CN108011409A - 一种锂离子电池低温充电方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子电池低温充电方法及其装置。充电装置包括：充电模块、电池组及电流调节模块。电池组的总正端通过电流调节模块与充电模块的正极连接，电池组的总负端与充电模块的负极连接；电流调节模块包括总温度开关及与总温度开关并联连接的若干个电流调节支路，电流调节支路包括一支路温度开关及与支路温度开关串联连接的负温度系数热敏电阻；总温度开关、每一电流调节支路中的支路温度开关分别在不同的温度区间内实现闭合或断开；每一电流调节支路中的负温度系数热敏电阻分别在不同的温度区间内具有不同的阻值。通过具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，保证锂离子电池在更宽的温度范围可以充电，保证低温下可以充电。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池低温充电技术领域，特别是涉及一种锂离子电池低温充电方法及其装置。
背景技术
锂离子电池在低温下(通常为0℃以下)禁止充电，由于锂离子电池在低温下充电的时候，其负极石墨难以发生锂离子的嵌入反应，而导致金属锂在石墨负极表面沉积，形成锂枝晶，易刺破隔膜，导致电池内部短路而产生鼓胀、电解液泄露、***起火等安全问题，同时也会缩短电池的循环寿命。
为了防止电池在低温下充电而产生安全问题，通常在锂离子电池组中设置电池管理***(BMS)，通过电池中的温度传感器检测电池的温度，通过BMS中的芯片设置充电管理的逻辑判断程序，配合充电电路中的电子开关，对电池的充电行为进行管理。当温度低于禁止充电的温度时，充电开关断开，充电电路被切断；当温度上升到适合充电的温度范围之后，充电开关接通，给电池进行充电。这种充电保护方法，只有“开”、“关”二个状态，这与电化学电池可充电速率随温度降低而逐渐减小的电化学特性不一致，同时也导致电池组在低温下无法充电使用，如果是使用带有这种BMS的锂离子电池供电的电动汽车，那么这种电动车在寒冷的地方(例如中国北方的冬天)就无法充电使用了。
对于锂离子电化学电池来说，其可充电的能力是逐渐下降的，而不是“开/关”这种突变式的变化。其在室温25℃下具有良好的充电性能，到15℃、10℃、5℃、0℃时其可充电能力逐渐下降，在0℃以下也具有一定的可充电能力，只是只能更小的电流进行充电，而不能进行大电流充电。
但是在现有技术中，为了解决锂离子电池低温下充电的问题，采取的主要方法可以归纳为三种：
一是物理加热的方法，即检测到电池处于低温下的时候，启动加热装置，使缠绕在电池周围的加热器件对电池进行加热，当电池温度上升到允许充电的温度之后再启动充电。类似的方法也可以使用交变电流的方法使电池加热到可以充电的温度之后再进行充电，例如ZL201410071715.6电池的低温预热与充电方法。这是目前普遍采用的方法。这种方法要求面临低温环境时具有外部供电的条件，同时也会额外消耗电力。有时为了节约外部电力，则利用电池在低温下可以放电的特性，使用电池本身放电过程中的自发热来实现自体加热；
二是通过外部管理电路调节充电截止电压或充电脉冲电流等方法，通过一定频率的脉冲电流对电池进行充电，在保证电池内部不产生锂枝晶的情况下，可以通过充电过程所产生的物理的和化学的热效应使得电池温度上升，并保证充电的平均电量不大于电池可以承受的电量，提升电池可充电能力和低温充电安全性。例如ZL201510408433.5一种安全的锂二次电池充电方法及装置，就是针对不同温度范围的低温环境，实施不同充电电流幅度和频率的间歇式脉冲充电和放电，从而能够保证电池在低温下可以安全地充电。又如中国专利ZL201410252579.0一种锂电池低温充放电方法，利用电池管理***读取一预设规则，所述预设规则定义了多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压，利用电池管理***通过控制电路或充电机发出指令控制依据该充电截止电压对锂电池组充电。这类充电方式主要通过充电管理***进行管理，需要管理芯片及其数学模型的配合、并使用较多的温度传感器、电流/电压控制和管理装置等等元器件，电路复杂，成本高；
第三种方法是改变锂电池的化学体系，包括改变负极活性物质、改善活性物质的颗粒粒径、对物性物质进行各种修饰改性等等。例如中国专利ZL201410685264.5一种低温型锂离子二次电池，就是使用钛酸锂代替石墨作为负极活性物质，从而提升锂离子电池的低温充电性能，但是这些改善方法往往使得电池的比能量显著下降。
根据锂离子电池的可充电能力渐变的电化学特性，我们需要找到一种具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，从而保证锂离子电池在更宽的温度范围也可以充电，特别是保证其在低温下也可以充电，这是很必要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种锂离子电池低温充电方法及其装置，通过具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，从而保证锂离子电池在更宽的温度范围也可以充电，特别是保证其在低温下也可以充电。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种锂离子电池低温充电装置，包括：充电模块、电池组及电流调节模块；
