CN113991781A - 一种锂离子电池低温快速充电方法及充电器 - Google Patents

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Abstract

本方案公开了锂离子电池充电技术领域的一种锂离子电池低温快速充电方法，S1、当电池温度低于可充电温度阈值时，对所述电池内部进行加热；S2、当电池温度达到可充电温度阈值且电池电压达到上限电压时，对所述电池进行间歇脉冲充电，间歇脉冲充电的方法为：采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，停充期间电池电压降到上限电压后，再次采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，如此循环至充电占空比低至5％～10％则停止充电。脉冲电流充电或者高频率的充放电产生欧姆热抵御外界低温环境，最终完成锂离子电池的快速充电功能，温度的变化小，对电池寿命影响小。

Description

一种锂离子电池低温快速充电方法及充电器
技术领域
本发明属于锂离子电池充电技术领域，特别涉及一种锂离子电池低温快速充电方法及充电器。
背景技术
随锂离子电池自20世纪90年代商业化以来，由于其长循环寿命、高比能量、高比功率、高工作电压、低自放电率等优点，逐步取代传统电源在卫星、火箭、水中兵器、无人机、空间飞行器、导弹等军事领域获得广泛应用。锂离子电池通过Li+在正负极之间的迁移实现储能和放电，然而Li+在正负极之间的迁移受到温度很大的影响，特别是低温下由于正负极的动力学条件变差，以及电解液粘度上升，电导率下降等因素会导致锂离子电池内阻大幅增加，性能急剧下降，引起锂离子电池低温无法放电。更为严重的是低温充电导致负极极易析锂，不但会造成电池容量急速衰减，还会造成严重的安全隐患，严重制约锂离子电池在军事领域的应用及发展。
目前针对锂离子电池的低温使用问题，工程应用上通常在提高动力电池***保温性的前提下，利用外部加热的方法对电池进行预热，当将电池温度升高至适宜温度之后再对电池进行充放电使用。这种方法需要外部加热和保温***的辅助，存在导热路径长、加热用时长、耗能大、加热不均匀等缺陷，同时会增加电池组的热管理***的复杂性和制造工艺难度、降低使用可靠度、提升电池生产成本。
发明内容
本发明意在提供一种充电速度快，对电池寿命影响小的锂离子电池低温快速充电方法。
本方案中的一种锂离子电池低温快速充电方法，包括：
S1、当电池温度低于可充电温度阈值时，对所述电池内部进行加热；
S2、当电池温度达到可充电温度阈值且电池电压达到上限电压时，对所述电池进行间歇脉冲充电，间歇脉冲充电的方法为：采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，停充期间电池电压降到上限电压后，再次采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，如此循环至充电占空比低至5％～10％则停止充电。
本发明的工作原理及效果是：利用高频率的大电流脉冲对电池进行充放电，依靠电池内阻大产生大量的欧姆热，能在低温环境中使电池自身温度快速上升到电池充电适宜温度。同时，在可充电温度范围内对电池进行大倍率脉冲放电和大倍率脉冲充电过程中，可以利用脉冲电流充电或者高频率的充放电产生欧姆热抵御外界低温环境，最终完成锂离子电池的快速充电功能，满足在低温环境中重复使用的军事需求。
在脉冲充电时，T0根据需要而定，脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间会变长，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小，对电池寿命影响小。
单体电池的电压范围通常是3.0V～4.2V，所以相应的在本案中上限电压为4.2V。
进一步，S1中对电池内部进行加热时先采用恒定电流I1、时间T1进行充电，然后采用恒定电流I2、时间T2进行放电，I1和I2均为5～100C，T1和T2均为10～200ms；充电频率为H1，放电频率为H2，具体如下：
S11、H1＝H2时，I1＝I2，T1＝T2；
S12、H1＜H2时，I1＝I2，T1＞T2。
通过高频充放电产生的热量使电池内部升温，到达可充电温度范围。
进一步，S1中对电池内部进行加热时先采用电流I3、时间T3进行充电，然后采用电流I4、时间T4进行放电，I3、I4、T3和T4均随电池温度的变化而变化。通常情况下电池内阻随温度的变化而不同，因此为了实现电池温度的快速升高，高频充放电的频率及电流可根据电池温度的变化而变化，“I3、I4、T3和T4”随温度变化而变化。电池升温的过程中，电池的内部阻抗及极化程度是随温度变化而变化，如果高频充放电的频率及电流能根据电池温度变化而变化，动态跟踪电池的温度变化，自动调整充放电的振幅、频率及电流。这类智能方法，可结合神经网络和模糊控制等新进算法技术，实现***的自动优化。
进一步，S1中充电和放电之间设置短时搁置，所述搁置时长为10～500ms。具体的搁置时间可以根据充放电设备的灵敏度调试，搁置能在一定程度上消除浓差极化和欧姆极化，减小锂枝晶对电池的影响。
进一步，当电池电压低于上限电压时，先以恒定电流I5进行充电至达到上限电压再进行脉冲充电，I5为0.1～10C。I5一般通过仿真确定。该方案会事先测出电池的内阻随温度变化的曲线关系，然后根据内阻大小设定充放电电流大小。
本发明还提供了一种锂离子电池充电器，包括：
前端操作***：通信连接有温度采集模块和充放电模块通信连接，用于设定充电充电和放电时的振幅、频率及电流；
温度采集模块：用于采集电池的充电温度并向前端操作***反馈温度信息；
充放电模块：与电池连接，接收前端操作***发出的充电和放电的振幅、频率和电流，并采用上述的一种锂离子电池低温快速充电方法对电池进行充电和放电。
附图说明
图1为本发明一种锂离子电池低温快速充电方法的流程图；
图2为本发明一种锂离子电池低温快速充电方法的脉冲充电示意图；
图3为锂离子电池低温充电器的原理框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：低温箱1、温度采集模块2、前端操作***3、充放电模块4、电池5。
实施例1，基本如附图1及图2所示：一种锂离子电池低温快速充电方法，包括：
S1、当电池温度低于可充电温度阈值0℃时，对所述电池内部进行加热，加热方法为：
1、先采用恒定电流I1、时间T1进行充电，然后采用恒定电流I2、时间T2进行放电，I1和I2均为5～100C，T1和T2均为10～200ms；充电频率为H1，放电频率为H2，具体如下：
S11、H1＝H2时，I1＝I2，T1＝T2；
S12、H1＜H2时，I1＝I2，T1＞T2。
2、先采用电流I3、时间T3进行充电，然后采用电流I4、时间T4进行放电，I3、I4、T3和T4均随电池温度的变化而变化。
S2、当电池温度达到可充电温度阈值且电池电压达到4.2V时，对所述电池进行间歇脉冲充电，间歇脉冲充电的方法为：采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，停充期间电池电压降到4.2V后，停充时间为T01，再次采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，如此循环至充电占空比低至5％～10％则停止充电；T0根据需要而定。
若脉冲充电前电池电压低于4.2V，先以恒定电流I5进行充电至达到4.2V再进行脉冲充电，I5为0.1～10C。I5一般通过仿真确定。该方案会事先测出电池的内阻随温度变化的曲线关系，然后根据内阻大小设定充放电电流大小。
实施例2，与实施例1的区别是：S1中对电池内部进行加热时，充电和放电之间设置短时搁置，所述搁置时长为10～500ms。具体的搁置时间可以根据充放电设备的灵敏度调试，搁置能在一定程度上消除浓差极化和欧姆极化，减小锂枝晶对电池的影响。
以实施例2为例，具体实施过程如下：
(1)恒流充电100ms，电流45A(10C)；
(2)搁置50ms；
(3)恒流放电100ms，电流45A(10C)；
(4)搁置50ms；
判定工步：如果温度小于0.0℃，GOTO(1)；
判定工步：如果温度大于等于0.0℃，GOTO(5)；
(5)恒流充电至4.2V，电流18A；
(6)脉冲充电18A，脉宽200ms(T0)；
(7)搁置至电压达到4.2V，时间T01；
判定工步：如果温度小于0.0℃，GOTO(1)；
判定工步：如果温度大于等于0.0℃，GOTO(5)；
判定工步：如果T0/T01小于5％～10％；
(7)充电结束。
实施例3，一种锂离子电池充电器，如图3所示，包括：
前端操作***3：通信连接有温度采集模块和充放电模块通信连接，用于设定充电充电和放电时的振幅、频率及电流；
温度采集模块2：用于采集电池5的充电温度并向前端操作***反馈温度信息；电池5和温度采集模块2均位于低温箱1内；
充放电模块4：与电池5连接，接收前端操作***发出的充电和放电的振幅、频率和电流，并采用实施例1或实施例2的一种锂离子电池低温快速充电方法对电池5进行充电和放电。

