CN116760138A - 一种分阶段电池充电方法、系统及充电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分阶段电池充电方法、系统及充电设备，本发明将充电阶段分为预充电阶段、恒流正脉冲充电阶段、变电流正脉冲充电阶段和恒压涓流充电阶段，在保持预充电和恒压充电阶段不变，第二阶段采用恒流正脉冲充电以消除电池的极化作用从而提高蓄电池的电流接受能力，第三阶段采用变电流正脉冲充电阶段以消除石墨负极副反应的发生，能够有效克服传统的恒流恒压充电策略的局限性，解决充电时间长、大电流充电温升快、安全性低等问题。

Description

一种分阶段电池充电方法、系统及充电设备

技术领域

本发明属于电池充电管理技术领域，涉及一种分阶段电池充电方法、系统及充电设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

纯电动汽车作为一种完全依赖于充电电池的新型能源汽车，是解决当今能源危机与环境污染的理想方案之一，近些年来得到了迅速发展。锂电池因其循环寿命长、能量密度高、自放电率低及使用安全性相对较高等优势而被广泛应用于纯电动汽车上。

然而，据发明人了解，推广纯电动汽车仍面临着两大挑战：1)电池充电设施的普及；2)电池续航里程及使用安全性。关于纯电动车，为了缩短充电时间，各汽车生产企业多选用大功率充电。但由于电池内部的离子扩散速度有限，大倍率充电电流加快了电池的老化速度，电池的寿命衰减严重，更为重要的是，在大倍率充电条件下，电池的内阻大量产热，导致大功率充电过程电池温度急剧上升，进而对电池的安全性提出挑战。

综上所述，寻求快速、安全、可靠的充电策略成为了发展纯电动汽车亟待解决的关键技术难题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种分阶段电池充电方法、系统及充电设备，本发明将充电阶段分为预充电阶段、恒流正脉冲充电阶段、变电流正脉冲充电阶段和恒压涓流充电阶段，在保持预充电和恒压充电阶段不变，第二阶段采用恒流正脉冲充电以消除电池的极化作用从而提高蓄电池的电流接受能力，第三阶段采用变电流正脉冲充电阶段以消除石墨负极副反应的发生，能够有效克服传统的恒流恒压充电策略的局限性，解决充电时间长、大电流充电温升快、安全性低等问题。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种分阶段电池充电方法，包括以下步骤：

获取电池的电池荷电状态；

当电池荷电状态低于第一范围时，进行预充电；

当电池荷电状态位于第一范围内时，进行恒流正脉冲充电；

当电池荷电状态位于第二范围内时，进行变电流正脉冲充电；

当电池荷电状态位于第三范围内时，进行电流自适应调节的恒压涓流充电；

所述第一范围、第二范围和第三范围之间不重合，且第一范围小于第二范围，第二范围小于第三范围。

作为可选择的实施方式，所述电池的电池荷电状态估算得到。

作为可选择的实施方式，进行预充电的具体过程为采用设定充电倍率进行预充电，直到电池的电池荷电状态进入第一范围内。

作为可选择的实施方式，进行恒流正脉冲充电的具体过程为采用设定值电流的设定时长的间隔正脉冲充电。

进一步的，所述设定值电流的范围为[0.2，1.0]；

正脉冲充电宽度大于正脉冲间隔宽度。

作为可选择的实施方式，进行变电流正脉冲充电的的具体过程为通过伪二维电化学模型以石墨负极侧表面不发生副反应为条件确定安全充电电流，在等效电路模型中使用遗传算法以充电损耗功率和充电时间为目标迭代寻优，按设定间隔确定相应电池荷电状态值下的充电电流，以该电流进行充电。

作为可选择的实施方式，进行电流自适应调节的恒压涓流充电的具体过程为涓流充电电流小于第一设定值，且当充电电流小于第二设定值时，则停止充电，所述第二设定值小于第一设定值。

一种分阶段电池充电系统，包括：

参数获取模块，被配置为获取电池的电池荷电状态；

第一阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态低于第一范围时，进行预充电；

第二阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第一范围内时，进行恒流正脉冲充电；

第三阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第二范围内时，进行变电流正脉冲充电；

第四阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第三范围内时，进行电流自适应调节的恒压涓流充电；

其中，所述第一范围、第二范围和第三范围之间不重合，且第一范围小于第二范围，第二范围小于第三范围。

作为可选择的实施方式，还包括电池荷电状态估算模块，用于估算电池荷电状态。

一种分阶段电池充电设备，包括主控制器、从控制器、处理器和充电电源，其中：

所述从控制器包括多个，分别用于和采集设备连接，获取相应的电池单体电压，并上传至主控制器；

所述主控制器，和处理器、采集设备连接，用于估算电池荷电状态，并获取电池组电流、电压参数，上传至处理器；

所述处理器，用于执行所述分阶段电池充电方法，控制所述充电电源对各电池电压进行充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明与传统的恒流恒压(Constant Current-Constant Voltage，CCCV)充电方法相比，采用分阶段充电方法充电充电时间更短且充入电量更多。

