一种变恒流-恒压充电方法
【专利摘要】本发明公开了一种变恒流?恒压充电方法，包括：当电池电压较低时，根据采样反馈的信息进行涓流充电；当电池电压上升到大电流充电设定门限时，进行大电流的恒流充电模式，此过程中充电电流只能逐渐减小，不能逆反变化；进入恒压充电阶段。本发明通过对常用充电策略优缺点的分析以及根据钛酸锂电池的充放电特性，提出变恒流?恒压充电法，集中了恒流?恒压充电法、脉冲充电法以及变电流间歇性充电法等充电策略的优点，并弥补了常见充电策略的不足。
【专利说明】
一种变恒流-恒压充电方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及充电领域，更确切地说是一种变恒流-恒压充电方法。
【背景技术】
[0002]从总体上来看，动力电池的充电、放电、维护和能量管理等技术仍然相对落后，不 适当的充电策略造成电池的损坏和寿命缩短等现象依然比较普遍，很多电池并不是用坏的 而是充坏的。造成这种现象的原因主要有两个，第一是对电池特性的了解不够，就锂电池而 言，它的充放电是一个十分复杂的化学反应过程，受到电池制造材料、充放电历史、环境温 度等诸多因素的影响;而且电池在本质上是非线性的，控制难度系数较大。第二是我们对充 电方法以及各种充电方法对电池影响的研究不够深入。目前主要的充电策略有恒流充电法 (Constant Current，CC)、恒压充电法（Constant Voltage，CV)、恒流恒压充电法（Constant Current/Constant Voltage，CC/CV)、三段式充电法、脉冲式充电法以及变电流间歇充电法 等。
[0003] 1.恒流充电法在充电初期，充电电流远小于动力电池可接受的充电电流，因而造 成前期充电时间较长;在充电后期，充电电流又大于动力电池可接受的充电电流，造成电池 温度急剧升高，影响电池寿命。
[0004] 2.恒压充电法也有其不足之处，主要表现在充电初期充电电流过大，很可能超过 电池可接受的最大充电电流值，对电池的寿命造成不利影响，同时容易使电池极板弯曲，造 成电池报废;然而在充电末期，又由于电池电动势的回升使充电电流非常的小，容易造成电 池的欠充问题。
[0005] 3.恒流恒压充电法避免了充电初期阶段充电电流过大以及充电末期易造成过充 的缺点，但它并没有很好的改善欠充的问题，而且充电初期阶充电电流值单一，并不能实现 安全、快速、高效的充电。
[0006] 4.三段式充电法三个充电过程的转换点控制难度较大，如果过早的从上个阶段转 到下一阶段，势必会延长充电时间；但转换过晚就可能会进入过充状态，造成电池温升加 剧、使用寿命缩短等问题。
[0007] 5.脉冲充电方式具有充电效率高、充电速度快、使用的元器件相对于开关电源充 电方式较少等特点，缺点是控制难度极大、成本高、脉冲电流幅度较大易损伤电池等。
[0008] 6.变电流间歇充电法硬件控制十分复杂，难以精确控制输出电压、电流值。
[0009] 变恒流-恒压充电法改进了恒流充电或者恒压充电容易造成过充或欠充的缺点， 其次变恒流-恒压充电法与三段式充电法控制策略类似，但整个充电机的控制与电池的实 时状态相联系，充电曲线更接近电池的理想充电曲线。脉冲充电方式相比变恒流-恒压充电 法充电速度更快些，但是脉冲充电控制难度更大、对电池寿命影响较大且相应的成本更高。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种变恒流-恒压充电方法，其集成了恒流-恒压充电法、脉 冲充电法以及变电流间歇性充电法等充电策略的优点，并弥补了常见充电策略的不足。
[0011] 本发明采用以下技术方案：
[0012] -种变恒流-恒压充电方法，包括：
[0013] 当电池电压较低时，为电池电压额定值的60%，根据采样反馈的信息进行涓流充 电；
