CN111092272B - 一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，将锂离子电池充电过程分为三个阶段；第一个阶段采用电流自适应控制充电模式，自适应充电电流的平均值等于恒流‑恒压方法中恒流阶段的充电电流，当电池电压上升至充电截止电压时该阶段结束；第二阶段采用恒流充电模式，相比于第一阶段的平均充电电流，第二阶段的电流会大幅降低，同时尽可能的不延长总的充电时间，当电池电压再次上升至充电截止电压时该阶段结束；第三个阶段采用恒压充电模式，充电电压为电池的充电截止电压，当充电电流下降至预设的截止电流时，充电过程结束。本发明缓解了充电过程中电池的最高温升，提高了充电效率，增加了充电过程的安全性，改善了电池的充电性能。

Description

一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池充电技术领域，具体提供一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法。

背景技术

随着电动汽车和便携式电子设备的发展，锂离子电池作为主要储能载体成为了关注的焦点。相比于其他类型的电池，锂离子电池具有能量和功率密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点。随着锂离子电池的大量使用，其充电方法研究日益受到关注。

传统的恒流-恒压充电方法避免了电池在高低荷电状态(SOC)时的大电流，因为其在控制与实现上的简单和充电过程的高效可靠被目前主要的充电设备采用。除了恒流-恒压充电方法，研究人员也为进一步提高充电性能而做了大量工作，提出了多种充电方式，比如脉冲充电等。但是这些充电方式在实现上更加复杂，需要为其开发特定的充电设备，很难被现在市场主流的充电设备直接采用。

鉴于此，本领域需要在现有的研究基础上，提出更多的充电方法，这些方法既能进一步提高电池充电性能，又能直接被当前市场上主流的充电设备直接实现。本发明所提出的一种考虑内阻特性的锂离子电池充电方法，只需要对充电设备输出电流和电压进行控制，控制和实现简单，且能明显降低充电过程中的损耗，提高充电效率，减少电池发热，增强电池使用的安全性。

发明内容

本发明的目的在于减少锂离子电池充电过程中欧姆损耗，提高其充电效率，减少电池发热，缓解电池充电过程中的最高温升，增强电池使用的安全性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，该方法充电过程主要包括三个阶段，具体如下：

第一阶段：电流自适应充电模式。电流自适应充电模式中自适应电流的变化趋势与电池内阻的变化趋势相反，且自适应电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流I₁，当电池电压上升至电池充电截止电压时，该阶段结束。电流自适应控制策略如下：

1)基于电池内阻值对充电电流进行自适应控制，电池内阻较大时采用较小的充电电流，内阻较小时采用较大的充电电流。该策略能有效降低充电过程中的欧姆损耗；

2)自适应充电电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流，大小为I₁，有效地避免了该充电模式对充电时间的不利影响。

根据第一阶段充电模式电流自适应控制策略原则，最优自适应充电电流的求解问题标准化如下：

这里E_loss表示充电损耗，k表示第k个SOC区间，i_k为第k个SOC区间的充电电流，R_k为第k个SOC区间电池的内阻，t_k为第k个SOC区间的充电时间，T₁表示电池第一阶段电流自适应充电模式所需的充电时间，Q表示电池的实际容量。

Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的考虑内阻特性的锂离子三段式充电方法时，第一阶段自适应充电电流关于其平均值I₁和电池SOC的函数如下：

i_adaptive(I₁,soc)＝0.1101+0.6455·I₁-2.309·soc+0.01307·I₁ ²+2.953·I₁·soc

+14.82·soc²-0.0837·I₁ ²·soc-7.815·I₁·soc²-40.88·soc³+0.1565·I₁ ²·soc²(0＜soc≤SOC(I₁))

+9.124·I₁·soc³+49.85·soc⁴-0.07481·I₁ ²·soc³-4.019·I₁·soc⁴-21.93·soc⁵

第二阶段：恒流充电模式。相比于第一阶段自适应充电电流的平均值，第二阶段的电流会大幅降低，同时尽可能的不延长总的充电时间，其目的是为了缓解电池充电过程中的最高温升，进一步提高充电效率。当电池电压再次上升至充电截止电压时，该阶段结束。充电电流I₂的选择原则如下：

