本發(fā)明屬于電池管理
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種用于多種電池充電算法的開發(fā)方法。
背景技術(shù)：
：鋰離子電池的充電難是限制新能源汽車廣泛應(yīng)用的主要問題之一，主要表現(xiàn)在慢充速度慢，快充損害電池，低溫下充電效率低、損傷大且存在安全問題。因此，為了改善電池充電性能，需要開發(fā)速度更快兼顧電池壽命、安全性的無損充電算法。目前，最普遍的充電算法為恒流恒壓(CCCV)模式充電，即先以恒定電流充電至截止電壓，再以恒定電壓充電，直至電流減小至截止電流，停止充電。為了提高充電速度，減少造成的電池損傷，每一種新的充電算法的開發(fā)需要進行大量實驗，以確定合適的充電參數(shù)。如多階段恒流充電，需要確定電流轉(zhuǎn)變荷電狀態(tài)值(SOC)、每階段電流倍率等參數(shù)；再如脈沖充電，需要確定脈沖周期、脈沖電流倍率等參數(shù)。測試過程耗時較長，且測試中需拆解電池，觀察電池內(nèi)部是否發(fā)生副反應(yīng)，浪費大量電池，使新的充電算法開發(fā)效率很低。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于客服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于多種電池充電算法的開發(fā)方法，本方法能夠在不損傷電池性能的前提下，開發(fā)快速充電、低溫加熱等多種特點的充電算法。本發(fā)明介紹了一種電池充電算法的開發(fā)方法，利用帶有參比電極的三電極電池，提前設(shè)定單電極電位的警戒閾值，并以預(yù)設(shè)充電算法對三電極電池進行試充電，同時監(jiān)測單電極電位。當(dāng)單電極電位達到警戒電位，則引入電流調(diào)整事件，使單電極電位保持安全區(qū)間充電，帶有電流調(diào)整事件的試充電算法即為開發(fā)好的充電算法。所述開發(fā)方法，具體包括以下步驟：步驟1)制備帶有參比電極的鋰離子電池：在待開發(fā)充電方式的電池內(nèi)部的負極與隔膜界面加入可提供穩(wěn)定參比電位的參比電極，制成帶有參比電極的三電極電池。步驟2)設(shè)定所述帶有參比電極的三電極電池正極電位警戒閾值ηc,thr和負極電位警戒閾值ηa,thr；步驟3)將制備好的三電極電池放入恒溫箱，并與充電電源接線連接；對所述三電極電池放電至荷電狀態(tài)等于0，在恒溫箱內(nèi)部靜置3小時以上；步驟4)靜置完成后，對所述三電極電池，以預(yù)設(shè)充電算法充電；每隔時間間隔Δt記錄一次該三電極電池端電壓、正極電位、負極電位、溫度和電流值；所述Δt根據(jù)控制精度需求設(shè)定；步驟5)每隔時間間隔Δt，分別記錄當(dāng)前電池的正極、負極電位ηc和ηa，并根據(jù)正極電位警戒閾值ηc,thr與正極電位ηc之差即ηc,thr-ηc、負極電位ηa與負極電位警戒閾值ηa,thr之差即ηa-ηa,thr，進行充電電流的調(diào)整；步驟6)記錄上述過程中的電流調(diào)整事件觸發(fā)的時刻、荷電狀態(tài)值和調(diào)整事件的內(nèi)容，得到充電算法所需要的參數(shù)表，完成充電算法的開發(fā)。