Claims (6)

1.一种锂离子电池低温快速充电方法，其特征在于，包括：
S1、当电池温度低于可充电温度阈值时，对所述电池内部进行加热；
S2、当电池温度达到可充电温度阈值且电池电压达到上限电压时，对所述电池进行间歇脉冲充电，间歇脉冲充电的方法为：采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，停充期间电池电压降到上限电压后，再次采用4～10C的电流I0对电池进行充电，充电时长达到T0后停止充电，如此循环至充电占空比低至5％～10％则停止充电。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池低温快速充电方法，其特征在于：S1中对电池内部进行加热时先采用恒定电流I1、时间T1进行充电，然后采用恒定电流I2、时间T2进行放电，I1和I2均为5～100C，T1和T2均为10～200ms；充电频率为H1，放电频率为H2，具体如下：
S11、H1＝H2时，I1＝I2，T1＝T2；
S12、H1＜H2时，I1＝I2，T1＞T2。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池低温快速充电方法，其特征在于：S1中对电池内部进行加热时先采用电流I3、时间T3进行充电，然后采用电流I4、时间T4进行放电，I3、I4、T3和T4均随电池温度的变化而变化。
4.根据权利要求2或3所述的一种锂离子电池低温快速充电方法，其特征在于：S1中充电和放电之间设置短时搁置，所述搁置时长为10～500ms。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种锂离子电池低温快速充电方法，其特征在于：当电池电压低于上限电压时，先以恒定电流I5进行充电至达到上限电压再进行脉冲充电，I5为0.1～10C。
6.一种锂离子电池充电器，其特征在于，包括：
前端操作***：通信连接有温度采集模块和充放电模块通信连接，用于设定充电充电和放电时的振幅、频率及电流；
温度采集模块：用于采集电池的充电温度并向前端操作***反馈温度信息；
充放电模块：与电池连接，接收前端操作***发出的充电和放电的振幅、频率和电流，并采用如权利要求1～5任一项所述的一种锂离子电池低温快速充电方法对电池进行充电和放电。
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