专利名称：车用动力二次电池的快速充电方法
技术领域：
本发明涉及一种车用动力二次电池的快速充电方法。
背景技术：
铅酸蓄电池的充电接受能力是指其电解液只产生微量析气的前提下所能接受的最大充电电流。1967年，美国科学家J.A.Mas提出了铅酸蓄电池充电可接受电流定律I＝I0e-at如图1所示，其中I为蓄电池可接受的充电电流，I0为开始充电(t＝0)时蓄电池可接受的最大充电电流。a为充电可接受电流的衰减常数，与蓄电池的结构和状态有关。在析气区域(曲线上方)进行充电，只会增加析气量，降低充电效率。在曲线以下的区域充电，则会增加充电时间，在曲线上进行的充电，为最优的充电方案。从其充电可接受电流曲线可知，产生大量析气不仅是出现在蓄电池的充电后期，在充电的任一时间内，只要充电电流大于当时的可接受电流，就会出现过充电现象。但此公式主要是针对铅酸蓄电池而言的。
镍氢电池在充电时，负极要吸收镍电极传输的氧气，在负电极表面复合产生大量的热量，并且储氢电极吸氢反应是放热反应，所以充电时温度必然会上升。尤其是密封电池在过充电状态下温度速率上升更为明显。根据PV＝nRT方程，当温度速率上升使压力超过电池安全阀打开的边界条件时，电池泄气，电解液泄漏，电池性能变得恶劣，甚至提前失效。尤其是当采用10C——20C快速度充电时，温度速率上升会产生巨变，如果控制的方法不确当会使电池内部的压力瞬时超过安全阀的开启压力，电池的安全性就会存在隐患，这就是二次密封电池之所以在10C——20C快速充电问题的困难所在。
通常镍氢电池、铅酸电池等正常充电控制方式有以下几种1、通过仪器检测出充电状态下电池电压(V)的峰值(ΔV/Δt＝0、-ΔV，Δt)时，停止充电。
2、通过仪器检测出电池的电压的变化率为一定的正值，停止充电(ΔV/Δt控制)。
3、通过仪器检测出电池的电压的变化率为一定的负值，停止充电(ΔV/Δt控制)。
4、当电池的温度变化率(ΔT/Δt)为一定数值时停止充电。
而快速充电控制方式一般用脉冲充电方式，采用[ΔV/Δt(＞设计值)]+[-ΔV/Δt(＜0)]+[ΔT/Δt(＞设计值)]二种或三种方式并用的控制模式，式中ΔV/Δt——电池的电压的变化率；ΔT/Δt——电池的温度的变化率。
上述方法无论是正常充电还是快速充电控制的方式都是根据电池的电压、温度的变化率来控制电池的充电状态。但上述数种方法，充电电流在15分钟率(4CmA)到10小时率(1/10CmA)之间。而用于电动车和混合电动车的电池，按照美国先进电池联合体(USABC)提出电池5分钟快速充电要求，上述充电方式无法满足用户在短时间内对电动车和混合电动车快速充电需求。
发明内容
本发明提供一种二次电池的快速充电方法，它通过改变充电电流的控制方式，达到电池充电的温度低，内压低，充电时间短，放电容量高的效果。
本发明是这样实现的一种车用动力二次电池的快速充电方法，它包括下列步骤1)、以3分钟率到6分钟率的任意大电流对电池进行快速充电；2)、当电池内部稍析气即电池内压达到一定值时，改用小一点的大电流对电池进行充电；3)、重复上述步骤，以此方案不断改用稍小的大电流充电，直到电池充电到荷电态大于70％。
在于快速充电过程中，电池内压不大于60Psi。
在以内压控制充电电流的大小时，充电过程中快速充电的电流和持续时间、荷电态满足关系方程式(1)Y＝(aM2+bM+d)×XK其中所述的Y为电池在一定荷电态下，充电可接受电流(A)，Y值的范围为0.5C≤Y≤25C，C为小时率；所述的M为电池对应的1-SOC数值，SOC指电池的荷电态，M值的范围为0≤M≤1；所述的X为电池在一定的荷电态和某一充电可接受电流(A)下，充电最大电流可承受的时间(min)；所述的K为电池在不同荷电态下对应的系数，k值的范围为-0.7≤K≤-0.5；所述的a为系数，a值的范围为-400≤a≤0；所述的b为系数，b值的范围为200≤b≤800；所述的d为系数，d值的范围为0≤d≤5。
在充电过程中，采用任一大电流对电池充电，当电池内压达一定值时，测定出充电时间，依照关系方程式(1)，即可得出电池未用所述电流充电前的初始荷电态，电池的初始荷电态与所述电流与快充时间的乘积之和，即为充电后电池的荷电态。
在充电过程中，根据电池在任意荷电态，任意大电流下，通过关系方程式(1)计算电池的最大可承受时间，智能化地控制充电时间。
在充电过程中，根据电池在任意荷电态下，在某一限定时间内，通过关系方程式(1)计算电池的最大可接受电流来控制电池的快速充电。
采用本发明的快速充电方法，可在3分钟率(20CmA)到6分钟率(10CmA)内进行快充，实现二次电池在电动车和混合电动车上的实用化，实现美国USABC提出电池5分钟快速充电要求。在充电过程中控制条件一般采用内压、温度和电压来判断充电方式，而最先起作用的是内压，本发明利用控制电池内压来控制充电电流的转换，实现了二次电池的安全快充，达到充电电池的温度低，内压低，充电时间短，放电容量高的效果。
