專利名稱：鋰離子電池組的充電管理方法及充電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用在電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)船、電動(dòng)飛機(jī)、潛艇和魚雷等電動(dòng) 設(shè)備上的鋰離子電池組的充電管理方法及所用到的充電機(jī)。
背景技術(shù)：
鋰離子電池除了應(yīng)用到手機(jī)、MP3、MP4等簡(jiǎn)單手持設(shè)備外，還可以應(yīng)用到很多電動(dòng) 設(shè)備上，但因其額定電壓和這些電動(dòng)設(shè)備的額定電壓相差甚遠(yuǎn)，所以必須串并聯(lián)成電池組 工作。電池組在串并聯(lián)工作條件下，單體電池內(nèi)阻、容量、電壓、溫度、自放電等參數(shù)存在一 致性差異，會(huì)極大地影響電池組的工作效率，特別在極端(如大電流，低溫等)放電條件下， 相對(duì)較差的單體電池會(huì)加速劣化，影響電池組的壽命，同時(shí)最終導(dǎo)致劣化電池反極，出現(xiàn)安 全問題。循環(huán)壽命是電池組使用的一個(gè)瓶頸，鈷酸鋰為正極材料的鋰離子單體電池，循環(huán) 壽命800次；三元材料為正極的鋰離子單體電池，循環(huán)壽命1000次；磷酸鐵鋰為正極材料 的鋰離子單體電池，循環(huán)壽命3000次；但鈷酸鋰電池很少做成動(dòng)力電池，主要原因是安全 性問題，三元材料電池組，目前循環(huán)壽命不超過500次，磷酸鐵鋰電池組，循環(huán)壽命也不超 過800次，其主要原因是單體電池之間存在一致性差異。鋰離子電池使用的另一個(gè)瓶頸是低溫充電。由于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(yīng)用到電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等設(shè)備上。但在北方的冬 天，室外溫度較低，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，都是由電池極化及其一致性差弓丨起的。由于電池組是在電源管理系統(tǒng)BMS (Battery Management System)的管理下工作 的，且電池組工作的時(shí)候以最差的電池為標(biāo)準(zhǔn)，即電池組充電時(shí)，當(dāng)最差的電池充滿了但其 它電池還沒有充滿，管理系統(tǒng)默認(rèn)電池組已經(jīng)充滿；同樣，當(dāng)電池組放電時(shí)，最差的電池放 完電但其它電池沒有放完電時(shí)，管理系統(tǒng)默認(rèn)電池組已經(jīng)放完電，所以電池一致性差，將導(dǎo) 致電池的循環(huán)壽命短。由于管理系統(tǒng)精度等方面的原因，電池組充電時(shí)，最差的電池極有可 能過充；同樣，電池組放電時(shí)，最差的電池放完電但其它電池沒有時(shí)，極有可能導(dǎo)致最差電 池過放，而過充和過放會(huì)引起電池的安全性問題，所以電池一致性差，將導(dǎo)致電池的安全性 降低。另外，在低溫條件下，分子運(yùn)動(dòng)降低，一致性差的電池極化差別更大，充電能力更差。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，發(fā)明人提出了一種新的充電管理方法，如下所述一種鋰離子電池組的充電管理方法，鋰離子電池組的充電方式呈周期性，即每個(gè) 周期都包括充電電流遞增階段和充電電流遞減階段。所述的每個(gè)周期內(nèi)的充電電流可以先遞增，然后再遞減，也可以是先遞減，然后再 遞增。在現(xiàn)有技術(shù)中，先用恒流充電，等到了截止電壓后改為恒壓充電，等電流降低到截止電流后，電池充滿電。但在本發(fā)明中，每個(gè)周期內(nèi)的電流都有一個(gè)遞增和遞減的階段，而 電池組在充電電流遞增階段所產(chǎn)生的濃差極化大多都能在其后充電電流遞減階段因分子 運(yùn)動(dòng)而降低或者消除。在現(xiàn)有技術(shù)中，電池低溫充電性能差，主要是因?yàn)殡姵卦诘蜏貤l件下離子遷移較 慢，充電極化增大，采用本發(fā)明的充電方法，可以降低或消除電池的極化，進(jìn)而提高了電池 低溫充電能力。在電池安全性方面，采用本發(fā)明的充電方法，可以減小電池極化，從而降低 電池充電時(shí)負(fù)極表面形成鋰枝晶的可能性，進(jìn)而降低電池內(nèi)部短路的可能性，提高安全性。 在循環(huán)壽命方面，實(shí)施數(shù)據(jù)顯示，循環(huán)壽命大都可得到很大改善。優(yōu)化地，在充電過程中，電源管理系統(tǒng)進(jìn)行全程均衡，當(dāng)電池組內(nèi)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(dòng)均衡充電參數(shù)S1時(shí)，停止以所 設(shè)定的充電方法充電，啟動(dòng)均衡功能；當(dāng)電池組內(nèi)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于關(guān)閉均衡充電參數(shù)S2時(shí)，關(guān)閉均衡功能，繼續(xù)以設(shè)定的充 電方法充電。全程均衡充電，能夠有效地解決電池一致性差的問題。