1)电流I₂取值时，需要在所述充电方法的充电时间与恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束，该约束的目的是要使所提出充电方法的充电时间相对于恒流-恒压方法不具明显劣势。约束中的时间差可以根据实际需求进行适当调整，不妨碍本发明技术路线的实施。

2)在满足上述时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值。最小的I₂要能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性。

根据第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择原则，求解I₂最小值的优化问题标准化如下:

公式中I_max和I_min表示电池的最大和最小可接受充电电流，T为对应充电方法所需的充电时间，Δt表示两种充电方法的充电时间差。

Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的考虑内阻特性的锂离子三段式充电方法时，将电流I₂的选择原则1)中的充电时间差控制在3分钟以内，最大和最小充电电流分别设置为1C(3.2A)和1/20C(0.16A)，第二阶段充电电流I₂关于第一阶段自适应充电电流的平均值I₁的函数如下：

第三阶段：恒压充电模式。充电电压为电池的充电截止电压。当电池电流降低至预设的充电截止电流时，充电过程结束。

第三阶段恒压充电模式与恒流-恒压充电方法中的恒压模式一致。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)本发明可以明显降低电池充电过程中的欧姆损耗，提高充电效率；

2)本发明在一定程度上缓解了电池充电过程中的最高温升，提高了充电安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本发明充电方法充电时电池的电流、电压曲线。

图2为锂离子电池的二阶RC等效电路；

图3为采用传统CC-CV充电方法充电时电池的充电曲线；

图4为电池开路电压关于SOC的曲线；

图5为电池内阻关于SOC的曲线；

图6为第二阶段充电电流I₂关于第一阶段充电电流平均值I₁的曲线；

图7为第一阶段自适应充电电流关于其平均值I₁和电池SOC的曲线。

具体实施方式

以下是本发明中一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法的最佳实例，并结合附图对本发明所包含的技术路线进行详细说明，并不因此限定本发明的保护范围。

实例中所使用的锂离子电池型号为：Panasonic NCR18650BD。实验环境温度为20℃，由恒温箱控制并调节。本发明中最关键的是第一阶段自适应充电电流的计算和第二阶段中电流I₂的选择。

首先需要测试电池采用恒流恒压充电方法时的充电曲线。恒流阶段充电电流取最大值1C即3.2A；恒压阶段电压为4.2V，充电截止电流设置为1/20C即0.16A，恒流-恒压充电曲线如图3(a)。根据图3(a)，可以获得恒压模式时电池从当前的SOC至充电完成的剩余充电时间的对应关系曲线如图3(b)所示。拟合图3(b)中曲线得到恒压模式下充电剩余时间关于当前SOC的函数关系如下：

T(soc)＝-0.002778·e^14.07·soc+2634·e^0.323·soc(79.2％≤soc≤100％) (1)

电池的模型参数通过混合脉冲功率特性(HPPC)测试曲线进行辨识，图2为电池的二阶RC等效电路模型。HPPC测试每10％的SOC间隔进行一次，由于在SOC较小时电池参数变化较大，增加SOC为5％时的测试点。所测得的电池的开路电压曲线如图4所示，曲线拟合函数如下:

欧姆电阻R₀和极化电阻R₁、R₂的辨识结果如图5所示。稳态时，认为电池内阻为欧姆电阻和极化电阻之和，即R＝R₀+R₁+R₂。根据以上分析，如图5所示，电池内阻曲线拟合函数如下:

上述曲线拟合只是为了后续求解方便，也可以采用查表的形式。

第一阶段电流自适应充电模式。电流自适应充电模式中自适应电流的变化趋势与电池内阻的变化趋势相反，且自适应电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流I₁。使用I₁恒流充电时，恒流阶段结束时电池的SOC计算如下：

V_OCV(soc)+R(soc)·I₁＝4.2 (4)

