单元电池快速充电方法和系统技术方案

技术编号:38673590 阅读:20 留言:0更新日期:2023-09-02 22:50
一种对电池单元(B)进行快速充电的方法,该电池单元设有充电/放电端子,能够利用流动的充电电流I(t)来向充电/放电端子施加充电电压V(t),所述方法包括以下步骤:

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单元电池快速充电方法和系统
[0001]本专利申请要求于2020年10月26日提交的新加坡专利申请No.10202010561W的优先权。


[0002]本专利技术涉及对电池单元(battery cell)进行快速充电的方法以及实现这种方法的快速充电系统。

技术介绍

[0003]与运行于环境温度下的其它可再充电电池(诸如基于碱性电解质和酸性电解质的电池)相比,锂离子电池(LIB)在能量密度(E
d
)、功率密度(P
d
)、寿命期限、运行温度范围、缺乏记忆效应、越来越低的成本以及可回收性方面显示出最佳的组合性能。
[0004]LIB市场呈指数级扩展,以涵盖三个主要应用:a)移动电子设备(mobile electronics,ME)(手机、手持设备、膝上型个人计算机、
……
);b)电动车(electromobility,EM)(电动自行车、电动汽车、电动公共汽车、无人机、航天器、船舶、
……
);以及c)固定储能系统(energy storage system,ESS)(发电厂、建筑物/住宅、清洁能源(太阳能、风能、
……
)、工业、电信、
……
)。
[0005]LIB中增长最快的市场细分部分是电动车市场。
[0006]在电动车方面,能量密度与任何电动车辆(electric vehicle,EV)的运行时间和行驶里程有关。当使用具有固定重量(kg)和体积(l)的电池组时,较高的E
d
提供较长的行驶里程。
[0007]LIB的能量密度自其商业化以来一直在稳定提高。然而,近年来显示,E
d
的增长减慢,其中,在单元级具有约250Wh/kg和700Wh/l的平台(plateau)。
[0008]由于E
d
和P
d
的限制,因此,目前主要由LIB供电的EV每次充满电的行驶里程为约250km至650km,并且充满电时间超过60min。
[0009]目前的内燃汽车可以在5min至10min内加满油箱并提供高达900km的行驶里程。
[0010]为了确保EV在即将到来的能源转型被公众成功接受,如今最重要的选择是快速充电。目前用于EV的快速充电站在60min内提供有限的充电量,这是因为:1)过热(达到安全温度极限),和/或2)过充电(达到安全电压极限)。
[0011]Journal of Energy Storage 6(2016)125

141中公开了用于锂离子电池的常见充电方法,如现有技术图1所示。
[0012]除了“电压轨迹”方法之外,所有其它LIB充电方法都在充电过程的至少一个步骤中施加恒定电流和/或恒定电压。
[0013]当将这些方法用于在不到60分钟内对LIB进行0至100%完全充电(快速充电)时,既未表明单元的循环寿命,也未表明单元的温度曲线。未表明所陈述的方法适用于所有电池的化学成分。
[0014]参照现有技术图2的典型的CCCV(恒定电流

恒定电压)充电和恒定电流放电曲线,
在恒定电流步骤(step)期间,电压从其初始值增加至设定电压值(高达4.4V)。在恒定电压步骤(高达4.4V)期间,电流下降至设定值(此处为0.05C或C/20)。
[0015]在静置时间(rest time)期间,电流为零,并且电压下降以达到开路电压(OCV)。
[0016]在CC放电期间,电流固定,并且电压下降至极限(此处为2.5V)。
[0017]在随后的静置时间期间,电流为零,并且电压增加至新的OCV值。
[0018]参照以多级恒定电流充电曲线(MSCC)为特征的现有技术图3,已向单元相继施加了两个充电电流I1和I2(其中,通常I1>I2)。
[0019]施加I1,直到电压达到第一值V1。然后,施加I2,直到电压达到值V2,依此类推。
[0020]可以施加其它电流Ij,直到达到电压Vj,其中,V1>V2>V3>