本发明的多阶段正脉冲充电法可以减小锂电池极化，使锂电池内部的化学反应更充分，从而可充入更多的电量。

本发明的第三阶段采用变电流正脉冲充电阶段以消除石墨负极副反应的发生，通过伪二维电化学模型以石墨负极侧表面不发生副反应为条件确定安全充电电流，在等效电路模型中使用遗传算法以充电损耗功率和充电时间为目标迭代寻优，按设定间隔确定相应电池荷电状态值下的充电电流，保证电流间隔变化，适应电池状态，能够有效克服传统的恒流恒压充电策略的局限性，解决充电时间长、大电流充电温升快、安全性低等问题。

与正脉冲充电方法相比，本发明采用分阶段充电方法充电充入电量更多且最大温升低。正脉冲充电方法在充电后期的充电电流较大，电压上升较快，很快到达截止电压，因此充入电量少。分阶段充电方法在充电后期采用变电流充电，降低了平均充电电流，消除了石墨负极副反应的发生，因此冲入电量多。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例的多阶段正脉冲充电方案示意图；

图2为本实施例的LiFePO₄电池充电方法试验控制流程图；

图3为本实施例的电池充电试验平台结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

一种分阶段电池充电方法，在现有的常规的三阶式充电方法(预充电-恒流充电-恒压充电)的基础上，设计了一种基于电池荷电状态(State of Charge，SOC)的磷酸铁锂(LiFePO₄)电池充电全过程的分阶段充电方法。如图1所示，以在线估算的SOC值为切换标志，引入脉冲充电模式以消除电池极化现象，提高充电效率，并将充电过程分为四个阶段，分别是预充阶段、恒流正脉冲充电阶段、变电流正脉冲充电阶段以及恒压涓流充电阶段。

如图2所示，通过对电池数据进行监测从而判断是否开始充电。充电时通过等效电路模型确定电池SOC值，并根据不同SOC值确定对应充电阶段。

具体的，第一阶段：预充阶段。在单体电池电压低于3V左右或SOC值小于第一设定值时采用预充电。

此阶段认为动力电池处于完全放电状态。本实施例可以采用0.1C的充电倍率进行预充电。当SOC值不满足预充阶段充电条件时，开始进入第二充电阶段。

当然，需要说明的是，本实施例出现的各个参数，仅为示例性/优选参数，并不代表着仅限定于某些值，在其他实施例中，本领域技术人员可以根据充电要求、电池情况进行调整，这些属于简单修改，理应属于本发明的保护范围。

第二阶段：恒流正脉冲充电阶段。电池处于低SOC区域时，石墨负极中所能嵌入的锂的空间较大，可接受的充电电流较大，但长时间大电流恒流充电会引发锂离子电池内部的极化效应，抬高电池的端电压，造成充入电池的电量减少，严重的极化效应还会引起电池出现发热和析锂反应，影响电池的安全和使用寿命。

低SOC区域可以根据具体充电要求或经验值确定，在此并不限定具体范围。

针对传统CCCV充电方式的缺陷，在预充之后采用大电流正脉冲充电方式代替恒流充电方式，采取10s正脉冲充电宽度，正脉冲间隔1s停充，不仅在充电初期施加平均值较高的电流值，可缩短充电时间，而且停充过程可以明显抑制极化现象和析锂反应。

恒流脉冲充电的电流可以在0.2C至1.0C之间选取。

当SOC值不满足恒流正脉冲充电阶段充电条件时，开始进入第三充电阶段。

(3)第三阶段：变电流正脉冲充电阶段。当采用设定截止电压控制充电过程时，充电电流过大会导致电池内阻压降过大，影响实际充入电量，同时为了避免石墨负极副反应的发生，第三阶段在高SOC区域内采用阶梯型脉冲充电，降低平均充电电流。

在本阶段内，利用伪二维电化学模型(Pseudo-Two-Dimensional Model，P2D)模型确定与SOC相应的安全充电电流，按在等效电路模型中以充电损耗和充电时间为评价目标，在高SOC的范围内的每1％SOC间隔设定理想的充电电流，实现变电流正脉冲充电。

变电流正脉冲充电阶段不仅可以在充电末期减缓电池寿命的衰减，而且停充过程仍然可以明显抑制极化现象和析锂反应。当SOC值不满足变电流正脉冲充电阶段充电条件时，进入下一充电阶段。

