CN105098272A - 一种安全的锂二次电池充电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种安全的锂二次电池充电方法及装置。方法包括如下步骤：步骤S110，获取锂离子电池的内部实际温度T实，根据T实调取对应的充电模式；步骤S120，根据步骤S110的充电模式，对锂离子电池进行充电；步骤S130，锂离子电池充电达到额定容量值，完成充电。装置包括电池组、充电器、负载、BMS、主控单元。充电器与电池组连接，负载与电池组连接，BMS分别与电池组及主控单元连接，主控单元分别与充电器及负载连接。此安全的锂二次电池充电方法及装置，即可满足高寒条件下的充电，还可以满足高温条件下的充电，具有较宽的充电温度范围，可以接受严酷环境和苛刻条件所带来的挑战，具有较高的安全性。

Description

一种安全的锂二次电池充电方法及装置
技术领域
本发明涉及锂离子电池充电技术领域，特别是涉及一种安全的锂二次电池充电方法及装置。
背景技术
电动汽车的快速发展对充电***提出了更高的要求，电动汽车在室外运行时，电池一直处于充电和放电状态，需要对电池进行高安全性和高可靠性的细致化管理。特别是在使用高比能量的锂离子电池时，不仅要保证锂离子电池在常温条件下可靠使用，而且还要保证锂离子电池在高寒、高温条件下可靠使用，以接受严酷环境所带来的挑战。
由于锂电池在低温条件下充电容易在负极析出锂的晶体而导致内部短路，产生安全隐患，且当充电电流越大的时候，这种安全隐患就越严重。锂离子电池在低温下，电芯电极的反应非常缓慢，电解液会凝固，电池性能低，充电时间缩短，实际充电的电量很少，使用时电池的实际性能远远低于电池标定电量，使得电池的正常使用时间大大缩短。现有的技术方案中，主要是采用加热管理的方法来解决上述安全隐患，此种采用加热管理的方法在户外运行的电动汽车上难以实施。
此外，锂离子电池在高温条件下，其电芯电极的反应非常活跃，如果继续对其进行正常电流充电或高电流充电，会进一步提高锂离子电池内部的温度，加剧了电池***的风险。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种高安全性的安全的锂二次电池充电方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种安全的锂二次电池充电方法，包括如下步骤：
步骤S110，获取锂离子电池的内部实际温度T实，根据T实调取对应的充电模式，
将充电模式的温度范围划分为T实＝(-∞，-40℃】、T实＝(-40℃，-10℃)、T实＝【-10℃，0℃)、T实＝【0℃，5℃)、T实＝【5℃，15℃)、T实＝【15℃，45℃)、T实＝【45℃，50℃)、T实＝【50℃，70℃)、T实＝【70℃，+∞)，
步骤S120，根据步骤S110的充电模式所对应的温度范围，对锂离子电池进行充电，
T实＝(-∞，-40℃】，对锂离子电池停止充电，
T实＝(-40℃，-10℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，
T实＝【-10℃，0℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，
T实＝【0℃，5℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，
T实＝【5℃，15℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，
T实＝【15℃，45℃)，对锂离子电池以恒定充电速率充电，
T实＝【45℃，50℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，
T实＝【50℃，70℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，
T实＝【70℃，+∞)，对锂离子电池停止充电；
步骤S130，锂离子电池充电达到额定容量值，完成充电。
优选的，锂离子电池的内部实际温度T实＝T表+△T，T表为锂离子电池的表面温度，△T为温度范围调节值，通过温度范围调节值表获得。
优选的，
T实＝(-40℃，-10℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C1充电t1时间，然后以速率0停止充电t充停时间，接着以速率C2放电t2时间，再以速率0停止放电t放停时间，并如此反复，
其中，Q1＝C1×t1，Q2＝C2×t2，Q1＞Q2，Q1为充电量，Q2为放电量，
T实＝【-10℃，0℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C3充电t3时间，然后以速率0停止充电t充停‘时间，接着以速率C4放电t4时间，再以速率0停止放电t放停‘时间，并如此反复，
