鋰離子電池組的充電管理方法和充電機的製作方法
2023-06-12 06:25:16 1
專利名稱：鋰離子電池組的充電管理方法和充電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及應用在電動自行車、電動汽車、電動船、電動飛機、潛艇和魚雷等電動 設備上的鋰離子電池組的充電管理方法以及所用到的充電機。
背景技術：
除了手機、MP3、MP4等簡單手持設備外，鋰離子電池還應用到很多電動設備上。由 於其額定電壓與這些電動設備的額定電壓相差甚遠，容量大小也不一定合適，所以必須串 並聯成電池組工作。電池組在串並聯工作條件下，單體電池內阻、容量、電壓、溫度、自放電 等參數的一致性差異，極大的影響了電池組的工作效率，特別在極端(如大電流放電，低溫 放電等)放電條件下，相對較差的單體電池會加速劣化，影響電池組的壽命，同時最終導致 劣化電池反極，出現安全問題。另外，循環壽命較短也是鋰離子電池組使用的一個瓶頸。鈷酸鋰為正極材料的鋰 離子單體電池，循環壽命800次；三元材料為正極的鋰離子單體電池，循環壽命1000次；磷 酸鐵鋰為正極材料的鋰離子單體電池，循環壽命3000次；但鈷酸鋰電池很少做成動力電 池，主要原因是安全性問題，三元材料電池組，目前循環壽命不超過500次，磷酸鐵鋰電池 組，循環壽命也不超過800次，這主要是由電池的一致性差引起的。鋰離子電池組使用的另一個瓶頸是低溫充電。由於鋰離子電池組具有很高的重量 比能量和體積比能量，可以應用在電動自行車、電動汽車、電動飛機等設備上。但在北方的 冬天，由於溫度較低，大大限制了需在室外充電的鋰離子電池的使用。上述所有問題都源自電池的極化和電池組內單體電池一致性差。由於電池組在電源管理系統(BMS)的管理下工作，並以電池組工作時最差的電池 為標準，電池組充電時，最差的電池充滿了但其它電池還沒有充滿時，管理系統默認電池組 已經充滿；同樣，電池組放電時，最差的電池放完電但其它電池沒有放完電時，管理系統默 認電池組已經放完電，所以電池一致性差，將導致電池的循環壽命短。電池組充電時，由於 管理系統精度等方面的原因，最差的電池極有可能過充；同樣，電池組放電時，最差的電池 極有可能過放，而過充和過放將引起電池的安全性問題，所以電池一致性差，將導致電池的 安全性降低。另外，由於低溫導致分子運動降低，一致性差的電池由於極化差別更大，充電 能力更差。
發明內容
針對上述問題，發明人提出全新的解決方案，即提供如下所述的新的充電管理方法。一種鋰離子電池組充電管理方法，鋰離子電池組以這樣的周期性方式充電，即每 個周期由充電階段和靜置階段組成。所述每個周期可以是先進行充電階段再進行靜置階段，也可以是先進行靜置階段 再進行充電階段。
在現有技術中，先用恆流充電，等電池組電壓到了截止電壓後改為恆壓充電，電流 隨之降低，等電流降低到截止電流後，電池充滿電。而在本發明中，在每個充電周期內都設 置了靜置階段。對於這種充充停停的方法，充電的時候濃差極化和電化學極化大，停充的時 候濃差極化和電化學極化消失，從而可以降低電池的極化。在現有技術中，電池低溫充電性能差，主要是因為電池在低溫條件下離子遷移較 慢，充電極化增大，採用本發明的充電方法，可以降低電池的極化，進而提高了電池低溫充 電能力。在電池安全性方面，採用本發明的充電方法，可以減小電池極化，從而降低電池充 電時負極表面形成鋰枝晶的可能性，從而降低電池內部短路的可能性，提高安全性。在循環 壽命方面，實施數據顯示，循環壽命可得到很大改善。進一步地，在充電過程中，電源管理系統可進行全程均衡，當電池組內電壓為最高 值的單體電池與電壓為最低值的單體電池之間的電壓差超過啟動均衡參數S1時，關閉所設 定的充電方法，啟動均衡功能；當電池組內電壓為最高值的單體電池與電壓為最低值的單 體電池之間的電壓差低於關閉均衡參數S2時，停止均衡功能，繼續所設定的充電方法。採用全程均衡，有效解決了電池一致性差的問題。這樣，在解決極化問題的基礎 上，又解決了電池一致性差的問題，從而更進一步提高了電池的循環壽命和安全性，也提高 了低溫充電能力。優選地，所述啟動均衡參數S1和所述關閉均衡參數S2均設定成電源管理系統可檢 測到的最小電壓精度值的倍數，所述啟動均衡參數S1必須大於所述關閉均衡參數S2，所述 啟動均衡參數S1的值可在IOmv ^ S1 ^ 50mv的範圍內選擇，所述關閉均衡參數S2的值可 在5mv ^ S2 ^ 30mv的範圍內選擇。再進一步地，在所述每個周期中的充電階段，充電電流可以是恆定值、線性連續遞 增、非線性連續遞增、階梯波式遞增、線性連續遞減、非線性連續遞減或階梯波式遞減中的 任意一種或者兩種或兩種以上的組合。也就是說，在每個周期中的充電階段，充電電流可以始終為恆定值或者線性連續 遞增等任意一種；也可以是恆定值加線性連續遞增或者是線性連續遞增加階梯波式遞減等 任意兩種組合；或者三種或三種以上的組合。但是，一旦充電電流的模式確定，每個周期都 應當是一致的。針對上述充電模式，所述充電電流的恆定值或者平均值，可以根據I = C/(T/2)來 確定，C為電池組的容量，T為整個充電過程所需要的時間，此時每個周期內充電時間和靜 置時間相等。優選地，所述充電時間或靜置時間可在0. 5分鐘至10分鐘內選擇。針對上述充電模式，或者，充電電流的恆定值或充電電流函數的取值範圍可在 0. SI1-SOI1內選擇，I1為1小時率充電電流，其數值等於以Ah為單位的電池組的容量的數 值。優選地，在每個周期內，充電時間和靜置時間均可在0. 5分鐘至10分鐘內選擇。另外，本發明還提供一種充電機，在該充電機內設有可編程軟體，該軟體根據所輸 入的充電函數，控制充電機輸出所需要的充電電流，以完成本發明的電池組充電管理方法。
