，稳流脉冲充电阶段从脉冲放电阶段结束后静置5s～10s后开始正脉冲充电直至电池满电结束。
进一步地，本发明中，多段可编程脉冲电源(1)的输出频率为100Hz，电压波形为随时间变化的三角波。
本发明采用多段可编程脉冲电源对锂离子电池进行充电，大幅提高充电速度的同时有效抑制极化反应和温升，并考虑到锂离子电池的充电质量和延长电池寿命的因素，使实际充电曲线更加贴近最佳充电曲线。
附图说明
图1是本发明所述锂离子电池的多段式充电系统的原理框图；
图2是可编程多段电源充电电压波形图；
图3是对所述锂离子电池的多段式充电系统仿真获得的SOC和充电电流的对比波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。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的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，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所一种锂离子电池的多段式充电系统，包括多段可编程脉冲电源(1)、电磁耦合无线电力传输线圈(2)、全波整流电路(3)、限流电路(4)、滤波电路(5)和充电控制器(6)；
多段可编程脉冲电源(1)用于分阶段输出不同幅值和频率的电信号；
电磁耦合无线电力传输线圈(2)用于通过无线的方式将电源输出的电信号传输出去；
全波整流电路(3)用于接收无线电信号，并对接收的电信号进行全波整流，对全波整流后的电信号进行输出；
限流电路(4)用于接收全波整流后的电信号，并对全波整流后的电信号进行限流，对限流后的电信号进行输出；
滤波电路(5)用于接收限流后的电信号，并对限流后的电信号进行滤波，将滤波后的电信号输出至锂离子电池；
充电控制器(6)用于利用滤波后的实时电信号和锂离子电池的实时剩余电量向多段可编程脉冲电源(1)发送充电阶段控制信号。
进一步地，本实施方式中，多段可编程脉冲电源(1)的充电阶段依次为：涓流预充阶段、恒流充电阶段、恒压限流阶段、脉冲放电阶段和稳流脉冲充电阶段。
进一步地，本实施方式中，涓流预充阶段的充电时间为：充电开始0到4s内，电压由0伏逐渐上升。
进一步地，本实施方式中，恒流充电阶段由充电4s后开始，为恒定电流充电直至锂离子电池的电池电压达到上限电压结束。
进一步地，本实施方式中，恒压充电阶段从锂离子电池的电池电压达到上限电压开始，维持恒定电压对锂离子电池进行充电，直至锂离子电池电量达到99％停止恒压充电
进一步地，本发明中，脉冲放电阶段从锂离子电池电量达到99％开始引入负脉冲放电，充电45s～50s后停止。
进一步地，本实施方式中，稳流脉冲充电阶段从脉冲放电阶段结束后静置5～10s后开始正脉冲充电直至电池满电结束。
本实施方式中，锂电池健康充电的过程，可分为涓流预充、恒流充电、恒压限流、脉冲放电、稳流脉冲充电等阶段。
涓流预充阶段：为避免大电流充电对电池的冲击，使电池对充电电流有一个适应的过渡阶段，以达到电池内部的电化学转化更为平稳的目的。并在充电开始0到4s内，接入1ohm的电阻，充电电流缓慢增加，充入电量缓慢增加，电池电压缓慢上升，使锂电池有一个缓冲和适应的过程。
恒流充电阶段：保持恒定的大充电电流，充入电量迅速增加，电池电压也迅速上升，直到电池电压达到接近上限电压时，恒流充电结束。
恒压充电阶段：当电池电压达到上限后，电池已充进90％的电量，以恒定电压对电池进行充电，电池电压维持不变，充电电流将迅速减小。
脉冲放电阶段：脉冲充电相比于恒流充电引入了负脉冲放电。在45～50s，系统输出端并联一个100ohm的放电电阻。由于放电是充电的逆过程，因此放电过程中伴随着反极化作用，降低了大电流充电带来的极化现象的影响，降低了充电过程中的电池温度，从而达到提高系统充电质量，延长电池寿命的目的。
稳流脉冲充电阶段：在脉冲放电阶段后，系统静置短暂时间后继续正脉冲充电，待电池充满，充电电流减小到零，充电过程结束。
对于整个多段式电源无线充电系统特性的仿真，本文采用多平台联合仿真的方案。SIMPLORER通过调用MATLAB/Simulink的可编程电源和MAXWELL的电磁耦合无线电力传输线圈进行整个系统的瞬态仿真。其中，SOC和充电电流的对比波形如图3所示。