所述电池组的总正端通过所述电流调节模块与所述充电模块的正极连接，所述电池组的总负端与所述充电模块的负极连接；
所述电流调节模块包括总温度开关及与所述总温度开关并联连接的若干个电流调节支路，所述电流调节支路包括一支路温度开关及与所述支路温度开关串联连接的负温度系数热敏电阻；
所述总温度开关、每一所述电流调节支路中的支路温度开关分别在不同的温度区间内实现闭合或断开；
每一所述电流调节支路中的负温度系数热敏电阻分别在不同的温度区间内具有不同的阻值。
在其中一个实施例中，所述电池组包括若干以串联和/或并联的单体电池。
在其中一个实施例中，所述总温度开关及所述支路温度开关由MCU模块控制。
一种锂离子电池低温充电方法，通过上述的锂离子电池低温充电装置实现充电，包括如下步骤：
当环境温度处于常温状态时，所述总温度开关闭合，每一所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块直接对所述电池组进行充电；
当环境温度处于低温状态时，所述总温度开关断开，其中一个所述电流调节支路中的支路温度开关闭合，其余所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块通过其中一个支路温度开关闭合的电池调节支路对所述电池组进行充电。
在其中一个实施例中，所述常温状态为(0℃，40℃)。
在其中一个实施例中，所述低温状态划分为若干个温度区间，若干个所述电流调节支路分别与若干个所述温度区间一一对应，每一个所述电流调节支路的支路温度开关在对应的每一个所述温度区间内实现闭合。
在其中一个实施例中，所述低温状态包括如下温度区间：(-10℃，0℃)、(-20℃，-10℃)、(-30℃，-20℃)、(-40℃，-30℃)、(-50℃，-40℃)。
在其中一个实施例中，所述电流调节支路具有五个，
当环境温度处于(-10℃，0℃)时，第一个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-20℃，-10℃)时，第二个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-30℃，-20℃)时，第三个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-40℃，-30℃)时，第四个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-50℃，-40℃)时，第五个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开。
本发明的一种锂离子电池低温充电方法及其装置，通过具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，从而保证锂离子电池在更宽的温度范围也可以充电，特别是保证其在低温下也可以充电。
附图说明
图1为本发明一实施例的锂离子电池低温充电装置的电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，其为本发明一实施例的锂离子电池低温充电装置10的电路图。一种锂离子电池低温充电装置10，包括：充电模块100、电池组200及电流调节模块300、负载400。在本实施例中，电池组200包括若干以串联和/或并联的单体电池。
电池组200的总正端通过电流调节模块300与充电模块100的正极连接，电池组200的总负端与充电模块100的负极连接；电池组200的两端还连接有负载400。
电流调节模块300包括总温度开关310及与总温度开关310并联连接的若干个电流调节支路320。电流调节支路320包括一支路温度开关321及与支路温度开关321串联连接的负温度系数热敏电阻322。
总温度开关310、每一电流调节支路320中的支路温度开关321分别在不同的温度区间内实现闭合或断开。
每一电流调节支路320中的负温度系数热敏电阻322分别在不同的温度区间内具有不同的阻值。
本锂离子电池低温充电装置10是在充电电路中设置一个具有负温度系数的电阻(NTC)来限制低温下的充电电流，温度越低电阻越大充电电流越小，从而保证电池在低温下可以安全地充电。NTC工作的范围可以从10℃到-45℃或者0℃到-50℃，其电阻随温度变化的系数可以根据电池的特性进行选择，不同化学体系和不同设计的电池，其低温下可以耐受的充电电流也不同，可以通过选择合适的NTC来适配。
由于NTC在常温下其电阻值无法达到0，因此其在常温下会阻碍电池的充电，导致发热量增加。为了规避NTC的这个副作用，特别设置了总温度开关310，当电池的温度在0～10℃范围时，总温度开关310接通，从而将NTC旁路，使充电电流不从NTC电路通过，避免NTC电阻在常温下的发热。温度开关是一种常用的简易的双金属片开关，具有温度敏感性，通过双金属片随温度变化的机械形变，来实现“开/关”的作用。
