使用组合的恒定电流和恒定电压充电对电池进行快速充电的系统和方法与流程

1.本主题涉及电池。更具体地，本主题涉及对电池进行充电的系统和方法。


背景技术：

2.对锂离子(li-ion)电池日益增长的需求已经加速了对新的最佳充电方法的需求，以在不会降低电池性能和寿命的情况下提高充电过程的速度和可靠性。在过去十年中，已经做出了许多努力来开发商用锂离子电池的最佳充电策略。锂离子(li-ion)电池正被商业化用于插电式混合动力(phev)和电动汽车(ev)，因为与铅酸和镍金属氢化物替代品相比，锂离子电池具有能量密度更高、寿命更长的优点。ev或混合动力汽车需要车载电池为其电驱动系统提供动力，并且使用电机作为原动机。然而，与燃料驱动的内燃机的再加燃料相比，电池充电过程更加繁琐和复杂。此外，锂离子电池的充电速度恰好是电动汽车普及的主要瓶颈。
附图说明
3.参考附图来描述具体实施方式。在整个附图中使用相同的数字来指代相似的特征和组件。
4.图1例示了交互以执行本发明所公开的方法的元件的框图。
5.图2例示了根据本发明的实施例的电流和电压对时间的图形表示。
6.图3例示了本发明所公开的对电池进行快速充电的方法的流程图。
具体实施方式
7.本发明的各种特征和实施例将从对本发明的如下进一步描述中可看出。预期本发明的公开内容可以在不违背本主题的精神的情况下被应用于任何车辆。构成主要部分的、本发明以外的部分的结构的详细说明已在适当的地方被省略。
8.通常，基于化石的燃料的高成本及其对污染的影响正导致替代交通工具的研发。此外，原始设备制造商(oem)和客户正被迫走上减少二氧化碳排放的道路。一种可行的方式是使动力传动系统电气化，该动力传动系统能够驱动车辆，同时需要在车辆内部留出空间来配置足够大的电池组，以便在一次充电时提供足够的使用范围。电动汽车由电池提供动力。另一种可行的方式包括配置具有混合动力系统以使用多种能源运行的车辆，其中一种能源是电池。为了提供令人满意的用户体验，充分充电的电池起着非常关键的作用。然而，它需要大量的能量，以对电池进行充电并维持这些电池的充电状态。对电池进行不必要的充电或过度充电会对电池的能效产生负面影响。
9.主要流行的锂离子电池在指定的工作电压内安全地工作；但是，如果不小心充电至高于指定电压的电压，则电池会变得不稳定。例如，对于设计为4.10伏/电池(cell)的锂离子电池，长时间充电超过4伏会导致在阳极上形成金属锂板，这是不希望的。此外，作为结
果，正极材料变成氧化剂，失去稳定性并产生二氧化碳(co2)。
10.一般来说，锂离子电池充电策略可以根据内部模型大致分为三类。第一类是无模型方法，包括恒定电流(cc)、恒定电流恒定电压(cc-cv)、多级cc-cv和脉冲充电技术。这些方法结合了具有固定电流、电压和/或功率限制的预定义充电配置文件(profile)。然而，基于所提供的输入的电池动力学响应被忽略，这导致了前面提到的一个或多个问题。因此，这促使并需要设计者探索先进的充电策略以满足快速充电要求，同时减轻对电池健康状态(soh)的任何不利影响。第二类充电策略利用了经验模型，诸如基于等效电路的模型以及神经网络模型。这些模型使用过去的实验数据来预测电池状态并计算电气元件。经验模型计算快速且简单，但无法反映基于物理的参数和电池老化。因此，面向经验模型的充电控制协议可能在某些周期后无法正常工作。第三类充电方法基于由更复杂的动力学和传输方程控制的电化学模型。可以制定闭环优化问题来最小化充电时间并补偿模型不确定性和干扰。此外，温度变化也可以用与热相关的方程式来预测。当被设计用于与状态观察器一起工作时，这种基于电化学的控制方法接近于实时电池功能。然而，这种充电方法和求解相关的全阶非线性偏微分方程(pde)所产生的棘手计算复杂性限制了该方法在实时充电控制器中的进一步应用。
11.此外，增加充电速率可能导致不希望的温度升高并加速电池中的副反应。因此，需要同时考虑快速充电和电池健康之间的权衡。因此，电池的最佳充电方案已经在ev/phev的研究领域中引起了广泛关注。期望适当的最佳充电协议来提高充电效率，使任何性能衰减最小化，并维持锂离子电池(lib)系统的安全运行。通常，电池充电器被设计为利用cc-cv充电配置文件对电池进行充电。在cc-cv充电器中，电池最初以恒定电流进行充电，直到电池电压达到预设的最大充电电压，然后充电电压保持恒定，直到电流降至预设的最小值。充电器恒定电压对应于电池最大电压。