同样的，高SOC也可以根据具体充电要求或经验值确定，在此并不限定具体范围，本实施例仅为区分第二阶段和第三阶段，利用低SOC和高SOC来叙述，均可以根据具体情况和经验设置一定范围。两个范围不相交，且高SOC高于低SOC即可。

(4)第四阶段：恒压涓流充电阶段。当充电至SOC高于90％时，此时的脉冲充电电流较小，采用电流自适应调节的恒压充电方式。一般情况下，涓流充电电流小于0.1C，在电池充满之前将充电速度降下来，能有效减少过充的发生。当充电电流小于0.02C时认为电池已经充满。因此，转换成CV充电至截止电流0.02C时，认为电池已充满，停止充电。

实施例二

一种分阶段电池充电系统，包括：

电池荷电状态估算模块，用于估算电池荷电状态；

参数获取模块，被配置为获取电池的电池荷电状态；

第一阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态低于第一范围时，进行预充电；

第二阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第一范围内时，进行恒流正脉冲充电；

第三阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第二范围内时，进行变电流正脉冲充电；

第四阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第三范围内时，进行电流自适应调节的恒压涓流充电；

其中，所述第一范围、第二范围和第三范围之间不重合，且第一范围小于第二范围，第二范围小于第三范围。

实施例三

一种电池充电平台结构，如图3所示，包括主控板、从控板和上位机。

主控板303，用于采集电池组总电压、电池组305电流、环境温度和估算电池SOC，利用CAN网络与上位机301、从控板304进行信息交互；

从控板304利用ADC芯片采集单体电压，将采集的数据通过CAN网络上传至主控板303，同时负责对单节电池进行被动均衡；

可编程直流电源302内置USB、RS-232及GPIB通讯接口，上位机301通过USB与可编程直流电源302通讯负责对电池组305进行充放电试验；

电池组305由电池板固定，电池板通过导线与主控板303、从控板304以及可编程直流电源305相连接。

上述电路板和模块均可以使用现有设备即可，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种分阶段电池充电方法，其特征是，包括以下步骤：

获取电池的电池荷电状态；

当电池荷电状态低于第一范围时，进行预充电；

当电池荷电状态位于第一范围内时，进行恒流正脉冲充电；

当电池荷电状态位于第二范围内时，进行变电流正脉冲充电；

当电池荷电状态位于第三范围内时，进行电流自适应调节的恒压涓流充电；

所述第一范围、第二范围和第三范围之间不重合，且第一范围小于第二范围，第二范围小于第三范围。

2.如权利要求1所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，所述电池的电池荷电状态估算得到。

3.如权利要求1所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，进行预充电的具体过程为采用设定充电倍率进行预充电，直到电池的电池荷电状态进入第一范围内。

4.如权利要求1所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，进行恒流正脉冲充电的具体过程为采用设定值电流的设定时长的间隔正脉冲充电。

5.如权利要求4所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，所述设定值电流的范围为[0.2，1.0]；

正脉冲充电宽度大于正脉冲间隔宽度。

6.如权利要求1所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，进行变电流正脉冲充电的的具体过程为通过伪二维电化学模型以石墨负极侧表面不发生副反应为条件确定安全充电电流，在等效电路模型中使用遗传算法以充电损耗功率和充电时间为目标迭代寻优，按设定间隔确定相应电池荷电状态值下的充电电流，以该电流进行充电。

7.如权利要求1所述的一种分阶段电池充电方法，其特征是，进行电流自适应调节的恒压涓流充电的具体过程为涓流充电电流小于第一设定值，且当充电电流小于第二设定值时，则停止充电，所述第二设定值小于第一设定值。

8.一种分阶段电池充电系统，其特征是，包括：

参数获取模块，被配置为获取电池的电池荷电状态；

第一阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态低于第一范围时，进行预充电；

第二阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第一范围内时，进行恒流正脉冲充电；

第三阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第二范围内时，进行变电流正脉冲充电；

第四阶段充电模块，被配置为当电池荷电状态位于第三范围内时，进行电流自适应调节的恒压涓流充电；

其中，所述第一范围、第二范围和第三范围之间不重合，且第一范围小于第二范围，第二范围小于第三范围。

9.如权利要求8所述的系统，其特征是，还包括电池荷电状态估算模块，用于估算电池荷电状态。

10.一种分阶段电池充电设备，其特征是，包括主控制器、从控制器、处理器和充电电源，其中：

所述从控制器包括多个，分别用于和采集设备连接，获取相应的电池单体电压，并上传至主控制器；

所述主控制器，和处理器、采集设备连接，用于估算电池荷电状态，并获取电池组电流、电压参数，上传至处理器；

所述处理器，用于执行所述分阶段电池充电方法，控制所述充电电源对各电池电压进行充电。