圖1是本發明的第一實施方案方波充電方法的示意圖；圖2是本發明的第二實施方案充電電流線性連續遞增的充電方法的示意圖3是本發明的第三實施方案充電電流非線性連續遞增的充電方法的示意圖；圖4是本發明的第四實施方案充電電流線性連續遞減的充電方法的示意圖；圖5是本發明的第五實施方案充電電流非線性連續遞減的充電方法的兩個示意 圖，圖5(a)為充電電流凹形連續遞減的充電方法，圖5(b)為充電電流凸形連續遞減的充電 方法；圖6是本發明的第六實施方案充電電流為階梯波式遞減的充電方法。
具體實施例方式第一實施方案方波充電實施例1、在低溫條件下充電採用方波充電方法，電池組為磷酸鐵鋰電池組，充電環境溫度-20°C，分成兩個獨 立的小組(A小組和B小組)，各小組電池電壓200V，容量75Ah，A、B兩個小組交替充電，即 A小組充電5min，靜置5min(同時B小組靜置5min，充電5min)，充電電流35A。若同時配合 全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過50mV即開始均衡，電池組內 單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續方波充電。電池組循環壽命2650 次(容量為初始容量的80. 5% )，電池組低溫充電無安全事故。如果將電池組的容量設置為C1 (Ah)，理想充電電流I1設定為1小時率充電電流， 那麼I1在數值上就等於Cp針對該實施例，實際充電電流I等於7L/15。對比例、電動汽車用鋰離子電池組以現有充電方法充電相同電池組，並聯充電，採用恆流150A轉恆壓充電方法，電池組室溫充電時間約 1. 5小時充滿，循環壽命800次；電池組在_20°C低溫條件下，無法充電。實施例2、採用方波充電方法，電池組為錳酸鋰電池組，充電環境溫度26°C，電池 組分成兩個獨立的小組(A小組和B小組)，各小組電池電壓200V，容量75Ah，A、B兩個小組 交替充電即A小組充電lOmin，靜置IOmin (同時B小組靜置lOmin，充電lOmin)，充電電流 35A。若同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過35mV即開 始均衡，電池組內單體電池最高和最低電壓差低於20mV時停止均衡，繼續方波充電。電池 組循環壽命1550次(容量為初始容量的80. 2% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I等於7L/15。實施例3、採用方波充電方法，電池組為NCM(鎳鈷錳)三元材料鋰離子電池，充 電環境溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah，方波充電電流1200A，每個方波充電時間 lmin，靜置lmin，然後重複繼續下個方波充電周期。若同時配合全程均衡充電，要求電池組 內單體電池最高和最低電壓差超過50mV即開始均衡，電池組內單體電池最高和最低電壓 差低於IOmV時停止均衡，繼續方波充電，直到電池組充滿電。電池組循環壽命1221次(容 量為初始容量的80.6% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I等於IOIiq第二實施方案充電電流線性連續遞增的周期間歇性充電實施例4 採用充電電流線性連續遞增的充電方法，電池組為NCM(鎳鈷錳)三元 材料鋰離子電池，充電環境溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah，線性連續遞增的充電 電流從30A-120A，充電5min，靜置5min，然後重複繼續下一個充電電流線性連續遞增充電周期。若同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過50mV即開 始均衡，電池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續用線性連續遞增 的電流充電，直到電池組充滿電。電池組循環壽命I860次(容量為初始容量的80. 4% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 25L至II1內。實施例5 採用充電電流線性連續遞增的充電方法，電池組為NCM(鎳鈷錳)三元 材料鋰離子電池，充電環境溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah，線性連續遞增圖形符 合y = 2x函數圖像，其中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值600A，χ為充電 時間，取值區間為0 5min，靜置0. 5min後，重複繼續下一個電流線性連續遞增充電周期。 若同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過50mV即開始均 衡，電池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續充電，直到電池組充 滿電。