CN101814640A

CN101814640A - 改进型动力锂离子电池cc-cv充电方法

Info

Publication number: CN101814640A
Application number: CN201010167742A
Authority: CN
Inventors: 冯大明; 刘飞; 阮旭松; 张维戈; 王占国; 文锋; 温家鹏
Original assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Current assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: CN101814640B

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法。所述充电方法，首先采用0.1C~0.3C电流对锂离子电池进行预充电；当充电容量达到电池总容量的5％时，提升充电电流进入恒流充电阶段；当电池极化电压突变时，进入恒压充电阶段；所述电池在环境温度为20-45℃时，恒流阶段采用的充电电流公式为I_CC＝K_C×C_A；K_C表示电池的常温充放电倍率系数，C_A表示电池的实际容量，通常Kc取0.5~1。所述方法充分考虑电池外特性参数，兼顾电池充电效率和使用寿命。

Description

改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及锂离子电池的充电方法。

背景技术

目前，动力锂离子电池普遍采用传统的先恒流再恒压(CC-CV)充电方式。这种方式中，恒流阶段采用固定的低倍率电流(一般为0.3C)对电池进行充电，当达到充电电压上限限值(一般为4.2V)时，再转换为恒压限流的方式，保持充电电压不变逐步降低充电电流，至充电电流降至足够小(一般为0.05C)则完成充电过程。这种传统CC-CV充电方式存在如下缺点：(1)由于在电池充电初始阶段，电池的极化现象非常明显，充电过程中极化电压增加很快。传统CC-CV充电方式并没有考虑电池初始状态变化，开始充电阶段就采用大电流(0.3C-1C)进行充电，造成在充电初期极化电压的迅速上升，导致电池的使用寿命缩短。(2)CC-CV充电过程中，恒流充电过程是电池的快速充电过程，恒流充电的主要目的是提高电池的充电电流，在尽量短的时间内充入较多容量，实现充电的快速性。但是传统CC-CV充电方式的恒流充电过程，由于采用充电电流倍率低(0.3C-0.4C)，并不能充分发挥动力锂离子电池的高倍率特性，导致实际电池的充电时间过长，电池的利用效率降低。(3)恒流转恒压是CC-CV充电的关键点，恒流转恒压意味着电池快速充电的结束，满充过程的开始。依据电池的两端效应可知，在恒压阶段，通过降低充电电流的方式，降低电池的极化电压，实现在上限电压允许情况下达到最大的充电容量。传统CC-CV充电方法恒流转恒压的起始点一般选择在电池端电压达到上限电压的时刻。然而，电池极化电压已经在这个时刻之前发生突变，达到了较大幅值。因此，传统恒压充电阶段多是在极化电压较高点进行恒压充电，端电压保持很高完成充电，使电池寿命受到很大影响。而且在这个阶段，极化电压变化率较高，电池的端电压控制空间较小，加之电池极化现象的滞后性，电池端电压很难长期控制在上限电压以下充电，因此，电池的电流下降过程很快，直接影响电池充电容量，延长了恒压充电时间。(4)未考虑充电温度和电池容量的影响。传统CC-CV充电方法，环境温度变化，而充电电流固定不变，这对充电效率影响很大；当电池出现容量衰退后，相同倍率对应的充电电流也会发生变化，如果采用原额定容量对应的电流对电池进行充电，电池的极化现象和发热现象严重。因此，需要对老化后的电池进行容量修正，同时对充电电流进行修正，才能保证电池充电的安全性和无损性。

综上所述，对动力锂离子电池采用传统的CC-CV充电方式存在诸多问题，亟待改进和解决。

发明内容

本发明需解决的问题是针对动力锂离子电池特性提供一种改进型CC-CV充电方法，有效提高电池的充电容量和充电效率，兼顾电池长寿命与高效利用。

为解决上述问题，本发明所采取的基本技术方案为：改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法，其步骤为：