通过设置上述的锂离子电池低温充电装置10，通过具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，保证电池在低温下也可以充电。
要特别说明的是，不同化学体系和不同设计的电池，其在不同的低温温度区间内，需要对其进行不同电流大小的充电，也即是说，电池在不同的温度条件下具有最适宜对其进行充电的电流，只有以最适宜的电流对当前温度下的电池进行充电，才能更好的对电池进行充电，提高电池的使用寿命。而具体的，电池在何种温度条件下，以何种最适宜的电流进行充电，这个数值的确定可以由研发人员对当前型号的电池进行有限次测试而得到。
而如何达到在不同温度下对电池进行对应的电流充电，是本发明需要解决的技术问题。虽然，具有负温度系数的NTC在温度越低时，其电阻越大，相应的充电电流也就越小，从而保证电池在低温下可以安全地充电，但是，NTC的电阻在随温度变化时，其电阻值并不会呈线性变化，只能是大概的在某个范围值内变化，具有较大的偏差，不准确，进而使得相应的充电电流也会出现较大的偏差。
为了更好解决这一技术问题，通过设置若干个NTC，由于每个NTC在材料或结构上的不同，从而可以使得，每个NTC在每个确定的温度范围内，其阻值大小不同，从中选取最适宜当前温度条件下的NTC并入电路，对电池进行更准确的电流充电。
例如，通过对电流调节模块300的结构进行优化设计，电流调节模块300包括总温度开关310及与总温度开关310并联连接的若干个电流调节支路320。电流调节支路320包括一支路温度开关321及与支路温度开关321串联连接的负温度系数热敏电阻322。总温度开关310、每一电流调节支路320中的支路温度开关321分别在不同的温度区间内实现闭合或断开。每一电流调节支路320中的负温度系数热敏电阻322分别在不同的温度区间内具有不同的阻值。通过上述的结构设计，从中选取最适宜当前温度条件下的NTC并入电路，对电池进行更准确的电流充电。其中，总温度开关310及支路温度开关321由MCU模块控制。
举例说明如下：
在常温状态为(0℃，40℃)的条件下，总温度开关310闭合，电流调节支路320的支路温度开关321断开，充电模块100直接对电池组200进行充电，避开电流调节支路320中的负温度系数热敏电阻322的阻值对其影响；
在低温状态的条件下，将低温状态划分如下五个温度区间：(-10℃，0℃)、(-20℃，-10℃)、(-30℃，-20℃)、(-40℃，-30℃)、(-50℃，-40℃)，同时对应的有五个电流调节支路320，每一个电流调节支路320的支路温度开关321分别对应在不同的温度区间内实现闭合，即：当环境温度处于(-10℃，0℃)时，第一个电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个电流调节支路的支路温度开关断开；当环境温度处于(-20℃，-10℃)时，第二个电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个电流调节支路的支路温度开关断开；当环境温度处于(-30℃，-20℃)时，第三个电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个电流调节支路的支路温度开关断开；当环境温度处于(-40℃，-30℃)时，第四个电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个电流调节支路的支路温度开关断开；当环境温度处于(-50℃，-40℃)时，第五个电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个电流调节支路的支路温度开关断开。
本发明还提供一种锂离子电池低温充电方法，上述的锂离子电池低温充电装置实现充电，包括如下步骤：
当环境温度处于常温状态时，所述总温度开关闭合，每一所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块直接对所述电池组进行充电；
当环境温度处于低温状态时，所述总温度开关断开，其中一个所述电流调节支路中的支路温度开关闭合，其余所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块通过其中一个支路温度开关闭合的电池调节支路对所述电池组进行充电。
进一步，所述常温状态为(0℃，40℃)；所述低温状态划分为若干个温度区间，若干个所述电流调节支路分别与若干个所述温度区间一一对应，每一个所述电流调节支路的支路温度开关在对应的每一个所述温度区间内实现闭合。
例如：所述低温状态包括如下温度区间：(-10℃，0℃)、(-20℃，-10℃)、(-30℃，-20℃)、(-40℃，-30℃)、(-50℃，-40℃)，与上述温度区间对应，所述电流调节支路具有五个。