所述步驟5)具體包括以下步驟：步驟5.1)當(dāng)前充電時刻為Ti，若ηc,thr-ηc或ηa-ηa,thr小于0，記錄當(dāng)前荷電狀態(tài)值為SOCi，觸發(fā)一次電流調(diào)整事件Ai；其中，i＝0,1,2,……,n-1,n，n為正整數(shù)，代表充電調(diào)整次數(shù)；步驟5.2)不斷重復(fù)步驟5.1)，直到充電時刻為Tn時，達到根據(jù)電流調(diào)整事件設(shè)定的截止條件。本發(fā)明的特點及有益效果：本發(fā)明的目的在于優(yōu)化鋰離子電池充電算法開發(fā)過程繁瑣步驟，降低開發(fā)的經(jīng)濟和時間成本，提升充電算法的實際效果，提出用于多種電池充電算法的開發(fā)方法，應(yīng)用本方法能夠在不損傷電池性能的前提下，開發(fā)快速充電、低溫加熱等多種特點的充電算法。附圖說明圖1為本發(fā)明方法總體流程框圖；圖2是本發(fā)明方法采用的開發(fā)平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是一種電流動態(tài)更新的快速充電算法開發(fā)方法的實施例一；圖4是一種脈沖加熱充電算法開發(fā)方法的實施例二。具體實施方式本發(fā)明介紹了一種電池充電算法的開發(fā)方法，利用帶有參比電極的三電極電池，提前設(shè)定單電極電位的警戒閾值，并以預(yù)設(shè)充電算法對三電極電池進行試充電，同時監(jiān)測單電極電位；當(dāng)單電極電位達到警戒閾值，則引入電流調(diào)整事件，使單電極電位保持安全區(qū)間充電，從而保障電池的壽命和安全性，帶有電流調(diào)整事件的試充電算法即為開發(fā)好的充電算法。本發(fā)明提出的一種用于多種鋰電池充電算法的開發(fā)方法，其總體流程如圖1所示，該方法包括以下步驟：步驟1)制備帶有參比電極的鋰離子電池：在待開發(fā)充電方式的電池內(nèi)部的負極與隔膜界面加入可提供穩(wěn)定參比電位的參比電極，制成帶有參比電極的三電極電池；三電極電池種類包括：帶有鋰金屬參比電極的電池、帶有Sn-Li合金參比電極的電池和帶有磷酸鐵鋰參比電極的電池等；步驟2)設(shè)定所述帶有參比電極的三電極電池正極電位警戒閾值ηc,thr和負極電位警戒閾值ηa,thr；其中，ηc,thr一般設(shè)定在4.35V-4.45V，ηa,thr一般設(shè)定在20-30mV；步驟3)將制備好的三電極電池放入恒溫箱，并與充電電源接線連接；對所述三電極電池放電至荷電狀態(tài)值SOC＝0，在恒溫箱內(nèi)部靜置3小時以上；步驟4)靜置完成后，對所述三電極電池，以預(yù)設(shè)充電算法(即初始的電流算法)P0充電，P0包括但不限于恒流充電、脈沖充電、恒壓充電等算法；每隔時間間隔Δt記錄一次該三電極電池端電壓、正極電位、負極電位、溫度和電流值。Δt可根據(jù)控制精度需求設(shè)定，一般取1-10s；步驟5)每隔時間間隔Δt，分別記錄當(dāng)前電池的正極、負極電位ηc和ηa，并根據(jù)正極電位警戒閾值ηc,thr與正極電位ηc之差(即ηc,thr-ηc的值)、負極電位ηa與負極電位警戒閾值ηa,thr之差(即ηa-ηa,thr的值)，進行充電電流的調(diào)整；該調(diào)整方法具體包括以下步驟：步驟5.1)當(dāng)前充電時刻為Ti(i＝0,1,2,……,n-1,n，n為正整數(shù)，代表充電調(diào)整次數(shù))，若(ηc,thr-ηc)或(ηa-ηa,thr)小于0，記錄當(dāng)前SOC值為SOCi，觸發(fā)一次電流調(diào)整事件Ai；該電流調(diào)整事件可根據(jù)實際情況由使用者設(shè)定，包括但不限于：調(diào)整電流倍率并設(shè)定電流倍率降低量為ΔI；或引入一次放電脈沖并設(shè)定放電脈沖值為Id、脈沖時間為Td、間歇時間為Tr，之后繼續(xù)以原脈沖電流充電等；步驟5.2)不斷重復(fù)步驟5.1)，直到充電時刻為Tn時，達到根據(jù)電流調(diào)整事件設(shè)定的截止條件，如：充電電池電壓Vn達到充電截止電壓Vlimit(Vlimit由電池本身決定，此時電流倍率為In-1)，或電池溫度達到目標溫度Ttarget，或達到其他截止條件，充電過程結(jié)束；步驟6)記錄上述過程中的電流調(diào)整事件觸發(fā)的時刻、SOC值和調(diào)整事件的內(nèi)容，得到充電算法所需要的參數(shù)表(包括電流轉(zhuǎn)變SOC、每時段電流倍率、脈沖充電需要確定脈沖周期、脈沖電流倍率等參數(shù))，完成充電算法的開發(fā)。下面，以三元正極/石墨負極鋰離子電池為例，結(jié)合附圖具體介紹本發(fā)明開發(fā)方法中實現(xiàn)的快速充電開發(fā)平臺。如圖2所示，該平臺硬件主要由5部分組成，分別為電池測試恒溫箱1、帶有參比電極的鋰離子電池2、電池充放電測試臺架3、信號采集系統(tǒng)4和存儲有本發(fā)明方法的控制程序的電腦控制終端5；其中，將帶有參比電極的鋰離子電池2置于電池測試恒溫箱1中，該帶有參比電極的鋰離子電池2分別與電池充放電測試臺架3和信號采集系統(tǒng)4相連，電腦控制終端5分別與電池充放電測試臺架3和信號采集系統(tǒng)4相連。上述各部件的具體實現(xiàn)及功能說明如下：電池測試恒溫箱1為電池開發(fā)提供環(huán)境溫度，溫度值決定于開發(fā)需求：如進行低溫充電或低溫加熱算法開發(fā)，則將溫度設(shè)定在零度以下；如進行常溫快速充電算法，則將溫度設(shè)定在25℃。帶有參比電極的鋰離子電池2由待開發(fā)電池對象附加參比電極制備而成。電池可以為軟包、方殼、圓柱形等多種形式。參比電極包括但不限于：鋰金屬片、鍍鋰銅絲、鈦酸鋰、Sn-Li合金等能夠提供穩(wěn)定參比電勢的電極。電池充放電測試臺架3提供電池的充放電電流，其控制精度、控制頻率、最大電流等參數(shù)需滿足充電算法需求，并具有電流動態(tài)更新功能。開發(fā)時，該臺架的正負極電纜分別與電池正負極極耳相連，以施加電流；信號輸入端與電腦控制終端相連，接受控制終端傳遞的電流信號。信號采集系統(tǒng)4主要由傳感器構(gòu)成。測量端電壓、正極、負極電位的電壓傳感器、測量充放電電流的電流傳感器和電池溫度的溫度傳感器。上述傳感器共同構(gòu)成信號采集系統(tǒng)，并將采集到的信號實時傳輸給電腦控制終端。電腦控制終端5主要有三大作用：1)接受信號采集系統(tǒng)4傳輸?shù)碾妷?、電流、溫度信號?)存儲本發(fā)明開發(fā)的充電算法；3)給出當(dāng)前時刻的建議充放電電流值；電腦控制終端是整個開發(fā)平臺的“大腦”，既可以通過人工方式調(diào)節(jié)電流，也可以根據(jù)預(yù)先存儲好的控制程序自動完成電流更新。