CN115534757A - 一种锂离子电池充电工况选择方法 - Google Patents

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孙丙香
李凯鑫
张维戈
苏晓佳
牛利勇
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池充电工况选择方法，包括如下步骤：通过设定锂离子电池的充电目标，使得充电工况选择时充电目标一致；所述充电目标至少包括以下信息：起始SOC值，预期充电时间，目标SOC值；获取预置的充电工况；所述预置的充电工况至少为两种；在充电目标一致的情况下，根据不同的用户需求，选择相应的预置的充电工况；所述选择基于循环充电实验测试数据做出。本发明，在充电目标一致的前提下，通过对预置的充电工况开展相关研究，考虑到不同工况的衰退特性存在差异，而且主流BMS嵌入的工况单一，针对不同的用户需求进行充电工况的优化选择，对于满足用户需求、提高充电效率、延缓电池衰退至关重要。

Description

一种锂离子电池充电工况选择方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车等电池管理领域，具体说是一种锂离子电池充电工况选择方法。
背景技术
近年来，随着环境问题的日益凸显，可再生能源受到了越来越多的关注。在国家政策的大力推动下，动力电池已广泛应用于便携式设备、电动汽车和电力储能等领域，逐渐成为“双碳”背景下，节能减排的应用热点。其中，锂离子电池因其综合性能优越而成为目前各大车企的首选动力源，广泛应用于电动汽车领域。合理的管控电池，尤其是选择合适的方法给电池充电，对于满足用户需求和保持电池性能至关重要。
目前常见的锂离子电池充电方法主要包括恒流恒压充电、恒功率恒压充电、多阶段电流充电、脉冲充电、变电流充电等。
恒流恒压充电是目前动力电池充电的主要方式，操作简单、易于控制，但是不能消除电池充电过程中造成的极化现象，影响电池的充电效果；
恒功率充电由于初期充电电流较大，可以提高电池的充电效率；
多阶段恒流充电可以在充电过程中调整电流水平来延长电池的使用寿命，同时减少充电时间；
脉冲充电的目的是降低极化现象，提高充放电功率，缩短电池的充电时间；
变电流充电是使用电池的等效电路模型或电化学机理模型计算计算动力电池优化充电电流的方法。
目前，主流电池管理系统(Battery Management System，BMS)嵌入工况单一，并未考虑不同用户实际需求进行充电工况的优化选择。因此，考虑充电起点、等待时间和目标充电容量等需求，合理选择充电工况具有重要意义。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池充电工况选择方法，在充电目标一致的前提下，通过对预置的充电工况开展相关研究，考虑到不同工况的衰退特性存在差异，而且主流BMS嵌入的工况单一，针对不同的用户需求进行充电工况的优化选择，对于满足用户需求、提高充电效率、延缓电池衰退至关重要。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过设定锂离子电池的充电目标，使得充电工况选择时充电目标一致；所述充电目标至少包括以下信息：起始SOC值，预期充电时间，目标SOC值；
获取预置的充电工况；所述预置的充电工况至少为两种；
在充电目标一致的情况下，根据不同的用户需求，选择相应的预置的充电工况；
所述选择基于循环充电实验测试数据做出。
在上述技术方案的基础上，所述根据不同的用户需求，选择相应的预置的充电工况，具体包括：
根据电池的不同起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期充电容量最多的充电工况；
根据电池的不同SOC区间特性，对电池的SOC区间进行划分，选择相同SOC区间内电池的预期充电时间最快的充电工况；
根据电池的不同SOC区间特性，对电池的SOC区间进行划分，选择相同SOC区间内电池的预期充电能量最多的充电工况；
根据电池的循环充电实验造成的性能衰退，不考虑电池的起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期容量衰退最慢的充电工况；
根据电池的循环充电实验造成的性能衰退，不考虑电池的起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期充电能量效率最多的充电工况。
在上述技术方案的基础上，所述循环充电实验测试数据的获取步骤如下：
设定循环充电实验的次数；默认为1000次；
设定起始SOC值为0％-80％，每递增20％为一个SOC区间；
设定预期充电时间为5min-30min，每递增5min为一个测试点；
测试不同SOC区间、不同测试点的情况下，不同充电工况最终得到的测试数据；
所述测试数据包括：
充电容量，是指电池储存电量的大小，单位是安时(Ah)或毫安时(mAh)；
充电时间，是指相同SOC区间内电池充电至充电截止电压所需的时间；
充电能量，是指电池储存的能量，能量的单位是瓦时(Wh)。
在上述技术方案的基础上，默认预置的充电工况包括：恒流充电工况、恒功率充电工况、五阶段恒流充电工况、变电流间歇充电工况、恒流和恒dQ/dV相结合的复合充电工况。