這樣，在解決電池極化的同 時(shí)又解決了一致性差的問題，進(jìn)而在延長(zhǎng)電池組的循環(huán)壽命的同時(shí)也提高了其低溫充電的 能力。優(yōu)選地，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1和所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2均設(shè)定成電源管理系統(tǒng)可檢 測(cè)到的最小電壓精度值的倍數(shù)，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1必須大于所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2，所述 啟動(dòng)均衡參數(shù)S1的值可在IOmv ^ S1 ^ 50mv的范圍內(nèi)選擇，所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2的值可 在5mv ^ S2 ^ 30mv的范圍內(nèi)選擇。進(jìn)一步地，在所述充電電流遞增階段，充電電流可以呈階梯波式遞增、線性連續(xù)遞 增或者非線性連續(xù)遞增中的任意一種；在所述充電電流遞減階段，充電電流可以呈階梯波 式遞減、線性連續(xù)遞減或者非線性連續(xù)遞減中的任意一種。這樣，每個(gè)周期為階梯波式遞增 和階梯波式遞減，或者線性連續(xù)遞增和線性連續(xù)遞減或者非線性連續(xù)遞增和非線性連續(xù)遞 減中的任意一種，也可以是階梯波式遞增和線性連續(xù)遞減，階梯波式遞增和非線性連續(xù)遞 減，階梯波式遞減和線性連續(xù)遞增，階梯波式遞減和非線性連續(xù)遞增，線性連續(xù)遞增和非線 性連續(xù)遞減，線性連續(xù)遞減和非線性連續(xù)遞增等混合搭配。針對(duì)上述充電模式，在所述每個(gè)周期內(nèi)，可根據(jù)I = C/T確定充電電流的平均值， 其中，C為電池組的容量，T為電池組總的充電過程所需的時(shí)間，此時(shí)每個(gè)周期內(nèi)充電電流 遞增階段和充電電流遞減階段的時(shí)間相等，所述充電電流遞增階段或充電電流遞減階段的 時(shí)間可優(yōu)選設(shè)定在0到10分鐘之間。針對(duì)上述充電模式，在所述每個(gè)周期之間設(shè)置有靜置階段。所述的靜置階段可以 設(shè)置在充電周期前也可以設(shè)置在充電周期后。所述靜置階段的時(shí)間可優(yōu)選設(shè)定在0. 5分鐘 至10分鐘之間?；蛘撸瑢?duì)于上述充電模式，在所述每個(gè)周期內(nèi)，充電電流的電流值可在0-301工內(nèi)選 擇，I1為1小時(shí)率充電電流，其數(shù)值等于以AH為單位的電池組的容量的數(shù)值。此時(shí)，所述充 電電流遞增階段和充電電流遞減階段的時(shí)間可優(yōu)選設(shè)定在0到10分鐘之間。為了完成本發(fā)明所提出的充電管理方法，發(fā)明人同時(shí)還提供了一種充電機(jī)，在該 充電機(jī)內(nèi)設(shè)有可編程軟件，該軟件可根據(jù)所輸入的充電函數(shù)，控制充電機(jī)輸出所需要的充電電流。


圖1本發(fā)明的第一實(shí)施方案充電電流為階梯波式遞增和階梯波式遞減為一個(gè)充 電周期的充電方法；圖2本發(fā)明的第二實(shí)施方案充電電流為線性連續(xù)遞增和線性連續(xù)遞減為一個(gè)充 電周期的充電方法，其中圖2a為充電電流先進(jìn)行線性連續(xù)遞增后進(jìn)行線性連續(xù)遞減的充 電方法，圖2b為充電電流先進(jìn)行線性連續(xù)遞減再進(jìn)行線性連續(xù)遞增的充電方法；圖3本發(fā)明的第三實(shí)施方案充電電流為非線性連續(xù)遞增和非線性連續(xù)遞減為一 個(gè)充電周期的充電方法，圖3a為充電電流非線性連續(xù)遞增后遞減充電方法，圖3b為充電電 流非線性連續(xù)遞減后再進(jìn)行非線性連續(xù)遞增的充電方法。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的精神，可以采用每個(gè)充電周期緊接著下一個(gè)充電周期的方法。也可 以采用在每個(gè)充電周期之間設(shè)置一個(gè)靜置階段，以更好地降低或消除電池的極化。為了簡(jiǎn)化，下面僅說明設(shè)置有靜置階段的方案。實(shí)施方案一、充電電流為階梯波式遞增和階梯波式遞減為一個(gè)充電周期的充電方 法實(shí)施例1、電動(dòng)自行車用鋰離子蓄電池組充電方法采用如圖1所示的充電電流為階梯波式遞增和階梯波式遞減為一個(gè)充電周期的 充電方法，電池組采用錳酸鋰電池，電壓48V，容量12Ah，充電電流I最大為12A，分成10個(gè) 等高階梯，、為lOmin，、-、為lOmin，靜置lOmin，然后重復(fù)繼續(xù)下一個(gè)充電電流階梯波式 遞增后再遞減的充電周期。若同時(shí)配合全程均衡充電，要求電池組內(nèi)單體電池最高和最低 電壓差超過50mV即開始均衡，電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差低于IOmV時(shí)停止均衡， 繼續(xù)階梯波充電。電池組在新出廠條件下一致性較好，采用一定電流3小時(shí)充滿電，電池組 循環(huán)壽命達(dá)到1200次(容量為初始容量的81% )后，需要6. 5小時(shí)才能充滿電。