電池組循環壽命1968次(容量為初始容量的80. 8% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 251!至SI1內。第三實施方案充電電流非線性連續遞增的周期間歇性充電實施例6 採用充電電流非線性連續遞增的充電方法，電池組為磷酸鐵鋰電 池，充電環境溫度26. 5°C，電池組電壓360V，容量120Ah，非線性連續遞增的充電電流從 30A-120A，充電5min，靜置5min，然後重複繼續下一個電流非線性連續遞增的充電周期。若 同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過50mV即開始均衡， 電池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續用非線性連續遞增的電 流充電，直到電池組充滿電。電池組循環壽命3012次(容量為初始容量的80. 0% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 25L至II1內。實施例7 採用充電電流非線性連續遞增的充電方法，電池組為錳酸鋰電池，充電 環境溫度26. 5°C，電池組電壓360V，容量120Ah，電流非線性連續遞增圖形符合y = sinx函 數曲線，其中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值1200A，x為充電時間，取值區 間為0 2min，靜置0. 5min後，重複繼續下一個電流非線性連續遞增的充電周期。若同時 配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過20mV即開始均衡，電池 組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續充電，直到電池組充滿電。電 池組循環壽命1515次(容量為初始容量的80. )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 25L至IOI1內。第四實施方案、充電電流線性連續遞減的周期間歇性充電實施例8 採用充電電流線性連續遞減的充電方法，電池組為NCM(鎳鈷錳)三元 材料鋰離子電池，充電環境溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah，電流線性連續遞減的 圖形符合1 = -2x+2函數圖像，其中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值1200A， χ為充電時間，取值區間為0 5min，靜置0. 5min後，重複繼續下一個電流線性連續減小的 充電周期。若同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過30mV 即開始均衡，電池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續充電，直到 電池組充滿電。電池組循環壽命2019次(容量為初始容量的80. 0% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 25L至IOI1內。第五實施方案充電電流非線性連續遞減的周期間歇性充電實施例9 採用充電電流非線性連續遞減的充電方法，電池組為磷酸鐵鋰電池，充電環境溫度26. 5°C，電池組電壓360V，容量120Ah，電流非線性連續遞減的圖形符合y = 1/ χ函數曲線，其中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值1200A，χ為充電時間，取 值區間為0 2min，靜置0. 5min後，重複繼續下一個電流非線性連續遞減的充電周期。若同 時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過20mV即開始均衡，電 池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續充電，直到電池組充滿電。 電池組循環壽命3321次(容量為初始容量的80. )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 25L至IOI1內。實施例10 採用電流非線性連續遞減的充電方法，電池組為錳酸鋰電池，充電環 境溫度26. 5°C，電池組電壓360V，容量120Ah，電流非線性連續遞減的圖形符合y = cosx函 數曲線，其中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值600A，x為充電時間，取值區間 為0 2min，靜置0. 5min，然後重複繼續下一個電流非線性連續減小的充電周期。若同時 配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過30mV即開始均衡，電池 組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續充電，直到電池組充滿電。電 池組循環壽命1632次(容量為初始容量的80. 