在上述技术方案的基础上，根据电池手册的规定确定充电截止电压；
所述恒流充电工况为1.6C恒流充电至充电截止电压；
所述恒功率充电工况为20W恒功率充电至充电截止电压；
所述五阶段恒流充电工况为首先2C、1.8C、1.6C、1.4C分别恒流充电5min，然后1.2C恒流充电至充电截止电压；
所述变电流间歇充电工况为首先2.5C恒流充电至第一SOC值，所述SOC值默认为10％，然后静置预设间歇时间，所述间歇时间默认为2min30s，再后1.92C恒流充电至第二SOC值，所述第二SOC值默认为60％，之后静置预设间歇时间，最后1.34C恒流充电至充电截止电压；
所述复合充电工况为首先1C恒流充电至第三SOC值，所述第三SOC值默认为20％，然后采用恒dQ/dV＝25Ah/V充电至充电截止电压。
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是在电动车辆中使用的电池，具体说，是以下任意一种：锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池。
在上述技术方案的基础上，默认起始SOC值为0％；
默认预期充电时间为30min；
默认目标SOC值为80％。
本发明所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，具有以下有益效果：
在充电目标一致的前提下，通过对预置的充电工况开展相关研究，考虑到不同工况的衰退特性存在差异，而且主流BMS嵌入的工况单一，针对不同的用户需求进行充电工况的优化选择，对于满足用户需求、提高充电效率、延缓电池衰退至关重要。
附图说明
本发明有如下附图：
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1本发明所述一种锂离子电池充电工况选择方法的流程图。
图2锂离子电池初始充电SOC＝0％，不同充电工况下不同充电时间电池的充电容量变化图。
图3锂离子电池初始充电SOC＝20％，不同充电工况下不同充电时间电池的充电容量变化曲线。
图4锂离子电池在不同充电工况下20％SOC区间电池充电时间图。
图5锂离子电池5种充电工况下20％SOC区间电池充电能量变化曲线。
图6锂离子电池不同充电工况，不同衰退阶段下电池容量衰退曲线。
图7锂离子电池不同充电工况，不同衰退阶段下电池充电能量效率变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
本发明所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，所述锂离子电池是在电动车辆中使用的电池，具体说，是以下任意一种：锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池。
以下具体实施例以某公司的磷酸铁锂动力电池为例进行说明。
制定锂离子电池的充电目标为起始SOC＝0％，且在默认预期充电时间30min内达到电池的默认充电目标，即充满电池额定容量的80％，并根据此充电目标确定默认的预置充电工况，分别为恒流充电工况、恒功率充电工况、五阶段恒流充电工况、变电流间歇充电工况、恒流和恒dQ/dV相结合的复合充电工况，5种充电工况的平均充电电流倍率为1.6C，实验对象为3.6Ah的26650磷酸铁锂电池。
恒流充电工况为1.6C恒流充电至电池的充电截止电压3.65V；恒功率充电工况为20W恒功率充电至电池的充电截止电压3.65V；五阶段恒流充电工况为2C、1.8C、1.6C、1.4C分别恒流充电5min，1.2C恒流充电至电池的充电截止电压3.65V；变电流间歇充电工况为首先2.5C恒流充电至第一SOC值，所述SOC值默认为10％，然后静置预设间歇时间，所述间歇时间默认为2min30s，再后1.92C恒流充电至第二SOC值，所述第二SOC值默认为60％，之后静置预设间歇时间，最后1.34C恒流充电至充电截止电压3.65V；复合充电工况为首先1C恒流充电至第三SOC值，所述第三SOC值默认为20％，然后采用恒dQ/dV＝25Ah/V充电至充电截止电压3.65V。
锂离子电池初始充电SOC＝0％，不同充电工况下不同充电时间电池的充电容量变化曲线如图2所示，可以发现前15min以内五阶段恒流充电工况充电容量最大，充电20min时五阶段恒流充电和变电流间歇充电的充电容量差别不大，这两种工况为此时的最优工况，充电时间为25min时，变电流间歇充电的充电容量最大，该种工况为此时的最优工况。
锂离子电池初始充电SOC＝20％，不同充电工况下不同充电时间电池的充电容量变化曲线如图3所示，对比分析发现，充电时间为15min及更短时，变电流间歇充电工况的充电容量最大，最优工况为该种充电工况。充电时间为20min时，从容量角度考虑最优充电工况为五阶段恒流充电工况和变电流间歇充电工况。
图4是锂离子电池在不同充电工况下20％SOC区间电池充电时间变化图，可以发现如果只考虑充电时间的快慢，在0-20％SOC区间应该采用五阶段恒流充电，20-40％SOC区间选用变电流间歇充电工况，40-60％SOC区间选用变电流间歇充电，60％-80％SOC选用恒流、恒功率或复合充电工况。