在确定充电方法的基础上，本发明通过实验的方法，对任何二次电池(铅酸、镍氢电池等)建立了对应的快速充电模型，根据快速充电模型和电池的实际制造水平进行相应快速充电；使镍氢单体电池达到在10C至5C的充电电流的作用下，用5-6min时间，充入70-85％SOC，库仑转换效率为98％；通过本专利充电方法，能够确保镍氢单体电池的内压不大于60Psi，电池放电容量、放电平台等性能的稳定，在常温(20±5℃)下充电电池的温度不大于35℃。
电池充电接受能力与电池荷电量、电池内阻、电池结构类型等有关，当在以6分钟率(10CmA)到3分钟率(20CmA)的某一电流进行充电时，在电池具有不同的荷电态下，若充电时间超出该电池在该荷电态和大电流充电下可承受的时间，电池就会发生析气，内压上升，温度速率就会急剧上升到安全阀开启泄气，若未超出此充电承受时间，则不会发生析气现象，可以安全进行充电。这种情况说明在某一充电电流下的可接受的最长充电时间，或者说明在某一限定时间内的最大可接受充电电流，或者在某一荷电态下可承受电流、承受时间，三者是相互对应的关系。充电电流越大，极化电位越高，电极析气提前，充电时间短，反之充电时间延长。
本发明针对二次电池的特性，进行了一系列实验，得出了符合镍氢电池充电接受能力的公式，这对于实现镍氢电池和铅酸蓄电池的不同荷电状态下的快速充电，尤其是电动车用电池，提供了具有实际意义的研究方法。
图1为现有技术中铅酸蓄电池充电能力曲线图2为本发明中实验测得的电池不同荷电态下充电接受能力曲线图3为本发明电池充电检测和控制的逻辑框图
具体实施例方式
根据图3所示，本发明一种车用动力二次电池的快速充电方法，它包括下列步骤1)、以3分钟率到6分钟率的任意大电流对电池进行快速充电；2)、当电池内部稍析气即电池内压达到一定值时，即电池内压不大于60Psi，改用小一点的大电流对电池进行充电；3)、重复上述步骤，以此方案不断改用稍小的大电流充电，直到电池充电到荷电态大于70％。
通过实验方法，建立了快速充电的电流和持续时间、荷电态之间的关系方程式(1)Y＝(aM2+bM+d)×XK其中所述的Y为电池在一定荷电态下，充电可接受电流(A)，Y值的范围为0.5C≤Y≤25C，C为小时率；所述的M为电池对应的1-SOC数值，SOC指电池的荷电态，M值的范围为0≤M≤1；所述的X为电池在一定的荷电态和某一充电可接受电流(A)下，充电最大电流可承受的时间(min)；所述的K为电池在不同荷电态下对应的系数，k值的范围为-0.7≤K≤-0.5；所述的a为系数，a值的范围为-400≤a≤0；所述的b为系数，b值的范围为200≤b≤800；所述的d为系数，d值的范围为0≤d≤5。
电池在未知道现有的SOC状态的前提下，先以3分钟率(20CmA)到6分钟率(10CmA)内任意电流A1充电，当电池达到内部稍微析气时，停止充电，计算充电时间t1，对照关系方程式，就可以计算出电池未用该电流充电前的初始荷电态SOC状态，加上该电流与快充时间的乘积值，就得出此刻电池的荷电态。
在控制器知道电池所处的初始荷电态SOC1状态下，电池在有效的电极反应中，用3分钟率(20CmA)到6分钟率(10CmA)内任意一个大电流A2进行充电，随着充电的进行，电化学反应极化增大，副反应出现，一旦达到电池内部稍微析气时，也就是达到本发明提出的该电流下可承受最大时间t2后，采用内压控制转折点的方法，改变为稍小一点的大电流A3充电，此时电池基本上消除了极化又到一个新的SOC2状态，随着充电的进行，电化学反应极化又增大，副反应又出现，一旦达到电池内部稍微析气时，达到本发明提出的该电流A3下可承受的最大时间t3后采用内压控制转折点的方法，改变为稍小一点的大电流A4充电，以此方案不断改用电流进行充电，直到电池充电到100％SOC状态为止。
以下通过实验方法测定不同荷电态下电池充电接受能力，以与本发明建立的充电模型即关系方程式(1)的结果进行比较。
在环境温度条件相同的情况下，以20Ah方型镍氢电池为研究对象，分别在0％SOC和25％SOC状态下进行实验。根据本发明的关系方程式(1)进行快速充电。
Y＝(aM2+bM+d)×XK1)荷电态0％SOC基础上变电流连续快速充电试验采用Arbin电池性能测试仪进行实验，取出电池的安全阀芯，接上压力探头；在负极柱上粘紧温度探头；正负电极上用螺母连接电流线、电压线；先将电池用0.2C放电到1.0V，停30min，任意选用3种电流快充，电流分别为200A、175A、150A，次序为以200A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，转175A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，转150A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，在实验中过程中控制条件最先起作用的是内压，实验结果见表一。同时依本实验数据绘制出曲线见图2。