[0014]当电池电压上升到大电流充电设定门限时，设为电池电压额定值的75%左右较合 适，进行大电流的恒流充电模式，此过程中充电电流只能逐渐减小，不能逆反变化；
[0015] 当变恒流充电阶段结束后进入恒压充电阶段。
[0016] 控制芯片通过AD采样，获取动力电池的电压、单体电压、充电电流以及电池温度信 息。
[0017] 电池电压高于恒流充电设定的上限电压时，控制芯片就会根据电池的电压调整充 电电流值。
[0018] 通过控制芯片控制的电压及电流值符合下式关系确定：
[0020]其中，
[0021 ] h，最小恒流充电电流，一般选择0.5C的充电倍率；
[0022] K1，电流比例系数，设定的最大充电倍率与最小恒流充电倍率的比值；
[0023] K，电压差比例系数；
[0024] Uad，电池电压采样值；
[0025] Us，恒流充电设定上限电压，一般设为电池组充电截止电压的0.95~0.99左右；
[0026] At，电池电压高于恒流充电设定的上限电压时间。
[0027] 本发明的优点是:通过对常用充电策略优缺点的分析以及根据钛酸锂电池的充放 电特性，提出变恒流-恒压充电法，集中了恒流-恒压充电法、脉冲充电法以及变电流间歇性 充电法等充电策略的优点，并弥补了常见充电策略的不足。
【附图说明】
[0028] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
[0029]图1是本发明的变恒流恒压充电法的理论充电特性曲线。
[0030] 图2是本发明针对额定电压36V，额定功率26AH的钛酸锂电池组的充电曲线图。
[0031] 图3是本发明充电电流的电路图。
[0032]图4是本发明电池温度采样原理图。
[0033]图5是本发明电压采样原理图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图进一步阐述本发明的【具体实施方式】：
[0035] -种变恒流-恒压充电方法，包括：当电池电压较低时，根据采样反馈的信息进行 涓流充电；当电池电压上升到大电流充电设定门限时，进行大电流的恒流充电模式，此过程 中充电电流只能逐渐减小，不能逆反变化;当变恒流充电阶段结束后进入恒压充电阶段，当 变恒流充电电流值减小到最小恒流充电电流的ο. 6倍时，程序默认变恒流充电结束。
[0036] 控制芯片通过AD采样，获取动力电池的电压、单体电压、充电电流以及电池温度信 息。
[0037] 电池电压高于恒流充电设定的上限电压时，控制芯片就会根据电池的电压调整充 电电流值。
[0038] 通过控制芯片控制的电压及电流值符合下式关系：
[0040] 其中，
[0041] h，最小恒流充电电流，这里取为10A;
[0042] K1，电流比例系数，取为4.2;
[0043] K，电压差比例系数，取为0.002;
[0044] Uad，电池电压采样值；
[0045] Us，恒流充电设定上限电压，取为39.00~39.90V之间任意一数值；
[0046] At，电池电压高于恒流充电设定的上限电压时间。
[0047] 变恒流-恒压充电法的关键点就是变电流恒流充电阶段的设计，在这一阶段控制 芯片通过AD采样，获取动力电池的电压、单体电压、充电电流以及电池温度等信息;在电池 正常的情况下当电池电压高于恒流充电设定的上限电压时，控制芯片将电池的电压以及电 流值代入到公式中，调整充电电流值，直到寻找到合适的充电电流值时进入恒流阶段。本阶 段是在充电电压不超过电池可承受充电电压上限的情况下，寻找最合适的电池恒流充电电 流值。根据电池的实际情况，调整恒流充电的电流值，所以同一个电池的不同时期的充电曲 线图也是不相同的，只是很类似而已。公式中的K值的设定十分重要(一般取为最大输出电 压值与开关管工作频率比值的1~2倍左右），如果过大，充电电流值下降过快，则充电时间 变长;如果过小，充电电流下降过慢将导致充电电压居高不下;所以K值的选取要需要综合 考虑，主要是根据动力电池的充电特性调整。