其中，Q3＝C3×t3，Q4＝C4×t4，Q3＞Q4，Q3为充电量，Q4为放电量，
且，C1＜C3。
优选的，C1＝C2+△C1，△C1为充电速率范围调节值。
优选的，C1＝0.05C，△C1＝0.01C。
优选的，C3＝C4+△C2，△C2为速率范围调节值。
优选的，C3＝0.1C，△C2＝0.03C。
优选的，
T实＝【0℃，5℃)，对锂离子电池以C5＝0.03T实+0.05的速率充电，
T实＝【5℃，15℃)，对锂离子电池以C6＝0.02T实+0.1的速率充电，
T实＝【15℃，45℃)，对锂离子电池以C7＝【1C，3C】之间的一个恒定速率充电，
T实＝【45℃，50℃)，对锂离子电池以C8＝－0.04T实+2.2的速率充电，
T实＝【50℃，70℃)，对锂离子电池以C9＝－0.0075T实+0.575的速率充电。
一种安全的锂二次电池充电装置，包括：电池组、充电器、负载、温度检测模块、BMS、主控模块，所述BMS具有温度调节单元；
所述充电器与所述电池组连接，所述充电器用于为所述电池组充电；
所述负载与所述电池组连接，所述负载用于为所述电池组放电；
所述BMS通过所述温度检测模块与所述电池组连接，所述温度检测模块用于检测所述电池组的表面温度T表，并将表面温度T表发送至所述BMS，所述BMS的所述温度调节单元对表面温度T表进行处理，得到内部实际温度T实；
所述BMS与所述主控模块连接，所述BMS将内部实际温度T实发送至所述主控模块；
所述主控模块与所述充电器及所述负载连接，所述主控模块根据内部实际温度T实启动相应的控制指令，控制所述充电器对所述电池组充电，或控制所述负载对所述电池组放电。
优选的，所述主控模块具有(-∞，-40℃】控制单元、(-40℃，-10℃)控制单元、【-10℃，0℃)控制单元、【0℃，5℃)控制单元、【5℃，15℃)控制单元、【15℃，45℃)控制单元、【45℃，50℃)控制单元、【50℃，70℃)控制单元、【70℃，+∞)控制单元，各温度区间的控制单元设有相应的控制指令。
当T实＝(-40℃，-10℃)，或T实＝【-10℃，0℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，实现“充电—停止(静置)—放电—停止(静置)—充电”的循环模式，充电电量略大于放电电量，随着这种充电过程的进行，锂电池的温度会逐渐上升，然后根据温度上升的区间，转换为相应的充电模式。在这种模式下，“停止(静置)”过程有利于充放电过程的去极化，防止“锂枝晶”的生成。
充电电量略大于放电电量，即Q1＞Q2，可以更好保护锂电池。设定充电时间、放电时间、停止充放时间相同，使得C1＞C2，C3＞C4，从而满足Q1＞Q2，Q3＞Q4。设定一个充电速率范围调节值△C1、△C2，以满足C1＝C2+△C1，C3＝C4+△C2。
当T实＝【0℃，5℃)，或T实＝【5℃，15℃)，由于锂离子电池处于低温状态，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，也即是，在这一温度区间，随着温度的降低，对锂离子电池的充电速率逐渐降低。
当T实＝【45℃，50℃)，或T实＝【50℃，70℃)，由于锂离子电池已处于高温状态，在这一温度区间，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，可降低电芯电极的反应，降低锂离子电池内部的温度，减少锂电池发生***的风险。
此种安全的锂二次电池充电方法，即可满足高寒条件下的锂电池充电，还可以满足高温条件下的锂电池充电，具有较宽的充电温度范围，可以较好接受严酷环境和苛刻条件所带来的挑战，具有较高的安全性。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种安全的锂二次电池充电方法在T实＝(-40℃，-10℃)范围内的充电模式图；
图2为本发明一实施例的一种安全的锂二次电池充电方法在T实＝【-10℃，0℃)范围内的充电模式图；
图3为本发明一实施例的一种安全的锂二次电池充电方法在T实＝【0℃，5℃)、T实＝【5℃，15℃)、T实＝【45℃，50℃)、T实＝【50℃，70℃)范围内的充电模式图；
图4为本发明一实施例的一种安全的锂二次电池充电装置的功能模块图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
由于石墨的嵌锂电位与锂沉积电位很接近，当大量锂离子在石墨负极表面聚集的时候，或是锂离子在负极表面沉积的速度大于其嵌入极片内部的速度，比如大电流、低温充电，就有可能造成析锂。为此，需要根据锂电池内部实际温度的变化(锂电池内部实际温度用符号T实表示)，对应调节对锂电池的充电速率C。
安全的锂二次电池充电方法包括如下步骤：
步骤S110，获取锂离子电池的内部实际温度T实，根据T实调取对应的充电模式，