这样共充入容量15.6AH，用0.2C小电流放电，放电容量为15.3AH，库仑转换效率为98％，采用7.5C-10C之间不同电流充电，其达到保护条件的时间与按照关系方程式(1)计算该电流下充电可承受的最大时间相同，实验结果验证了快速充电控制方式的精确性和合理性。
2)荷电态25％SOC基础上变电流连续快速充电试验采用Arbin电池性能测试仪进行实验，取出电池的安全阀芯，接上压力探头；在负极柱上粘紧温度探头；正负电极上用螺母连接电流线、电压线；先将电池用0.2C放电到1.0V，停30min，以0.2C充电到5AH，停30min，任意选用3种电流快充，电流分别为200A、175A、150A，次序为以200A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，转175A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，转150A充电到保护条件(压力35Psi、温度35℃、电压1.9V)，在实验中过程中控制条件最先起作用的是内压，实验结果如下这样共充入容量16.86AH，用0.2C小电流放电，放电容量为16.52AH，库仑转换效率为98％，采用7.5C-10C之间不同电流充电，其达到保护条件的时间与按照关系方程式(1)计算该电流下充电可承受的最大时间相同，实验结果验证了本发明快速充电方法的精确性和合理性。实验结果见表二。同时依本实验数据绘制出曲线见图2。
从实验实际测试的结果对电池的实际充电情况理解，是不存在当X值为0时，最大可接受充电的电流为无穷大的现象。
表一
表二
权利要求
1.一种车用动力二次电池的快速充电方法，其特征在于它包括下列步骤1)、以3分钟率到6分钟率的任意大电流对电池进行快速充电；2)、当电池内部稍析气即电池内压达到一定值时，改用小一点的大电流对电池进行充电；3)、重复上述步骤，以此方案不断改用稍小的大电流充电，直到电池的荷电态大于70％。
2.根据权利要求1所述的快速充电方法，其特征是在快速充电过程中，电池内压不大于60Psi。
3.根据权利要求1或2所述的快速充电方法，其特征是在以内压控制充电电流的大小时，充电过程中快速充电的电流和持续时间、荷电态满足关系方程式(1)Y＝(aM2+bM+d)×XK其中所述的Y为电池在一定荷电态下，充电可接受电流(A)，Y值的范围为0.5C≤Y≤25C，C为小时率；所述的M为电池对应的1-SOC数值，SOC指电池的荷电态，M值的范围为0≤M≤1；所述的X为电池在一定的荷电态和某一充电可接受电流(A)下，充电最大电流可承受的时间(min)；所述的K为电池在不同荷电态下对应的系数，k值的范围为-0.7≤K≤-0.5；所述的a为系数，a值的范围为-4 00≤a≤0；所述的b为系数，b值的范围为200≤b≤800；所述的d为系数，d值的范围为0≤d≤5。
4.根据权利要求3所述的快速充电方法，其特征是在充电过程中，采用任一大电流对电池充电，当电池内压达一定值时，测定出充电时间，依照关系方程式(1)，即可得出电池未用所述电流充电前的初始荷电态，电池的初始荷电态与所述电流与快充时间的乘积之和，即为充电后电池的荷电态。
5.根据权利要求4所述的快速充电方法，其特征在于在充电过程中，根据电池在任意荷电态，任意大电流下，通过关系方程式(1)计算电池的最大可承受时间，智能化地控制充电时间。
6.根据权利要求4所述的快速充电方法，其特征在于在充电过程中，根据电池在任意荷电态下，在某一限定时间内，通过关系方程式(1)计算电池的最大可接受电流来控制电池的快速充电。
全文摘要
本发明公开了一种车用动力二次电池的快速充电方法，它包括下列步骤1)、以3分钟率到6分钟率的任意大电流对电池进行快速充电；2)、当电池内部稍析气即电池内压达到一定值时，改用小一点的大电流对电池进行充电；3)、重复上述步骤，以此方案不断改用稍小的大电流充电，直到电池充电到荷电态大于70％。通过实验方法建立了快速充电模型，可根据电池在不同荷电状态下，进行智能化判断充电电流和时间，通过该模型充电可以使电池在10℃－20℃左右快充，时间比IEC规定的时间缩短1/50－1/60左右；内压保持在60PSI以下；放电容量可大于额定容量的70％。
文档编号H01M10/44GK1505201SQ0214842
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月4日 优先权日2002年12月4日
发明者沈建, 宋翔, 葛建生, 邢志勇, 石常青, 李相哲, 建 沈 申请人:春兰(集团)公司