實現(xiàn)本發(fā)明方法時，首先需要制備帶有參比電極的電池，連接好充電電纜、信號線，并放入測試恒溫箱1中；接著以預(yù)設(shè)的充電電流初值對電池充電，由電腦控制終端5監(jiān)控電池的端電壓、正負極電位和溫度；當(dāng)電池信號達到電流調(diào)整觸發(fā)閾值，則采用人工或程序自主的方法調(diào)整電流值，并以新的電流值繼續(xù)充電，直到電壓截止，停止充電。保存上述充電過程中的電流值，即為開發(fā)出的充電算法。還應(yīng)對該算法進行重復(fù)驗證，確保該算法的有效性后，完成整個開發(fā)過程。下面結(jié)合圖3，介紹第一個具體實施例，針對三元正極/石墨負極的鋰離子電池，利用充電算法開發(fā)平臺開發(fā)一種多階段恒流充電的快速充電算法。步驟1)制備帶有參比電極的鋰離子電池：在待開發(fā)充電方法的電池內(nèi)部的負極與隔膜界面加入可提供穩(wěn)定參比電位的參比電極，制成帶有參比電極的三電極電池；本實施例采用鋰金屬作為參比電極材料；步驟2)設(shè)定正極電位警戒閾值ηc,thr和負極電位警戒閾值ηa,thr；本實施例中所述正極電位警戒閾值ηc,thr設(shè)定為4.45V；所述負極電位警戒閾值ηa,thr設(shè)定為25mV；步驟3)將制備好的三電極電池放入恒溫箱，并接好接線；充電前，對所述三電極電池放電至SOC＝0，在恒溫箱內(nèi)部靜置3小時；步驟4)靜置完成后，對所述三電極電池，以預(yù)設(shè)充電算法P0充電，每隔時間間隔Δt記錄一次電池端電壓、正極電位、負極電位、溫度和電流值；本實施例中預(yù)設(shè)電流制度P0為以電流倍率I0＝3C進行恒流充電；Δt為1s，以保障充電算法安全性；步驟5)每隔時間間隔Δt，分別記錄當(dāng)前電池的正極、負極電位ηc和ηa，并根據(jù)正極電位警戒閾值ηc,thr與正極電位ηc之差(即ηc,thr-ηc的值)、負極電位ηa與負極電位警戒閾值ηa,thr之差(即ηa-ηa,thr的值)，進行充電電流的調(diào)整；該調(diào)整方法具體包括以下步驟：步驟5.1)當(dāng)前充電時刻為Ti(i＝0,1,2,……,n-1,n，n為正整數(shù)，代表充電調(diào)整次數(shù)，由電池種類確定)，若(ηc,thr-ηc)或(ηa-ηa,thr)小于0，記錄當(dāng)前SOC值為SOCi，觸發(fā)一次電流調(diào)整事件Ai；本實施例的電流調(diào)整事件Ai為：設(shè)定電流倍率降低量為ΔI，得到Ii＝Ii-1-ΔI，并以Ii繼續(xù)恒流充電；步驟5.2)不斷重復(fù)步驟5.1)，直到充電時刻為Tn時的充電電池電壓Vn＝Vlimit＝4.2V，充電過程結(jié)束，其中Vlimit為充電截止電壓，此時電流倍率為In-1；步驟6)記錄上述過程中的電流調(diào)整事件觸發(fā)的時刻、SOC值和調(diào)整事件的內(nèi)容，得到充電算法參數(shù)表，完成充電算法的開發(fā)過程；該充電算法參數(shù)可直接應(yīng)用于開發(fā)所用多種目的的商業(yè)電池的充電過程，本實施例的充電算法參數(shù)見表1：表1多階段恒流快速充電算法參數(shù)上表即為開發(fā)出的充電算法參數(shù)表(MAP)。如圖3所示，分別為開發(fā)出的電流調(diào)整參數(shù)、電池端電壓和負極電位。電流值及時更新保證了負極電位始終高于負極析鋰電勢臨界值，使充電過程處于無損區(qū)間。