由上述方程求得的解表示为SOC_CC(I₁)，将此SOC值近似作为第一阶段电流自适应充电结束时电池的SOC。

电流自适应控制策略如下：

1)基于电池内阻对充电电流进行自适应控制，电池内阻较大时采用较小的充电电流，内阻较小时采用较大的充电电流。该策略能有效降低充电过程中的欧姆损耗；

2)自适应充电电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流，大小为I₁，有效避免了该充电模式对充电时间的不利影响。

首先，将第一个阶段根据荷电状态等分为N段，每个SOC区间中电池的内阻和充电电流都认为是恒定的。因此，第一阶段充电过程的总损耗可以计算为各阶段损耗之和。当N趋向无穷大时，则自适应充电电流连续。该阶段总的充电时间计算如下：

这里k表示第k个SOC区间，t_k为第k个SOC区间的充电时间，i_k为第k个SOC区间的充电电流，Q表示电池采用上述恒流-恒压充电方法测试得到的实际容量。

最优自适应充电电流的求解问题标准化如下：

这里R_k为第k个SOC区间电池的内阻。利用智能算法求解该优化问题，自适应充电电流随平均值I₁和电池SOC的变化曲面如图6所示。拟合曲面可得第一阶段自适应充电电流关于平均值I₁和电池SOC的函数如下:

i_adaptive(I₁,soc)＝0.1101+0.6455·I₁-2.309·soc+0.01307·I₁ ²+2.953·I₁·soc

+14.82·soc²-0.0837·I₁ ²·soc-7.815·I₁·soc²-40.88·soc³+0.1565·I₁ ²·soc²(0＜soc≤SOC(I₁)) (7)

+9.124·I₁·soc³+49.85·soc⁴-0.07481·I₁ ²·soc³-4.019·I₁·soc⁴-21.93·soc⁵

上述公式(7)即为所发明充电方法第一阶段自适应充电电流的控制率。

第二阶段恒流充电模式。假设第二阶段充电电流I₂，则第二段结束时电池的SOC计算如下:

V_OCV(soc)+R(soc)·I₂＝4.2 (8)

由上述方程得到的解表示为SOC_CC(I₂)。则所提出充电方法总的充电时间计算如下:

采用恒流-恒压充电时，充电时间计算如下:

第二阶段恒流充电模式充电电流I₂的选择原则如下：

1)电流I₂取值时，需要在所发明充电方法的充电时间与恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束。约束中的时间差可以根据实际需求进行适当调整，不妨碍本发明技术路线的实施，这里以3分钟为例。

2)在满足上述两种充电方法时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值。最小的I₂要能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性。

因此，I₂最小值的求解问题标准化如下：

求解结果如图7所示。拟合曲线得I₂关于第一阶段自适应充电电流平均值I₁的函数如下:

上述公式(12)即为所发明充电方法中第二阶段充电电流I₂的控制率。

本发明提出的充电方法第三阶段为恒压充电模式，与恒流-恒压充电方法中的恒压模式一致，当充电电流下降至预设的充电截止电流时，整个充电过程结束。

本发明的考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法在传统恒流-恒压充电方法的基础上将锂离子电池充电过程分为三个阶段。第一个阶段采用电流自适应控制充电模式，自适应充电电流的平均值等于恒流-恒压方法中恒流阶段的充电电流。电流自适应控制的依据为电池的内阻值，目的是为了减少充电过程中的损耗。当电池电压上升至充电截止电压时该阶段结束。所提出充电方法中的第二阶段和第三阶段是将恒流-恒压充电方法中的恒压阶段用恒流-恒压两个阶段替换。该方法第二阶段采用恒流充电模式，相比于第一阶段的平均充电电流，第二阶段的电流会大幅降低，同时尽可能的不延长总的充电时间，其目的是为了缓解电池充电过程中的最高温升，进一步提高充电效率。当电池电压再次上升至充电截止电压时该阶段结束。第三个阶段采用恒压充电模式，充电电压为电池的充电截止电压，当充电电流下降至预设的截止电流时，充电过程结束。充电末期采用恒压模式的目的是为了加快充电过程的完成。本发明所提出的一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法缓解了充电过程中电池的最高温升，提高了充电效率，增加了充电过程的安全性，改善了锂离子电池的充电性能。