12.然而，从恒定电流充电到恒定电压充电的转变取决于电路的电压降(ixr)，其中，r表示充电器和电池之间的串联电阻，i表示电流。可以通过降低等效串联电阻来进一步延长该转变点。然而，完全消除转变点是不可能的。在转变点之后，充电器电压保持恒定，而电池电压随着电池充电而升高。这种转变通常发生在电池的充电状态(soc)的75％至80％左右。值得注意的是，在转变点之后，充电速率急剧下降。因此，使用cc充电将电池充电至75％soc所需的时间等于使用cv充电为剩余的25％soc充电所需的时间。充电时间的增加如下：
13.t
cc-在恒定电流模式下将电池充电至75％所需的时间
14.t
cv-在恒定电压模式下将电池从75％充电至100％所需的时间在常规cc-cv充电方法中，通常
15.t
cc
＝t
cv
16.因此，总充电时间如下：
17.t
chargin.cccv
＝t
cc
+t
cv
18.t
charg ing.cccv
＝2 t
cc
19.类似地，当采用纯恒定电流模式而不采用恒定电压模式对电池进行充电时：
20.t
charging.cc-仅通过恒定电流模式对电池进行充电直到100％soc所需的时间
21.22.结果，cccv模式下的总充电时间证明是cc模式下的总充电时间的1.5倍，如下式所示：
[0023][0024]
实际上，当不采用恒定电流充电时，观察到时间增加了50％。在已知技术中，为了减少对电池进行充电所需的时间，提出了利用恒定电流对电池进行充电直到电池被充满电。在已知技术中，当检测到电池被充满电时，停止充电。然而，在已知技术中，电池满充电状态由ir’降确定，其中，r’表示串联阻抗。由于串联阻抗是可变参数，并且取决于环境条件、电池温度、soc、电池寿命等，因此很难在对电池进行充电时动态地估算串联阻抗的精确值。因此，对电池进行过度充电的可能性高。由于锂离子电池是对温度和电压敏感的，因此它在过度充电的情况下可能会爆炸。当充电终止仅基于电池电压测量时，挑战会变得更加复杂。
[0025]
因此，需要开发一种主动、高效、可靠、耐用且安全的充电系统和方法，以便在电池的实施、充电持续时间和健康意识要求方面实现总体最佳充电目标。
[0026]
因此，本发明提出了一种用于对电池进行快速充电的充电系统和方法，以减轻上述一个或多个缺陷以及已知技术中的其他问题。
[0027]
本发明的目的是提供一种稳健且有效的基于soc的监测系统和方法，用于减少对电池进行充电的持续时间。
[0028]
本发明的另一个目的是提供一种充电系统和方法，用于基于预定的soc值制定具有最优控制方法的主动充电策略以对电池进行快速充电。
[0029]
本发明的又一个目的是提供一种充电系统和方法，用于监测各个电池soc并在检测到任何不平衡的情况下主动平衡各个电池的soc。
[0030]
本发明的另一个目的是提供一种充电系统和方法，用于减少电池充电时间并提供最佳电池性能和热管理。
[0031]
本发明的又一目的是提供一种充电系统和方法，用于对电池进行快速充电，易于实施并且在保持电池安全的同时维持电池的最佳健康状态。
[0032]
本发明的另一个目的是提供一种充电系统和方法，以消除/最小化电极处的反应物浓度累积和电池中的浓度过电位。
[0033]
本发明的另一个目的是提供一种充电系统和方法，用于对电池进行快速充电，充电时间更短，充电效率更高。
[0034]
本发明的一个目的是提供一种充电系统和方法，用于加速电池充电过程并降低电池上的峰值应力。
[0035]
此外，本发明的细节以及其他特征和优点在说明书的其余部分中进行了阐述并且在附图中示出。参考附图进一步描述了本主题。应当注意，描述和附图仅仅例示了本主题的原理。可以设计各种布置，尽管本文中没有明确描述或示出，但是涵盖了本主题的原理。此外，本文中列举本主题的原理、方面和示例以及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其等同物。
[0036]
图1例示了充电系统的元件的框图，这些元件交互以执行本发明所公开的方法。这是示例性的表示，决不限制本主题的范围。本发明公开了一种用于对电池进行快速充电的充电系统(10)和方法。相应地，根据本发明的一个方面，所述充电系统(10)包含一个或多个