步骤S120，根据步骤S110的充电模式所对应的温度范围，对锂离子电池进行充电，
步骤S130，锂离子电池充电达到额定容量值，完成充电。
对于步骤S110，
要特别说明的是，电解液位于锂电池的壳体内部，只有相对准确的判断锂电池内部的实际温度，才能更好的对锂电池作出以何种充电速率值进行充电。采用常规的温度检测仪器，一般只能测得锂电池的表面温度(锂电池表面温度用符号T表表示)，而难以深入到锂电池的内部对其电解液的温度进行测量。为此，通过查询温度范围调节值表，可以获得更准确的锂电池内部实际温度。
温度范围调节值表
可知，随着锂电池表面温度T表的升高，温度范围调节值的数值△T相应降低。在测得锂电池的表面温度较低时，由于锂电池处在低温的环境里，锂电池表面的散热相对较快，适当加大温度范围调节值的数值△T，而在测得锂电池的表面温度较高时，由于锂电池处在高温的环境里，锂电池表面的散热相对较慢，适当减小温度范围调节值的数值。
锂离子电池的内部实际温度T实＝T表+△T，通过查询温度范围调节值表获得锂离子电池的内部实际温度T实。
具体的，将充电模式的温度范围划分为T实＝(-∞，-40℃】、T实＝(-40℃，-10℃)、T实＝【-10℃，0℃)、T实＝【0℃，5℃)、T实＝【5℃，15℃)、T实＝【15℃，45℃)、T实＝【45℃，50℃)、T实＝【50℃，70℃)、T实＝【70℃，+∞)。
对于步骤S120，
请参阅图1，
T实＝(-40℃，-10℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C1充电t1时间，然后以速率0停止充电t充停时间，接着以速率C2放电t2时间，再以速率0停止放电t放停时间，并如此反复，
其中，Q1＝C1×t1，Q2＝C2×t2，Q1＞Q2，Q1为充电量，Q2为放电量，
请参阅图2，
T实＝【-10℃，0℃)对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C3充电t3时间，然后以速率0停止充电t充停‘时间，接着以速率C4放电t4时间，再以速率0停止放电t放停‘时间，并如此反复，
其中，Q3＝C3×t3，Q4＝C4×t4，Q3＞Q4，Q3为充电量，Q4为放电量，
且，C1＜C3，随着温度的升高，适当加大对锂电池的充放电速率。
请参阅图3，T实＝【0℃，5℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，即对锂离子电池以C5＝K1T实+X1的速率充电。具体为，对锂离子电池以C5＝0.03T实+0.05的速率充电，当T实＝0℃时，C5＝0.05C，依次类推。
请参阅图3，T实＝【5℃，15℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，对锂离子电池以C6＝K2T实+X2的速率充电，即对锂离子电池以C6＝K2T实+X2的速率充电。具体为，对锂离子电池以C6＝0.02T实+0.1的速率充电，当T实＝5℃时，C6＝0.2C，依次类推。
T实＝【15℃，45℃)，对锂离子电池以恒定充电速率充电，即对锂离子电池以C7的速率充电，具体为，对锂离子电池以C7＝【1C，3C】之间的一个恒定速率充电，优选为采用2C的恒定电流进行充电。
请参阅图3，T实＝【45℃，50℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，即对锂离子电池以C8＝K3T实+X3的速率充电。具体为，对锂离子电池以C8＝－0.04T实+2.2的速率充电，当T实＝45℃时，C8＝0.4C，依次类推。
请参阅图3，T实＝【50℃，70℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，即对锂离子电池以C9＝K4T实+X4的速率充电。具体为，对锂离子电池以C9＝－0.0075T实+0.575的速率充电，当T实＝50℃时，C9＝0.2C，依次类推。
T实＝(-∞，-40℃】，或T实＝【70℃，+∞)，对锂离子电池停止充电。
当T实＝【0℃，5℃)，或T实＝【5℃，15℃)，由于锂离子电池处于低温状态，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，也即是，在这一温度区间，随着温度的降低，对锂离子电池的充电速率逐渐降低。
当T实＝【45℃，50℃)，或T实＝【50℃，70℃)，由于锂离子电池已处于高温状态，在这一温度区间，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，可降低电芯电极的反应，降低锂离子电池内部的温度，减少锂电池发生***的风险。
当T实≤-40℃，或T实≥70℃，断开电源，停止对锂电池充电，保证安全。