进一步地，本实施方式中，多段可编程脉冲电源(1)的输出频率为100Hz，电压波形为随时间变化的三角波。
本实施方式中，可编程多段式充电电源由多段频率为100Hz，电压幅值随时间t变化的三角波组成，可根据环境温度和电池温度差自动调节充电电流，以达到锂电池健康充电，延长电池寿命的目的。电压波形如图2所示。
由多平台的仿真结果，可以清楚的得到一条经典的锂电池多段式充电曲线，首先，充电电流缓慢增加使锂电池有一个缓冲和适应的过程，此阶段SOC缓慢上升，系统达到对电池的“充电预热”阶段，其次，充电电流急剧、大幅度上升进入恒流充电阶段，从SOC曲线也可以看出，恒流充电阶段，电池的电量随充电电流的急速增大而快速上升，此阶段SOC可以达到90％以上，再次，充电电流急剧下降到几个安培，系统进入恒压充电阶段，此阶段SOC缓慢上升，逐渐接近100％，然后，系统对电池进行短时间的小幅负脉冲放电，SOC随之小幅度下降，系统进入脉冲放电阶段，正是对电池的短时间放电，降低了之前大电流恒流充电阶段产生的极化现象的影响，降低了充电过程中电池的温度，从而达到提高系统充电质量，延长电池寿命的目的，最后，系统短暂静置几秒，让电池内部的化学反应充分的进行完毕，再对电池进行小幅正脉冲充电，直至SOC达到100％，整个系统充电过程结束。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (6)
1.一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，包括多段可编程脉冲电源(1)、电磁耦合无线电力传输线圈(2)、全波整流电路(3)、限流电路(4)、滤波电路(5)和充电控制器(6)；
多段可编程脉冲电源(1)用于分阶段输出不同幅值和频率的电信号；
电磁耦合无线电力传输线圈(2)用于通过无线的方式将电源输出的电信号传输出去；
全波整流电路(3)用于接收无线电信号，并对接收的电信号进行全波整流，对全波整流后的电信号进行输出；
限流电路(4)用于接收全波整流后的电信号，并对全波整流后的电信号进行限流，对限流后的电信号进行输出；
滤波电路(5)用于接收限流后的电信号，并对限流后的电信号进行滤波，将滤波后的电信号输出至锂离子电池；
充电控制器(6)用于利用滤波后的实时电信号和锂离子电池的实时剩余电量向多段可编程脉冲电源(1)发送充电阶段控制信号；
多段可编程脉冲电源(1)的充电阶段依次为：涓流预充阶段、恒流充电阶段、恒压限流阶段、脉冲放电阶段和稳流脉冲充电阶段；
多段可编程脉冲电源(1)的输出频率为100Hz，电压波形为随时间变化的三角波；
所述三角波电压为：
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，涓流预充阶段的充电时间为：充电开始的0到4s内，电压由0伏逐渐上升。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，恒流充电阶段由充电4s后开始，为恒定电流充电直至锂离子电池的电池电压达到上限电压结束。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，恒压充电阶段从锂离子电池的电池电压达到上限电压开始，维持恒定电压对锂离子电池进行充电，直至锂离子电池电量达到99％，停止恒压充电。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，脉冲放电阶段从锂离子电池电量达到99％开始引入负脉冲放电，充电45s～50s后停止。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池的多段式充电系统，其特征在于，稳流脉冲充电阶段从脉冲放电阶段结束后静置5s～10s后开始正脉冲充电直至电池满电结束。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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