电池(100)、电池管理系统(bms)(105)、在电路中交互连接的充电器(110)、以及控制单元。在本发明的一个实施例中，所述充电器(110)接收输入电压(120)。根据本发明的一个方面，所述bms(105)配置为接收并处理来自所述一个或多个电池(100)和所述bms(105)的数据，并且配置为向所述充电器(110)发送信号。在本发明的一个实施例中，所述bms(105)配置为接收并处理来自所述一个或多个电池(100)的各个电池的数据。根据本发明的一个方面，所述bms(105)还配置为连续地监测所述一个或多个电池(100)的充电状态(soc)。在本发明的一个实施例中，所述充电器(110)配置为在给定时间点以恒定电流(cc)模式或恒定电压(cv)模式对所述一个或多个电池(100)进行充电。
[0037]
图2例示了根据本发明的实施例的电流和电压对时间的图形表示。在本发明的一个实施例中，在对锂离子电池进行充电时，采用了恒定电流和恒定电压(cc/cv)充电方法，其中基于预定条件延长了恒定电流。根据一个实施例，所述预定条件基于所述电池(100)的充电状态。在本发明的一个实施例中，所述电池(100)最初以充电器(110)所供应的恒定电流进行充电，直到电池电压达到预定(电池充电状态)bsoc，然后充电被转换到恒定电压以进行缓慢且更安全的充电，直到所述电池(100)达到满充电容量状态。在本发明的一个实施例中，所述满充电容量是等于所述电池(100)的100％充电状态的预定标准最大充电值。根据本发明的一个实施例，所述电池(100)的所述预定(电池充电状态)bsoc处于95％至99.5％充电状态的范围内。根据本发明的实施例，所述bms(105)接收并处理来自所述电池(105)的数据，以计算电池充电状态。在本发明的一个方面，所述bms(105)根据所述电池(100)的所述预定(充电状态)bsoc向所述充电器(110)发送信号。根据本发明的一个方面，所述bms(105)向所述充电器(110)发送信号，以用恒定电流对所述电池(100)进行充电，直到所述电池(100)的充电状态达到所述预定(充电状态)bsoc。在本发明的一个方面，一旦所述电池(100)达到所述预定(充电状态)bsoc，所述bms(105)就向所述充电器(110)发送信号，以将所述电池(100)的充电改变为由所述充电器(110)供应恒定电压。根据本发明的一个实施例，所述bms(105)连续地监测所述电池(100)的充电状态。在本发明的一个方面，所述bms(105)向所述充电器(110)发送信号，以用恒定电压对所述电池(100)进行充电，直到所述电池(100)的充电状态达到100％，并且一旦所述电池的充电状态等于或大于100％，就停止充电。根据本发明的实施例，充电器(110)的恒定电压对应于电池最大电压。因此，本发明所公开的用于快速充电的所述充电系统(10)和方法实现了用于从恒定电流(cc)模式转换到恒定电压模式(cv)的所述预定bsoc参数。在已知技术中，即使电池soc被充满电，电池电压也会给出错误读数，这会导致对电池进行过度充电。根据附加的实施例，本发明所公开的快速充电的所述充电系统(10)和方法独立于电压读数并且连续地监测所述soc。因此，与已知的依赖于电压的方法相比，本发明所公开的快速充电的所述充电系统(10)和方法更可靠。
[0038]
根据本发明的一个实施例，线c-c’表示充电器电压，并且b-b’表示电池电压。在一个实施例中，转变点tp表示常规cc-cv充电方法中从(恒定电流)cc到(恒定电压)cv的切换。根据一个实施例，基于本发明的一个方面的快速充电的所述充电系统(10)和方法具有延长的恒定电流供应和修改后的转变点tp’。在一个实施例中，线b
’‑
b”表示根据本发明所公开的快速充电的所述充电系统(10)和方法的延长恒定电流充电的电池电压。用于恒定电流充电的充电器电压由c
’‑
c”表示。根据本发明的实施例，所述bms(105)在所述预定bsoc下在所
述修改后的转变点tp’处触发所述充电器(110)。因此，从所述修改后的转变点tp’开始，用于满充电的恒定电压充电时间减少，因此，对所述电池(100)进行充电所需的时间量减少。因此，本发明所公开的所述充电系统(10)和方法以更少的充电时间和改进的充电效率、改进的可靠性、耐用性和安全性提供对所述电池(100)的快速充电。相应地，从b”到a为以恒定电压方法将所述电池(100)充电至100％soc所需的时间。线cc-cc’表示电流。根据快速充电的所述充电系统(10)和方法，用于延长恒定电流充电的电池电流由曲线cc