實際應(yīng)用時，充電前先得到電池SOC估計值SOCe，SOCj-1<SOCe<SOCj，則先以Ij-1恒流充電至電池SOC＝SOCj，再以Ij繼續(xù)充電，之后的充電過程按照算法Map完成。上述開發(fā)過程簡單快捷，無需拆解電池檢驗充電算法的安全性，節(jié)省了電池資源，大大縮短了開發(fā)周期。下面結(jié)合圖4，介紹第二個具體實施例，利用開發(fā)平臺開發(fā)不損傷電池的低溫加熱充電算法，電池對象為三元正極\石墨負極鋰離子電池。步驟1)制備帶有參比電極的鋰離子電池：在待開發(fā)充電方法的電池內(nèi)部的負極與隔膜界面加入可提供穩(wěn)定參比電位的參比電極，制成帶有參比電極的三電極電池，本實施例采用鋰金屬作為參比電極材料；步驟2)設(shè)定正極電位警戒閾值ηc,thr和負極電位警戒閾值ηa,thr；本實施例中所述正極電位警戒閾值ηc,thr設(shè)定為4.4V；本實施例中所述負極電位警戒閾值ηa,thr設(shè)定為25mV；步驟3)將制備好的三電極電池放入恒溫箱(溫度設(shè)定為Tstart)，并接好接線；充電前，對所述三電極電池放電至SOC＝0，在恒溫箱內(nèi)部靜置5小時；步驟4)靜置完成后，對所述三電極電池，以預(yù)設(shè)充電算法P0充電。每隔時間間隔Δt記錄一次電池端電壓、正極電位、負極電位、溫度和電流值；本實施例中預(yù)設(shè)電流制度P0為脈沖電流，充電脈沖值為Id＝1C，脈沖時間Td＝0.5s，間歇時間為Tr＝0.5s；Δt取1s；步驟5)每隔時間間隔Δt，分別記錄當(dāng)前電池的正極、負極電位ηc和ηa，并根據(jù)正極電位警戒閾值ηc,thr與正極電位ηc之差(即ηc,thr-ηc的值)、負極電位ηa與負極電位警戒閾值ηa,thr之差(即ηa-ηa,thr的值)，進行充電電流的調(diào)整；該調(diào)整方法具體包括以下步驟：步驟5.1)當(dāng)前充電時刻為Ti(i＝0,1,2,……,n-1,n，n為正整數(shù)，代表充電調(diào)整次數(shù))，若(ηc,thr-ηc)或(ηa-ηa,thr)小于0，記錄當(dāng)前SOC值為SOCi，觸發(fā)一次電流調(diào)整事件Ai；本實施例的電流調(diào)整事件Ai均為：引入一次放電脈沖，放電脈沖值為Id＝1C，脈沖時間Td＝1s，之后繼續(xù)以原脈沖電流充電。步驟5.2)不斷重復(fù)步驟5.1)，直到充電時刻為Tn的充電電池電壓Vn達到充電截止電Vlimit，或電池溫度達到目標溫度Ttarget時，充電過程結(jié)束；所述Ttarget由開發(fā)者設(shè)置，一般為0℃以上；步驟6)記錄上述過程中的電流調(diào)整事件觸發(fā)的時刻、SOC值和調(diào)整事件的內(nèi)容，得到充電算法所需要的參數(shù)表(引入放電脈沖的SOC)，并記錄起始溫度Tstart。本實施例的充電算法參數(shù)見表2：表2低溫加熱充電算法參數(shù)充電時刻Ti/s當(dāng)前SOC電流調(diào)整事件00/T1SOC1A1T2SOC2A2………Tn1An-1實際應(yīng)用時，為了在不同溫度下使用，可以改變起始溫度Tstart，分別記錄響應(yīng)的低溫加熱充電算法參數(shù)，使算法能夠在不同低溫范圍使用。如圖4所示，該充電加熱算法能夠保證在整個加熱過程中負極電位不低于負極析鋰臨界值，保證了電池安全，并完成電池快速自加熱。當(dāng)前第1頁1 2 3