要特别说明的是，当T实＝(-40℃，-10℃)，或T实＝【-10℃，0℃)，由于锂离子电池处于极低温状态，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电。实现“充电—停止(静置)—放电—停止(静置)—充电”的循环模式，充电电量略大于放电电量，随着这种充电过程的进行，锂电池的温度会逐渐上升，然后根据温度上升的区间，转换为相应的充电模式。在这种模式下，“停止(静置)”过程有利于充放电过程的去极化，防止“锂枝晶”的生成。
充电电量略大于放电电量，即Q1＞Q2，可以更好保护锂电池。在本实施例中，优选为，设定充电时间、放电时间、停止充放时间相同(例如均设定为5秒)，使得C1＞C2，C3＞C4，从而满足Q1＞Q2，Q3＞Q4。设定一个充电速率范围调节值△C1、△C2，以满足C1＝C2+△C1，C3＝C4+△C2，具体在本实施例中，C1＝0.05C，C3＝0.1C，对应的，△C1＝0.01C，△C2＝0.03C，可知，C2＝0.04C，C4＝0.07C。
在其它实施例中，还可以对充电时间、放电时间、停止充放时间进行调节，从而满足Q1＞Q2，Q3＞Q4。或者，对充电时间、放电时间、停止充放时间、C1、C2、C3、C4进行综合调节，从而满足Q1＞Q2，Q3＞Q4。
此种安全的锂二次电池充电方法，即可满足高寒条件下的锂电池充电，还可以满足高温条件下的锂电池充电，具有较宽的充电温度范围，可以较好接受严酷环境和苛刻条件所带来的挑战，具有较高的安全性。
请参阅图4，与上述一种安全的锂二次电池充电方法对应，同时还提供一种安全的锂二次电池充电装置10，包括：电池组100、负载200、充电器300、温度检测模块400、BMS500、主控模块600，BMS500具有温度调节单元510。
充电器300与电池组100连接，充电器300用于为电池组100充电；负载200与电池组100连接，负载200用于为电池组100放电。
BMS500通过温度检测模块400与电池组100连接，温度检测模块400用于检测电池组100的表面温度T表，并将表面温度T表发送至BMS500，BMS500的温度调节单元510对表面温度T表进行处理，得到内部实际温度T实。
BMS500与主控模块600连接，BMS500将内部实际温度T实发送至主控模块600。
主控模块600与充电器300及负载200连接，主控模块600根据内部实际温度T实启动相应的控制指令，控制充电器300对电池组100充电，或控制负载200对电池组100放电。
进一步的，主控模块600具有(-∞，-40℃】控制单元610、(-40℃，-10℃)控制单元620、【-10℃，0℃)控制单元630、【0℃，5℃)控制单元640、【5℃，15℃)控制单元650、【15℃，45℃)控制单元660、【45℃，50℃)控制单元670、【50℃，70℃)控制单元680、【70℃，+∞)控制单元690，各温度区间的控制单元设有相应的控制指令，
即是：
T实＝(-∞，-40℃】，发出“对锂离子电池停止充电”控制指令，
T实＝(-40℃，-10℃)，发出“对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电”指令，
T实＝【-10℃，0℃)，发出“对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电”指令，
T实＝【0℃，5℃)，发出“随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升”指令，
T实＝【5℃，15℃)，发出“随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升”指令，
T实＝【15℃，45℃)，发出“对锂离子电池以恒定充电速率充电”指令，
T实＝【45℃，50℃)，发出“随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低”指令，
T实＝【50℃，70℃)，发出“随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低”指令，
T实＝【70℃，+∞)，发出“对锂离子电池停止充电”指令。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S110，获取锂离子电池的内部实际温度T实，根据T实调取对应的充电模式，
将充电模式的温度范围划分为T实＝(-∞，-40℃】、T实＝(-40℃，-10℃)、T实＝【-10℃，0℃)、T实＝【0℃，5℃)、T实＝【5℃，15℃)、T实＝【15℃，45℃)、T实＝【45℃，50℃)、T实＝【50℃，70℃)、T实＝【70℃，+∞)，
步骤S120，根据步骤S110的充电模式所对应的温度范围，对锂离子电池进行充电，
T实＝(-∞，-40℃】，对锂离子电池停止充电，