图5是锂离子电池5种充电工况下20％SOC区间电池充电能量变化曲线，发现复合充电工况的充电能量除在0-20％SOC区间较小，在其他SOC区间的充电能量都是最大的，也就说在电池充入相同容量的前提下，此种充电工况的续驶里程最长，变电流间歇充电工况次之，其他三种充电工况的充电能量差别不大。
锂离子电池不同充电工况，不同衰退阶段下电池容量衰退曲线如图6所示，可以发现在电池的充电循环中，复合充电工况的容量保持率最高，容量衰退速率最慢，1000个充电循环后衰退了8.996％，电池的容量保持率为91.004％，电池此时的容量为3.39Ah；衰退速率最快的是变电流间歇充电工况，1000个循环之后衰退了10.125％，容量保持率为89.875％，容量衰退速率最慢的复合充电工况和容量衰退率最快的间歇充电工况差1.129％。
图7是锂离子电池不同充电工况，不同衰退阶段下电池充电能量效率变化曲线，可以发现变电流间歇充电的能量效率最低，1000次循环后为94.14％，1000次老化循环后能量利用效率最高的是2#CP工况，为95.855％，相差1.715％，分析可能的原因是4#变电流间歇充电工况初期充电电流最大，达到了2.5C(9A)，并且在低端SOC电池的内阻较大，随着电池的老化电池的内阻更会逐渐增大，导致电池的能耗就会增加，充电能量效率降低。
显然，本发明的上述实施案例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过设定锂离子电池的充电目标，使得充电工况选择时充电目标一致；所述充电目标至少包括以下信息：起始SOC值，预期充电时间，目标SOC值；
获取预置的充电工况；所述预置的充电工况至少为两种；
在充电目标一致的情况下，根据不同的用户需求，选择相应的预置的充电工况；
所述选择基于循环充电实验测试数据做出。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，所述根据不同的用户需求，选择相应的预置的充电工况，具体包括：
根据电池的不同起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期充电容量最多的充电工况；
根据电池的不同SOC区间特性，对电池的SOC区间进行划分，选择相同SOC区间内电池的预期充电时间最快的充电工况；
根据电池的不同SOC区间特性，对电池的SOC区间进行划分，选择相同SOC区间内电池的预期充电能量最多的充电工况；
根据电池的循环充电实验造成的性能衰退，不考虑电池的起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期容量衰退最慢的充电工况；
根据电池的循环充电实验造成的性能衰退，不考虑电池的起始SOC点和用户预期充电时间，选择电池的预期充电能量效率最多的充电工况。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，所述循环充电实验测试数据的获取步骤如下：
设定循环充电实验的次数；默认为1000次；
设定起始SOC值为0％-80％，每递增20％为一个SOC区间；
设定预期充电时间为5min-30min，每递增5min为一个测试点；
测试不同SOC区间、不同测试点的情况下，不同充电工况最终得到的测试数据；
所述测试数据包括：
充电容量，是指电池储存电量的大小，单位是安时(Ah)或毫安时(mAh)；
充电时间，是指相同SOC区间内电池充电至充电截止电压所需的时间；
充电能量，是指电池储存的能量，能量的单位是瓦时(Wh)。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，默认预置的充电工况包括：恒流充电工况、恒功率充电工况、五阶段恒流充电工况、变电流间歇充电工况、恒流和恒dQ/dV相结合的复合充电工况。
5.如权利要求4所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，根据电池手册的规定确定充电截止电压；
所述恒流充电工况为1.6C恒流充电至充电截止电压；
所述恒功率充电工况为20W恒功率充电至充电截止电压；
所述五阶段恒流充电工况为首先2C、1.8C、1.6C、1.4C分别恒流充电5min，然后1.2C恒流充电至充电截止电压；
所述变电流间歇充电工况为首先2.5C恒流充电至第一SOC值，所述SOC值默认为10％，然后静置预设间歇时间，所述间歇时间默认为2min30s，再后1.92C恒流充电至第二SOC值，所述第二SOC值默认为60％，之后静置预设间歇时间，最后1.34C恒流充电至充电截止电压；
所述复合充电工况为首先1C恒流充电至第三SOC值，所述第三SOC值默认为20％，然后采用恒dQ/dV＝25Ah/V充电至充电截止电压。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，所述锂离子电池是在电动车辆中使用的电池，具体说，是以下任意一种：锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池充电工况选择方法，其特征在于，默认起始SOC值为0％；
默认预期充电时间为30min；
默认目标SOC值为80％。
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