Vj>Vj+1。
[0021]当达到目标容量或者达到电压上限或者达到温度极限时,MSCC充电过程结束。
[0022]CCCV和MSCC是如今锂离子电池中使用的最流行的充电方法。如果完全充电时间超过2小时,则CCCV和MSCC是简单且方便的方法。
[0023]CCCV和MSCC两者都基于施加一个或多个充电恒定电流(CC)直至预设电压极限,然后通过施加恒定电压(CV)进行CCCV。
[0024]CCCV和MSCC两者实际上都不能用于在不到一个小时内对电池进行充电,这是因为:1)过多的热产生;2)阳极侧的锂金属镀敷,这可能产生内部短路和热失控事件;3)由于加速老化而缩短电池寿命。
[0025]此外,当被用于对串联连接的电池单元进行充电时,CCCV需要单元平衡,如例如在Amin等人的文章“Implementation of a LiFePO4 battery charger for cell balancing application”/Journal of Mechatronics,Electrical Power,and Vehicular Technology 9(2018)81

88中所讨论的。
[0026]实现CCCV的高功率应用所需的单元平衡具有平衡速度慢并因此耗时、开关结构复杂的缺点,它还需要用于开关操作的先进控制技术,如Mina Naguib等人发布于IEEE Access VOLUME 9,2021的文章“Lithium

Ion Battery Pack Robust State of Charge Estimation,Cell Inconsistency,and Balancing:Review”和Zachary Bosire Omariba等人发布于IEEE Access VOLUME 7,2019的文章“Review of Battery Cell Balancing Methodologies for Optimizing Battery Pack Performance in Electric Vehicles”所示。
[0027]在发布于eTransportation 1(2019)100011的文章“Lithium

ion battery fast charging:a review”中对快速充电(FC)协议进行了综述。对于充电时间<1h的快速充电,发现了快速充电的问题:热生成、锂镀敷、材料劣化、tch内的有限电荷吸收(ΔSOC<100%)、缩短的循环寿命、安全性以及热失控。
[0028]Journal of Energy Storage 29(2本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电池单元(B)的快速充电方法,所述电池单元设有充电/放电端子,能够利用流动的充电电流I(t)向所述充电/放电端子施加充电电压V(t),所述方法包括以下步骤:

向所述电池单元(B)的端子施加多个恒定电压级V
j
,其中,V
j+1
>V
j
,j=1、2、

、k,每个电压级包括间歇的n
j
个电压平台,

在一电压级内的两个相继的电压平台之间,使所述充电电流静置(I=0A)达静置时段1≤p≤n
j
,进行所述快速充电方法,直到达到以下条件中的任一条件:

达到预设充电容量或充电状态(SOC),

所述单元的温度T(t)超过预设极限值T
lim
,以及

所述单元的电压V(t)已经超过预设极限值V
lim
。2.根据权利要求1所述的快速充电方法,其特征在于,当达到阈值时,启动从电压级V
j
到下一级V
j+1
的转变,其中,p=n
j
。3.根据权利要求2所述的快速充电方法,其特征在于,所述快速充电方法还包括以下步骤:将所述下一级V
j+1
计算为V
j+1
=V
j
+ΔV(j),其中,ΔV(j)涉及电流变化+ΔV(j),其中,ΔV(j)涉及电流变化其中,p=n
j
。4.根据权利要求3所述的快速充电方法,所述快速充电方法还包括以下步骤:

在电压级V
j
期间测量所述电池单元(B)中的电流的强度(Io),

将强度变化(ΔI(j))计算为ΔI(j)=Io

I
limit
,其中,I
limit
是由预定极限电流限定的,

将电压变化(ΔV(j))计算为ΔV(j)=K
n
.ΔI(j),其中,K
n
被限定为可调系数,

向所述电池单元(B)的所述端子施加新的电压级V
j+1
=V
j
+ΔV(j)。5.根据权利要求4所述的快速充电方法,其中,相继的K值K
n
‑1至K
n
是通过使用机器学习技术确定的,以维持所述电池单元(B)的足够电荷。6.根据前述权利要求中任一项所述的快速充电方法,所述快速充电方法还包括以下步骤:

在一电压级V
j
内在两个相继的电流静置时间与之间,检测从初始值下降的流动的脉冲状电...

【专利技术属性】
技术研发人员:R
申请(专利权)人:雅扎米IP私人有限公司
类型:发明
国别省市:

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