2% )。另外，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在0. 2511至511內。第六實施方案充電電流為階梯波式遞減的周期間歇性充電實施例11 充電電流為階梯波式遞減，電池組為LFP(磷酸鐵鋰)電池，充電環境 溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah，階梯波充電電流最大為3600A，分成10個等高階 梯為一個周期，從大電流向小電流依次排列，即第一個階梯為3600A充電0. 5min，第二個階 梯為3270A充電0. 5min,到第十個階梯為360A充電0. 5min,靜置5min後重複繼續下個階 梯波充電周期。若同時配合全程均衡充電，要求電池組內單體電池最高和最低電壓差超過 20mV即開始均衡，電池組內單體電池最高和最低電壓差低於IOmV時停止均衡，繼續方波充 電，直到電池組充滿電。電池組循環壽命1997次(容量為初始容量的80. 3% )。另夕卜，同實施例1所述，在本實施例中，實際充電電流I在311至3011內。本發明不限於上述實施例，只要在本發明的精神範圍之內，即每個周期內設置靜 置階段以消除電池極化，每個周期內的充電函數可以是上述實施例中充電函數的任意組 合，或者上述實施例中充電函數以外的任意充電函數。本發明還提供一種充電機，該充電機內設有可編程軟體，該軟體根據所輸入的充 電函數，控制充電機輸出所需要的充電電流。
權利要求
一種鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，鋰離子電池組以這樣的周期性方式充電，即每個周期由充電階段和靜置階段組成。
2.根據權利要求1所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，在充電過程中，電 源管理系統進行全程均衡，當電池組內電壓為最高值的單體電池與電壓為最低值的單體電 池之間的電壓差超過啟動均衡參數S1時，關閉所設定的充電方法，啟動均衡功能；當電池組 內電壓為最高值的單體電池與電壓為最低值的單體電池之間的電壓差低於關閉均衡參數 S2時，停止均衡功能，繼續所設定的充電方法。
3.根據權利要求2所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，所述啟動均衡 參數S1和所述關閉均衡參數S2均設定成電源管理系統可檢測到的最小電壓精度值的倍 數，所述啟動均衡參數S1必須大於所述關閉均衡參數S2，所述啟動均衡參數S1的值可在 IOmv ^ S1 ^ 50mv的範圍內選擇，所述關閉均衡參數S2的值可在5mv ^ S2 ^ 30mv的範圍 內選擇。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，在 所述每個周期中的充電階段，充電電流可以是恆定值、線性連續遞增、非線性連續遞增、階 梯波式遞增、線性連續遞減、非線性連續遞減或階梯波式遞減中的任意一種或者兩種或兩 種以上的組合。
5.根據權利要求4所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，所述充電電流的 恆定值或者平均值，可以根據I = C/(T/2)來確定，C為電池組的容量，T為整個充電過程所 需要的時間，此時每個周期內充電時間和靜置時間相等。
6.根據權利要求5所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，在每個周期內，所 述充電時間或靜置時間可在0. 5分鐘至10分鐘內選擇。
7.根據權利要求4所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，充電電流的恆定 值或充電電流函數的取值範圍可在0. 25^-301!內選擇，I1為1小時率充電電流，其數值等 於以Ah為單位的電池組的容量的數值。
8.根據權利要求7所述的鋰離子電池組充電管理方法，其特徵在於，在每個周期內，充 電時間和靜置時間均可在0. 5分鐘至10分鐘內選擇。
9.一種充電機，其特徵在於，在該充電機內設有可編程軟體，該軟體根據所輸入的充電 函數，控制充電機輸出所需要的充電電流，以完成根據權利要求1至8所述的鋰離子電池組 充電管理方法。
全文摘要
本發明鋰離子電池組充電管理方法和充電機，涉及鋰離子電池組在動力設備上的應用。為了解決現有技術中鋰離子電池組在安全性、循環壽命及低溫充電能力方面的不足，本發明提供了一種鋰離子電池組充電管理方法，在該方法中，鋰離子電池組以這樣的周期性方式充電，即每個周期由充電階段和靜置階段組成。對於這種充充停停的方法，充電的時候濃差極化、電化學極化大，停電的時候濃差極化、電化學極化由於分子運動很快平衡，從而可以降低或消除電池的極化，大大提高了電池組的安全性、循環壽命和低溫充電能力。這樣的充電方法可應用到電動自行車、電動汽車、電動船、電動飛機、潛艇和魚雷等電動設備的鋰離子電池組上。
文檔編號H02J7/00GK101958562SQ20101019582
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月9日 優先權日2009年12月1日
發明者佀海, 俞會根, 林逸, 詹文章 申請人:北京汽車新能源汽車有限公司