(1)首先采用0.1C~0.3C电流对锂离子电池进行预充电；

(2)当充电容量达到电池总容量的5％时，提升充电电流进入恒流充电阶段；

(3)当电池极化电压突变时，进入恒压充电阶段。

具体的，所述恒流充电阶段的电流取I_CC＝(K_T×K_C)×(K_A×C_N)＝K_C′×C_A，其中，K_C′表示电池的实际倍率系数，K_C′＝K_C×K_T，K_C为电池常温充放电倍率，K_T为电池的温度系数；C_A表示电池的实际容量，C_A＝K_A×C_N，C_N为电池的额定容量，K_A为电池的容量衰退系数。

所述电池在环境温度为20-45℃时，电池的温度系数取K_T＝1，电池常温充放电倍率取K_C＝(0.5～1)。

与现有技术相比，所述方法充分考虑电池外特性参数，兼顾电池充电效率和使用寿命，其具体有益效果为：(1)所述充电方法的预充电过程能够缓解电池极化电压上升率，将电流应力降到最低，避免在初始阶段电池由于电流接受能力较弱造成的容量损失和极化增加；(2)所述方法根据外界温度适当调整恒流充电阶段电流，进一步提高电池充电安全性和充电效率；(3)所述方法选择电池极化电压的突变拐点作为恒流阶段进入恒压阶段的起始点，使极化电压平台降低，降低了恒压阶段的充电电压，增加了恒压阶段充电电流的调整空间，有效延长电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述改进方法充电曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述充电方法，步骤如下：

(一)采用0.1C~0.3C电流对锂离子电池进行预充电。

动力锂离子电池在充电初始阶段极化电压增加很快，预充电能够缓解极化电压上升率，将电流应力降到最低，避免在初始阶段电池由于电流接受能力较弱造成的容量损失和极化增加。在预充电环节中，电池的充电电流采用0.1C最佳，当充电容量达到5％时，电池的充电电流升高进入恒流充电阶段。

(二)进入恒流充电。电池的倍率特性是受温度影响的，环境温度在20℃-45℃之间时，电池的导流性和倍率特性均较好；而在0℃以下或50℃以上时，电池内部活性物质两极现象明显：低温时电池活性较弱，电池极化内阻较大，嵌锂困难；高温情况电池活性太强，两极不稳定，易发生热失控和容量衰退，因此，恒流充电阶段的充电电流需要随温度进行适当的修正。

本发明恒流充电电流修正表达式：I_CC＝K_C×C_N；其中K_C表示电池的常温充放电倍率系数，C_N表示电池的额定容量。

当电池从预充电进入恒流充电后，首先根据实际电池容量衰退系数K_A修正电池的实际容量，电池的实际容量等于电池的额定容量C_N乘以电池的容量衰退系数K_A，即C_A＝K_A×C_N。

其次根据电池的温度修正电池的充放电倍率，电池实际的充放电倍率等于电池常温充放电倍率乘以电池的温度系数K_T，即K_C′＝K_C×K_T；

经过两步修正后，可得到恒流充电电流的最终表达式为：

I_CC＝(K_T×K_C)×(K_A×C_N)＝K_C′×C_A；

其中0＜K_T＜1，0＜K_C＜1，0＜K_A＜1，K_C′表示电池的实际倍率系数，C_A表示电池的实际容量。

上式中电池的充电倍率特性由温度决定，温度不同时，电池充电倍率不同；电池的实际容量决定于电池的容量衰退系数，不同老化程度的电池，实际容量有差异。

电池在最佳温度(20℃-45℃)情况下，电池的温度系数K_T＝1，最佳温度充电电流为：

I_CC＝K_C×(K_A×C_N)＝K_C×C_A，则充电电流决定于电池的最佳倍率系数和实际容量。

因此，本发明在外界温度为20℃-45℃时，恒流阶段采用的充电电流公式为I_CC＝K_C×C_A；K_C表示电池的常温充放电倍率系数，C_A表示电池的实际容量，通常Kc取0.5-1。

(三)当电池极化电压突变时，进入恒压充电阶段。选择电池极化电压的突变拐点作为恒流阶段进入恒流阶段的起始点，可以降低电池的充电上限电压，进而缩短电池的充电时间，延长电池的使用寿命。