’‑
cc”表示。用于cc-cv常规充电方法的电池电流由曲线z表示。曲线z’是根据本发明的一个方面的用于恒定电压充电时间的电池电流。这里，n-n’是沿所述修改后的转变点tp’的轴。t-t’是已知的常规cc-cv算法中正常转变点tp所在的轴。用于常规cc-cv充电的电池电压由b
’‑
y表示。延长线n-n’以在x轴上切割。根据一个方面，在图2中示出了在tm处穿过a切割x轴的线m-m’以及在to处穿过y切割x轴的另一条线o-o’。根据一个方面，t
o-tm＝ts，这是利用本发明的快速充电方法所节省的时间。
[0039]
根据本发明，当将所述bsoc设置为95％时，
[0040]
t
charging.cccv
＝t
cc
+(20/75)*t
cc
+(5/25)*t
cc
＝1.46t
cc
[0041]
因此，如果所述bsoc为95％，则时间节省为1.5倍至1.46倍，即，减少2.6％(1.5-1.46)/(1.5)。当将所述bsoc设置为99.5％时，
[0042]
t
charging.cccv
＝t
cc
+(24.5/75)*t
cc
+(0.05/25)*t
cc
＝1.332t
cc
[0043]
因此，如果所述bsoc为99.5％，则时间节省为1.5倍至1.332倍，即，减少11.2％(1.5-1.332)/(1.5)。根据本发明的一个方面，所述充电系统(10)配置为按照以下控制方程式充电：
[0044]
t
charging.cccv
＝t
cc
+((bsoc-75)/75)*t
cc
+((100-bsoc)/25)*t
cc
.。
[0045]
图3例示了本发明所公开的对电池进行快速充电的所述充电系统(10)和方法的流程图。当开始电池充电时，第一步骤(205)包含通过使用控制单元接收输入来读取所述bms(105)数据。下一步骤(210)包含故障检测，这些故障可以包括在所述一个或多个电池(100)中检测到的任何故障、在电路中检测到的故障等。如果在步骤(210)检测到故障，则发送信号以在下一步骤(245)停止充电过程。如果在步骤(210)没有检测到错误，则控制进入下一步骤。下一步骤(215)包含检查所述一个或多个电池充电状态(soc)，如果电池充电状态(soc)小于所述预定(电池充电状态)bsoc，则通过控制单元将所述充电器(110)设置为恒定电流(cc)模式并且经由恒定电流(cc)(步骤225)对所述电池(100)进行充电(步骤235)。然而，根据本发明的实施例，如果所述电池(100)的充电状态大于所述预定充电状态bsoc，则下一步骤(220)包含检查所述电池(100)的充电状态(soc)是否小于100％。根据本发明所公开的对电池进行快速充电的方法，如果所述一个或多个电池(100)的充电状态(soc)小于100％并且大于所述预定充电状态bsoc，则将所述充电器(110)设置为恒定电压(cv)模式以对所述电池(100)进行充电(步骤230)。如果电池的充电状态(soc)大于或等于100％(步骤220)，则停止充电(步骤245)。根据对电池进行快速充电的所述充电系统(10)和方法，所述bms(105)连续地监测所述一个或多个电池(100)的充电状态，并且如果检测到故障(步骤240)，则停止充电。因此，根据本发明所公开的对电池进行快速充电的所述充电系统(10)和方法，经由所述充电器(110)以恒定电流(cc)对所述电池(100)进行充电，直到所述电池(100)的充电状态小于所述预定充电状态bsoc，从而延长了通过恒定电流模式对所述电池
(100)进行充电的时段。因此，本发明所公开的所述充电系统(10)和方法提供了一种主动充电方法，以便在克服前面提到的所有问题的同时在所述电池(100)的实施、充电持续时间和健康意识要求方面实现总体最佳充电目标。
[0046]
根据上述架构，本发明的主要功效在于，充电系统和方法提供了基于精确(充电状态)soc的延长恒定电流充电，以实现快速充电时的充电时间减少，同时仍确保电池单元的可靠性、耐用性、寿命和安全性。因此，采用基于预定soc值对电池进行快速充电的最优控制方法的主动充电策略，电池是安全的。
[0047]