T实＝(-40℃，-10℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，
T实＝【-10℃，0℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，
T实＝【0℃，5℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，
T实＝【5℃，15℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐提升，
T实＝【15℃，45℃)，对锂离子电池以恒定充电速率充电，
T实＝【45℃，50℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，
T实＝【50℃，70℃)，随着温度的升高，对锂离子电池的充电速率逐渐降低，
T实＝【70℃，+∞)，对锂离子电池停止充电；
步骤S130，锂离子电池充电达到额定容量值，完成充电。
2.根据权利要求1所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，锂离子电池的内部实际温度T实＝T表+△T，T表为锂离子电池的表面温度，△T为温度范围调节值，通过温度范围调节值表获得。
3.根据权利要求1所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，
T实＝(-40℃，-10℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C1充电t1时间，然后以速率0停止充电t充停时间，接着以速率C2放电t2时间，再以速率0停止放电t放停时间，并如此反复，
其中，Q1＝C1×t1，Q2＝C2×t2，Q1＞Q2，Q1为充电量，Q2为放电量，
T实＝【-10℃，0℃)，对锂离子电池进行脉冲方式充电和放电，首先以速率C3充电t3时间，然后以速率0停止充电t充停‘时间，接着以速率C4放电t4时间，再以速率0停止放电t放停‘时间，并如此反复，
其中，Q3＝C3×t3，Q4＝C4×t4，Q3＞Q4，Q3为充电量，Q4为放电量，
且，C1＜C3。
4.根据权利要求3所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，C1＝C2+△C1，△C1为充电速率范围调节值。
5.根据权利要求4所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，C1＝0.05C，△C1＝0.01C。
6.根据权利要求3所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，C3＝C4+△C2，△C2为速率范围调节值。
7.根据权利要求6所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，C3＝0.1C，△C2＝0.03C。
8.根据权利要求1所述安全的锂二次电池充电方法，其特征在于，
T实＝【0℃，5℃)，对锂离子电池以C5＝0.03T实+0.05的速率充电，
T实＝【5℃，15℃)，对锂离子电池以C6＝0.02T实+0.1的速率充电，
T实＝【15℃，45℃)，对锂离子电池以C7＝【1C，3C】之间的一个恒定速率充电，
T实＝【45℃，50℃)，对锂离子电池以C8＝－0.04T实+2.2的速率充电，
T实＝【50℃，70℃)，对锂离子电池以C9＝－0.0075T实+0.575的速率充电。
9.一种安全的锂二次电池充电装置，其特征在于，包括：电池组、充电器、负载、温度检测模块、BMS、主控模块，所述BMS具有温度调节单元；
所述充电器与所述电池组连接，所述充电器用于为所述电池组充电；
所述负载与所述电池组连接，所述负载用于为所述电池组放电；
所述BMS通过所述温度检测模块与所述电池组连接，所述温度检测模块用于检测所述电池组的表面温度T表，并将表面温度T表发送至所述BMS，所述BMS的所述温度调节单元对表面温度T表进行处理，得到内部实际温度T实；
所述BMS与所述主控模块连接，所述BMS将内部实际温度T实发送至所述主控模块；
所述主控模块与所述充电器及所述负载连接，所述主控模块根据内部实际温度T实启动相应的控制指令，控制所述充电器对所述电池组充电，或控制所述负载对所述电池组放电。
10.根据权利要求9所述的安全的锂二次电池充电装置，其特征在于，所述主控模块具有(-∞，-40℃】控制单元、(-40℃，-10℃)控制单元、【-10℃，0℃)控制单元、【0℃，5℃)控制单元、【5℃，15℃)控制单元、【15℃，45℃)控制单元、【45℃，50℃)控制单元、【50℃，70℃)控制单元、【70℃，+∞)控制单元，各温度区间的控制单元设有相应的控制指令。
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