比較例一、電動(dòng)自行車用鋰離子電池組充電方法采用恒流12A轉(zhuǎn)恒壓充電方法，電池組采用錳酸鋰正極材料，標(biāo)稱電壓48V，容量 12Ah，電池組充電時(shí)間1. 5小時(shí)充滿，循環(huán)壽命為300次。實(shí)施方案二、充電電流為線性連續(xù)遞增和線性連續(xù)遞減為一個(gè)充電周期的充電方 法實(shí)施例2、電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池組充電電流線性連續(xù)遞增后再進(jìn)行線性連續(xù) 遞減的充電方法如圖2a所示，電池組為NCM (鎳鈷錳)三元材料鋰離子電池，充電環(huán)境溫度26°C， 電池組電壓360V，容量120Ah，線性連續(xù)遞增充電電流從30A-120A，時(shí)間3min，線性連續(xù)遞 減充電電流從120A-30A，時(shí)間3min，靜置5min，然后重復(fù)繼續(xù)下一個(gè)充電電流線性連續(xù)遞 增后遞減的充電周期。若同時(shí)配合全程均衡充電，要求電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓 差超過50mV即開始均衡，電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差低于IOmV時(shí)停止均衡，繼續(xù) 充電電流線性連續(xù)遞增后遞減充電，直到電池組充滿電。電池組循環(huán)壽命2120次(容量為初始容量的80. 1% )。實(shí)施例3、如圖2a所示，采用充電電流線性連續(xù)遞增后再進(jìn)行線性連續(xù)遞減的充 電方法，電池組為L(zhǎng)FP (磷酸鐵鋰)電池，充電環(huán)境溫度26°C，電池組電壓360V，容量120Ah， 充電電流線性連續(xù)遞增圖形符合y = 2x方程，線性連續(xù)遞減圖形符合y = -2x+2方程，其 中y為充電電流，最小電流取值30A，最大電流取值1800A，χ為充電時(shí)間，取值區(qū)間為0 5min,靜置0. 5min后，重復(fù)繼續(xù)下一個(gè)充電電流線性連續(xù)遞增后遞減的充電周期。若同時(shí) 配合全程均衡充電，要求電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差超過30mV即開始均衡，電池 組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差低于IOmV時(shí)停止均衡，繼續(xù)充電電流線性連續(xù)遞增后遞 減充電，直到電池組充滿電。電池組循環(huán)壽命2333次(容量為初始容量的80. 2% )。實(shí)施例4、如圖2b所示，也可以采用充電電流先進(jìn)行線性連續(xù)遞減再進(jìn)行線性連 續(xù)遞增的充電方法。實(shí)施方案三、充電電流為非線性連續(xù)遞增和非線性連續(xù)遞減為一個(gè)充電周期的充 電方法實(shí)施例5、電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池組充電電流非線性連續(xù)遞增后再進(jìn)行非線性 連續(xù)遞減的充電方法如圖3a所示，電池組為錳酸鋰電池，充電環(huán)境溫度26. 5°C，電池組電壓360V，容量 120Ah，非線性連續(xù)遞增充電電流從30A-120A，充電時(shí)間3min，非線性連續(xù)遞減充電電流從 120A-30A，充電時(shí)間3min，靜置5min，然后重復(fù)繼續(xù)下一個(gè)充電電流非線性連續(xù)遞增后遞 減的充電周期。若同時(shí)配合全程均衡充電，要求電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差超過 50mV即開始均衡，電池組內(nèi)單體電池最高和最低電壓差低于IOmV時(shí)停止均衡，繼續(xù)充電電 流非線性連續(xù)遞增后遞減充電，直到電池組充滿電。電池組循環(huán)壽命1522次(容量為初始 容量的80. 3% )。實(shí)施例6如圖3b所示，對(duì)于充電電流為非線性連續(xù)遞減后再進(jìn)行非線性連續(xù)遞增的充電 方法，效果也是很好的。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不限于上述實(shí)施例，例如充電電流的最大值可達(dá)到30、，其中 I1為1小時(shí)率充電電流，其數(shù)值等于以Ah為單位的電池組的容量的數(shù)值。另外，所述啟動(dòng) 均衡參數(shù)S1和所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2均設(shè)定成電源管理系統(tǒng)可檢測(cè)到的最小電壓精度值的 倍數(shù)，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1必須大于所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1可在IOmv 至50mv之間選擇，所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2可在5mv至30mv之間選擇。
權(quán)利要求