根据上述架构，本发明的第二个功效在于，其值被配置在98％至99.5％的范围内的预定(充电状态)soc，导致了恒定电流(cc)到恒定电压(cv)的转变点在后期阶段转移，从而实现了缩短的充电周期时间。这导致电池在快速充电模式(即，以恒定电流持续更长的时间)下充电，并且允许将针对恒定电压充电模式的转变点配置为以尽可能接近满充电状态。因此，总体而言，显著地减少了对电池进行充电的持续时间。因此，上述方法还提供了简单、成本有效且精确的解决方案。
[0048]
此外，可以根据需要来改变电池的数量。例如，电池组可以由三个电池或五个电池或更多电池构成。
[0049]
因此，即使改变了所包含的电池的数量，也可以通过使用bms的方法实现电池的最佳充电。结果，本发明所公开的对电池进行快速充电的充电系统和方法可以适用于各种类型的电池，并据以选择预定充电状态。
[0050]
附图标号的列表
[0051]
10充电系统
[0052]
100电池
[0053]
105bms(电池管理系统)
[0054]
110充电器
[0055]
115从bms发送到充电器的信号
[0056]
120充电器所接收到的输入供应
[0057]
bsoc预定充电状态
[0058]
cc恒定电流
[0059]
cv恒定电压

技术特征：
1.一种用于车辆的充电系统(10)，所述充电系统(10)包括：一个或多个电池(100)；充电器(110)，所述充电器(110)与控制单元电子通信；电池管理系统(bms)(105)；其中，所述充电器(110)配置为供应恒定电流达预定持续时间，直到所述一个或多个电池(100)的soc小于预定bsoc(电池充电状态)；其中，所述bms(105)配置为确定所述充电器(100)的充电模式，并且所述一个或多个控制单元配置为连续地监测bsoc(电池充电状态)；并且其中，所述充电器(110)配置为当所述一个或多个电池(100)的soc(充电状态)大于由所述控制单元确定的预定bsoc(电池充电状态)时供应恒定电压，并且所述bms(105)和所述充电器(110)配置为当soc等于充满电时停止充电。2.如权利要求1所述的充电系统(10)，其中，所述预定bsoc是用于从恒定电流(cc)模式转换到恒定电压模式(cv)的参数，并且所述预定bsoc(电池充电状态)的值在95％至99.5％的范围内。3.如权利要求1所述的充电系统(10)，其中，所述充电器(110)的恒定电压对应于所述电池(100)的最大电压。4.一种对电池进行快速充电的方法，所述方法包括：使用控制单元，通过bms(105)来连续地监测一个或多个电池(100)的健康数据；读取所述电池(100)的充电状态(soc)；如果检测到所述电池(100)的充电状态小于预定充电状态bsoc，则将充电器(110)设置为恒定电流模式并且供应恒定电流，用于对所述电池(100)进行快速充电；如果检测到所述电池(100)的充电状态大于所述预定充电状态bsoc并且小于所述电池(100)的满充电容量，则将所述充电器(110)设置为恒定电压模式并且供应恒定电压，用于对所述电池(100)进行缓慢且更安全的充电；以及如果充电状态等于所述电池(100)的所述满充电容量，则停止对所述电池(100)进行充电。5.如权利要求1所述的对电池进行快速充电的方法，其中，所述电池(100)的所述预定充电状态bsoc在95％至99.5％的范围内。6.如权利要求1所述的对电池进行快速充电的方法，其中，所述满充电容量为等于所述电池(100)的100％充电状态的预定标准最大充电值。

技术总结
本发明涉及一种充电系统(10)以及对电池进行快速充电的方法。相应地，所述充电系统(10)和方法包含通过BMS(105)来连续地监测与一个或多个电池(100)相关的数据，使用控制单元并且读取所述电池(100)的充电状态(SOC)。如果检测到所述电池(100)的充电状态小于预定BSOC，则将充电器(110)设置为恒定电流模式，用于对所述电池(100)进行快速充电。如果检测到所述电池(100)的充电状态大于所述预定BSOC并且小于所述电池(100)的满充电容量，则将充电器(110)设置为恒定电压模式，用于对电池(100)进行缓慢且更安全的充电。进行缓慢且更安全的充电。进行缓慢且更安全的充电。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：TVS电机股份有限公司
技术研发日：2020.12.31
技术公布日：2023/6/28