至此，已经通过实例，并结合附图对本发明的技术路线进行了详细说明，但是本领域研究人员很容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，其充电过程包括第一阶段、第二阶段和第三阶段；

首先需要测试电池采用恒流恒压充电方法时的充电曲线，得到充电剩余时间、开路电压Vocv和电池内阻R的拟合函数，根据充电剩余时间、开路电压Vocv和电池内阻R的拟合函数计算自适应充电模式、CC-CV和CC-CC-CV充电方法的充电时间，进而结合上述计算求解对自适应充电电流、电流I₂的优化方程，得到第一阶段自适应充电电流关于平均值I₁和电池SOC的函数、以及充电电流I₂关于充电电流I₁的函数；

第一阶段：电流自适应充电模式，该阶段中自适应充电电流的平均值为I₁，当电池电压上升至电池充电截止电压时，该阶段结束；电流自适应控制策略如下：

1)、基于电池内阻值对充电电流进行自适应控制，电池内阻较大时采用较小的充电电流，内阻较小时采用较大的充电电流；该策略能有效降低充电过程中的欧姆损耗；

2)、自适应充电电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流，大小为I₁，有效避免了该充电模式对充电时间的不利影响；

第一阶段最优自适应充电电流的求解问题标准化如下：

这里E_loss表示充电损耗，k表示第k个SOC区间，i_k为第k个SOC区间的充电电流，R_k为第k个SOC区间电池的内阻，t_k为第k个SOC区间的充电时间，T₁表示电池第一阶段电流自适应充电模式所需的充电时间，Q表示电池的实际容量；

第二阶段：恒流充电模式，充电电流为I₂，当电池电压再次上升至电池充电截止电压时，该充电阶段结束；充电电流I₂的选择原则如下：

1)、电流I₂取值时，需要在所述充电方法的充电时间与恒流-恒压充电方法的充电时间之间添加一个时间约束，约束中的时间差根据实际需求进行适当调整；在选择第二阶段充电电流I₂时，存在一个所述充电方法与恒流-恒压方法所需充电时间之间的约束，该约束的目的是要使所提出充电方法的充电时间相对于恒流-恒压方法不具明显劣势，在满足上述时间约束的前提下，I₂要求取得最小值；

2)、在满足上述时间约束的基础上，电流I₂要取得最小值，最小的I₂要能最大程度的缓解充电过程中电池的最高温升，提高充电效率和安全性；

求解I₂最小值的优化问题标准化如下：

公式中I_max和I_min表示电池的最大可接受充电电流和所设置的最小充电电流，T_CC-CC-CV为CC-CC-CV充电方法所需的充电时间，T_CC-CV为CC-CV充电方法所需的充电时间，Δt表示设置的两种充电方法允许的充电时间差；

第三阶段：恒压充电模式，充电电压为电池的充电截止电压，当电池电流降低至充电截止电流时，该充电阶段结束。

2.根据权利要求1所述的考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，第一阶段电流自适应充电模式中自适应电流的变化趋势与电池内阻的变化趋势相反，且自适应电流的平均值等于恒流-恒压充电方法中恒流阶段的充电电流I₁。

3.根据权利要求1所述的考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，第三阶段恒压充电模式与恒流-恒压充电方法中的恒压模式一致。

4.根据权利要求1所述的考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，第一阶段最优自适应充电电流的求解问题，Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的三段式充电方法时，第一阶段自适应充电电流关于其平均值I₁和电池SOC的函数如下：

5.根据权利要求1所述的考虑内阻特性的锂离子电池三段式充电方法，其特征在于，求解I₂最小值的优化问题，Panasonic NCR18650BD锂离子电池采用所提出的三段式充电方法时，将所发明充电方法与传统恒流-恒压方法的充电时间差控制在3分钟以内，即Δt为3分钟，最大和最小充电电流分别设置为1C即3.2A和1/20C即0.16A，第二阶段充电电流I₂关于第一阶段充电电流I₁的函数如下：

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