一種鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，鋰離子電池組的充電方式呈周期性，每個(gè)周期包括充電電流遞增階段和充電電流遞減階段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，在充電過程中， 電源管理系統(tǒng)進(jìn)行全程均衡，當(dāng)電池組內(nèi)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(dòng)均衡充電參數(shù)S1時(shí)，停止以所設(shè)定的充電方法充電，啟動(dòng)均衡 功能；當(dāng)電池組內(nèi)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于 關(guān)閉均衡充電參數(shù)S2時(shí)，關(guān)閉均衡功能，繼續(xù)以設(shè)定的充電方法充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，所述啟動(dòng)均衡 參數(shù)S1和所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2均設(shè)定成電源管理系統(tǒng)可檢測(cè)到的最小電壓精度值的倍 數(shù)，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1必須大于所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2，所述啟動(dòng)均衡參數(shù)S1的值可在 IOmv ^ S1 ^ 50mv的范圍內(nèi)選擇，所述關(guān)閉均衡參數(shù)S2的值可在5mv ^ S2 ^ 30mv的范圍 內(nèi)選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任意一項(xiàng)所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在 于，在所述充電電流遞增階段，充電電流可以呈階梯波式遞增、線性連續(xù)遞增或者非線性連 續(xù)遞增中的任意一種；在所述充電電流遞減階段，充電電流可以呈階梯波式遞減、線性連續(xù) 遞減或者非線性連續(xù)遞減中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，在所述每個(gè)周 期內(nèi)，可根據(jù)I = c/τ確定充電電流的平均值，其中，C為電池組的容量，T為電池組總的充 電過程所需的時(shí)間，此時(shí)每個(gè)周期內(nèi)充電電流遞增階段和充電電流遞減階段的時(shí)間相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，所述充電電流 遞增階段或充電電流遞減階段的時(shí)間可設(shè)定在0至10分鐘之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在 于，在所述每個(gè)周期之間設(shè)置有靜置階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，所述靜置階段 的時(shí)間可設(shè)定在0. 5分鐘至10分鐘之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，在所述每個(gè)周 期內(nèi)，充電電流的電流值可在(KBOI1內(nèi)選擇，、為1小時(shí)率充電電流，其數(shù)值等于以AH為 單位的電池組的容量的數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋰離子電池組的充電管理方法，其特征在于，所述充電電流 遞增階段和充電電流遞減階段的時(shí)間可設(shè)定在0到10分鐘之間。
11.一種充電機(jī)，其特征在于，在該充電機(jī)內(nèi)設(shè)有可編程軟件，該軟件根據(jù)所輸入的充 電函數(shù)，控制充電機(jī)輸出所需要的充電電流，以完成根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的鋰離子電 池組的充電管理方法。
全文摘要
本發(fā)明鋰離子電池組充電管理方法及充電機(jī)，涉及鋰離子電池組在電動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中鋰離子電池組因極化和一致性差導(dǎo)致的循環(huán)壽命短、安全性差以及低溫充電能力差的問題，本發(fā)明提出了一種鋰離子電池組充電管理方法，該方法中，鋰離子電池組采用周期性充電模式，且每個(gè)周期包括充電電流遞增和充電電流遞減階段。這樣，電池組在電流遞減充電階段可以將電流遞增充電階段產(chǎn)生的濃差極化和電化學(xué)極化降低或者消除，進(jìn)而就可以大大提高電池組的循環(huán)壽命、安全性以及低溫充電能力。本發(fā)明涉及應(yīng)用在電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)船、電動(dòng)飛機(jī)、潛艇和魚雷等電動(dòng)設(shè)備上的鋰離子電池組的充電管理方法。
文檔編號(hào)H01M10/42GK101958437SQ20101019582
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者佀海, 俞會(huì)根, 林逸, 詹文章 申請(qǐng)人:北京汽車新能源汽車有限公司