本发明采用下述方式对电池极化电压进行在线识别：

(1)内阻计算：处于恒流充电状态的电池突然停充电时，测试电池的瞬时电压跌落和电池的恢复过程，根据静置识别法原理，任取两点电压和电流值，得到电池内阻R_d＝(V₁-V₂)/(I₁-I₂)。

(2)OCV-SOC(电池开路电压与剩余容量)曲线处理：通过实验对电池的OCV-SOC特性曲线进行有序间隔点测量，并依据测量点对整个OCV-SOC曲线进行分段线性化处理，可得：

U_{OCV} = f (SOC) = \{\begin{matrix} H (0) \times soc + B (0); & 0 < soc \leq 5 \\ H (1) \times soc + B (1); & 5 < soc \leq 10 \\ M & M \\ H (18) \times soc + B (18); & 90 < soc \leq 95 \\ H (19) \times soc + B (19); & 95 < soc \leq 100 \end{matrix}

上式为SOC的分段函数，其能够对电池开路电压曲线进行分段线性描述，简化曲线的复杂性。其中H(i)，B(i)，i＝0，1，2……19分别为各段曲线的斜率和在Y轴上的截距。

(3)极化电压在线跟踪：通过测量电池的端电压，估算电池的荷电状态SOC，利用开路电压曲线，可得：U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d，其中，U_OCV电池的开路电压，U_R为欧姆压降。因此，通过此式实时在线计算电池的极化电压U_p。

本发明通过上述三步对电池的极化电压进行在线跟踪识别，判断极化电压的实时状态，选择极化电压平台后期的突变点作为降电流的时间点。

如图1，为本发明所述改进方法充电曲线图。从图可以看出，本发明所述改进型CC-CV充电方法兼顾了电池充电效率和充电寿命，其通过在电池充电起始阶段及结束的恒压充电阶段电压进行限制，减弱了电池两端效应对电池寿命的影响；同时在电池荷电量高时增大充电电流，提高电池充电效率。

Claims

1.改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法，其步骤为：

(1)首先采用0.1C~0.3C电流对锂离子电池进行预充电；

(3)当电池极化电压突变时，进入恒压充电阶段。

2.根据权利要求1所述的改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法，其特征在于：所述恒流充电阶段的电流I_CC＝(K_T×K_C)×(K_A×C_N)＝K_C′×C_A，其中，K_C′表示电池的实际倍率系数，K_C′＝K_C×K_T，K_C为电池常温充放电倍率，K_T为电池的温度系数；C_A表示电池的实际容量，C_A＝K_A×C_N，C_N为电池的额定容量，K_A为电池的容量衰退系数。

3.根据权利要求2所述的改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法，其特征在于：所述电池在环境温度为20-45℃时，电池的温度系数取K_T＝1，电池常温充放电倍率取K_C＝(0.5～1)。

4.根据权利要求1所述的改进型动力锂离子电池CC-CV充电方法，其特征在于：步骤(3)所述的电池极化电压突变点的识别方法是：

a、测量并计算电池内阻；

b、对电池的外电压OCV-SOC特性曲线进行有序间隔点测量，依据测量点将OCV-SOC曲线进行分段线性化处理，得SOC的分段函数：

U_{OCV} = f (SOC) = \{\begin{matrix} H (0) \times soc + B (0); & 0 < soc \leq 5 \\ H (1) \times soc + B (1); & 5 < soc \leq 10 \\ M & M \\ H (18) \times soc + B (18); & 90 < soc \leq 95 \\ H (19) \times soc + B (19); & 95 < soc \leq 100 \end{matrix}

其中H(i)，B(i)，i＝0，1，2……19分别为各段曲线的斜率和截距；

c、根据U_P＝U_O-U_OCV-U_R＝U_O-f(SOC)-I×R_d实时在线计算电池的极化电压U_p，U_OCV电池的开路电压，U_R为欧姆压降，识别极化电压突变点。