公式中的Us的设定关系到充电时间的长短以 及充进电能的多少，如果设定值较小，则变电流快充阶段工作时间较短，充进电池的电能较 少，导致恒流阶段充电时间加长，降低了变恒流-恒压充电法的效率;但如果过大，就可能发 生过压现象影响电池的寿命;所以Us的设定要根据电池的实际情况进行调整。变恒流阶段 的理论曲线图如图1中的t〇-tl阶段所示。本实例是基于DSP F28335控制芯片针对钛酸锂电 池的特性设计的一款大电流小电压的充电机。所以控制器为一控制电路，包括控制芯片DSP F28335、采样电路、驱动电路、辅助电源电路等)可以根据动力电池的采样信息，实时调节主 电路的开关管的导通时间即可达到对恒流充电电流大小和对应的充电时间进行调整。图2 即为实例的充电曲线图，与附图的理论充电特性曲线有点不同。这里主要有两个原因，第一 实例使用的电池组性能已经较差，而且充电机的变恒流充电阶段的特点就是根据电池组的 实际情况实时调整充电曲线;第二充电机的充电电流倍率未达到充电机的理论设计值(理 论设计值为104A);所以充电电压在大电流充电阶段波动幅度不是很明显。
[0048]本发明中控制芯片通过AD采样，获取动力电池的电压、单体电压、充电电流以及电 池温度信息。如图3、4所示为充电电流、电池温度采样原理图，如图5所示，为本发明的电压 采样原理图。
[0049] 电池电压高于恒流充电设定的上限电压时，控制芯片就会根据电池的电压调整充 电电流值。
[0050] 根据变恒流-恒压充电策略针对钛酸锂电池的特性设计一款大电流小电压 [0051 ]的充电机，在变恒流充电阶段时，充电电流I由下式可得：
[0053]变恒流恒压充电法的理论充电特性曲线如图1所示，钛酸锂电池充电初期（即涓流 充电），充电电流较小且保持不变即恒流充电阶段，随着充电的进行，电压逐渐上升，当上升 到大电流充电范围时，充电器随即转入第二阶段即变恒流充电阶段，在这一阶段中，充电机 根据电池的反馈信息，迅速的将充电电流调整到合适的值。电流的调整方式是从最初设定 的最大电流值II呈阶梯式逐渐减小，直到合适的充电电流值，充电电压保持逐渐上升，当电 流值降到最小设定值时，充电机进入第三阶段即恒压充电阶段，如图1所示充电电压为U0略 小于变恒流充电时的上限电压(Umax)。在这一阶段充电电压保持不变，充电电流逐渐减小， 直到小于设定值，结束恒压充电。至此，整个充电过程结束。
[0054]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种变恒流-恒压充电方法，其特征在于，包括： 当电池电压为电池电压额定值的60%时，根据采样反馈的信息进行涓流充电即小电流 的恒流充电； 当电池电压上升到大电流充电设定门限时，进行大电流的变恒流充电模式，此过程中 充电电流只能逐渐减小，不能逆反变化； 当变恒流充电阶段结束后进入恒压充电阶段。2. 根据权利要求1所述的变恒流-恒压充电方法，其特征在于，控制芯片通过AD采样，获 取动力电池的电压、单体电压、充电电流以及电池温度信息。3. 根据权利要求2所述的变恒流-恒压充电方法，其特征在于，电池电压高于恒流充电 设定的上限电压时，控制芯片就会根据电池的电压调整充电电流值。4. 根据权利要求3所述的变恒流-恒压充电方法，其特征在于，变恒流充电阶段电压和 电流值符合下式关系： 其中，II，最小恒流充电电流； Kl，电流比例系数； K，电压差比例系数； UacU电池电压采样值； Us，恒流充电设定上限电压； At，电池电压高于恒流充电设定的上限电压时间。
【文档编号】H01M10/44GK106025409SQ201610562934
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】邓宝昌, 耿攀
【申请人】上海学源电子科技有限公司