当环境温度处于(-10℃，0℃)时，第一个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-20℃，-10℃)时，第二个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-30℃，-20℃)时，第三个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-40℃，-30℃)时，第四个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-50℃，-40℃)时，第五个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开。
该充电方法可用于石墨活性物质为负极的各类锂离子电池，正极活性物质分别是钴酸锂、磷酸铁锂、NCM(镍钴锰)三元、NCA(镍钴铝)三元、富锂锰基正极材料、以及其他各种正极材料等等。该充电方法也可用于非石墨活性物质为负极的各类锂离子电池，例如钛酸锂负极、硅负极、硅碳合金负极、SiOx类负极、锡和锡合金负极等等；正极活性物质分别是钴酸锂、磷酸铁锂、NCM(镍钴锰)三元、NCA(镍钴铝)三元、富锂锰基正极材料、以及其他各种正极材料等等。
本发明的一种锂离子电池低温充电方法及其装置，通过具有渐变特性的器件来控制锂离子电池的充电电流，从而保证锂离子电池在更宽的温度范围也可以充电，特别是保证其在低温下也可以充电。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种锂离子电池低温充电装置，其特征在于，包括：充电模块、电池组及电流调节模块；
所述电池组的总正端通过所述电流调节模块与所述充电模块的正极连接，所述电池组的总负端与所述充电模块的负极连接；
所述电流调节模块包括总温度开关及与所述总温度开关并联连接的若干个电流调节支路，所述电流调节支路包括一支路温度开关及与所述支路温度开关串联连接的负温度系数热敏电阻；
所述总温度开关、每一所述电流调节支路中的支路温度开关分别在不同的温度区间内实现闭合或断开；
每一所述电流调节支路中的负温度系数热敏电阻分别在不同的温度区间内具有不同的阻值。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池低温充电装置，其特征在于，所述电池组包括若干以串联和/或并联的单体电池。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池低温充电装置，其特征在于，所述总温度开关及所述支路温度开关由MCU模块控制。
4.一种锂离子电池低温充电方法，其特征在于，通过权利要求1至3中任意一项所述的锂离子电池低温充电装置实现充电，包括如下步骤：
当环境温度处于常温状态时，所述总温度开关闭合，每一所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块直接对所述电池组进行充电；
当环境温度处于低温状态时，所述总温度开关断开，其中一个所述电流调节支路中的支路温度开关闭合，其余所述电流调节支路中的支路温度开关断开，所述充电模块通过其中一个支路温度开关闭合的电池调节支路对所述电池组进行充电。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，所述常温状态为(0℃，40℃)。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，所述低温状态划分为若干个温度区间，若干个所述电流调节支路分别与若干个所述温度区间一一对应，每一个所述电流调节支路的支路温度开关在对应的每一个所述温度区间内实现闭合。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，所述低温状态包括如下温度区间：(-10℃，0℃)、(-20℃，-10℃)、(-30℃，-20℃)、(-40℃，-30℃)、(-50℃，-40℃)。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，所述电流调节支路具有五个，
当环境温度处于(-10℃，0℃)时，第一个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-20℃，-10℃)时，第二个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-30℃，-20℃)时，第三个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-40℃，-30℃)时，第四个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开；
当环境温度处于(-50℃，-40℃)时，第五个所述电流调节支路的支路温度开关闭合，其余四个所述电流调节支路的支路温度开关断开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180508 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |