專利名稱：一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于鋰離子電池具有高電壓、高容量，且循環(huán)壽命長、安全性能好等的重要優(yōu)點(diǎn)， 鋰離子電池在移動電話等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，鋰離子電池應(yīng)用于電動自行車、電動工具、后 備電源等動力電池領(lǐng)域的趨勢越來越明顯，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也越來越快。但以往鋰離子電池所 應(yīng)用的領(lǐng)域大多是單體使用，在動力電池領(lǐng)域則不然，需要多節(jié)電池組成電池組(如電動 自行車需要24V和36V的電壓，需要12串和16串的電池組)。鋰離子動力電池電池組有 區(qū)別于單體電池的額外特性，基于目前的動力電池設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平，單體之間的性能 差異在其整個(gè)生命周期里客觀存在，單體電池由于過充、過放易導(dǎo)致提前失效，因此一般需 使電池組中的各單體電池保持較一致的電壓，即要求較好的一致性，現(xiàn)有已經(jīng)存在較復(fù)雜 的均衡管理控制電路，可對每個(gè)單體電池進(jìn)行監(jiān)控和控制充放電，以使其符合一致性的要 求。但其大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既要包括單片機(jī)等控制中樞，還要有復(fù)雜的控制和均衡電路，成本 高昂，并且如果控制電路出現(xiàn)問題，電池組則很容易出現(xiàn)過充過放，甚至出現(xiàn)比較嚴(yán)重的安 全問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法。一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，包括充電狀態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理 方法；所述電池組由η個(gè)單體電池串聯(lián)而成，所述單體電池的正極材料為磷酸鐵鈷鋰，其電 解液中加有防過充添加劑；4 SnS 128 ；所述充電狀態(tài)管理方法a)恒流充電，電池組電壓 達(dá)到V1時(shí)，轉(zhuǎn)恒壓充電，取(n-l)*3. 43+3. 9V彡V1彡(η_1)*3· 43+4. IV，截止電流0. IC 0. 02C ；b)后轉(zhuǎn)小于0. 02C恒流充電，限制時(shí)間2-20h，上限電壓設(shè)置為V2 = n*4V ；所述放電 狀態(tài)管理方法電池組的放電截止電壓為V3，取(n-l)*2. 7+1. 4V彡V3彡(n_l)*2. 7+1. 6V。本發(fā)明主要從電池本身和電池組充電方法上對多串電池組的充放電一致性做改 善，可有效提高電池組的充放電效率和循環(huán)壽命，并用較低的成本提高電池組的安全性。從 電芯內(nèi)部進(jìn)行的改善也可提高電池組匹配成功率，簡化分選匹配方法。由于放過充添加劑 的作用，可使單體電池過充時(shí)，使電位保持在穩(wěn)定水平，同時(shí)，由于采用對電池組充電整體 控制的方式，使方法變得更加簡單而有效。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖
及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，包括充電狀態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理方法；所述電池組由η個(gè)單體電池串聯(lián)而成，所述單體電池的正極材料為磷酸鐵鈷鋰， 其電解液中加有防過充添加劑，4 < η ^ 128 ；所述充電狀態(tài)管理方法a)恒流充電，電池組電壓達(dá)到V1時(shí)，轉(zhuǎn)恒壓充電，取(n-l)*3. 43+3. 9V彡V1S (n_l )*3· 43+4. IV,截止電流 0. IC 0. 02C ；b)后轉(zhuǎn)小于0. 02C恒流充電，限制時(shí)間2_20h，上限電壓設(shè)置為V2 = n*4V ；所述放電狀態(tài)管理方法電池組的放電截止電壓為V3，取(n-l)*2. 7+1. 4V彡V3S ( n-l)*2. 7+1. 6V0在鋰離子電池體系中防止過充電主要是通過電子集成回路控制充電電壓而實(shí)現(xiàn) 的。當(dāng)充電電壓達(dá)到4.1或4. 2V時(shí)，電壓不再上升。如果能在電解液中加入某些添加劑 當(dāng)電池充滿電時(shí)或略高于該值時(shí)，添加劑在正極發(fā)生氧化反應(yīng)，然后擴(kuò)散到負(fù)極，發(fā)生還原 反應(yīng)。這樣在充電滿了之后，氧化還原電對在正極和負(fù)極之間穿梭，吸收過量的電荷，形成 內(nèi)部防過充電機(jī)理，從而大大改善電池的安全性能和循環(huán)性能。防過充添加劑主要考慮其氧化還原反應(yīng)的電位，可作為這種防過充添加劑的化合 物有二茂鐵化合物，其防過充電壓低于3. 6V ；金屬配合物，如i^e、Ru、Ir或Ce，與啡咯啉或 聯(lián)吡啶可發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電位在4V附近；臨位和對位二甲氧基取代苯，其氧化還原電 位在4. 2V以上，也可作為放過充添加劑。也可用噻蒽作為催化劑。針對鐵電池，添加劑的化學(xué)組成可能有所不同，市場上不同的廠家也有不同的產(chǎn)品。優(yōu)選地，V1取值優(yōu)選是=V1 = (n-l)*3. 43+4V。優(yōu)選地，V3取值優(yōu)選是V3 = (n-1) *2. 7+1. 5V。充電狀態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理方法均通過集成在電池組的充電模塊和放電 模塊實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及的單體電池，包括電池殼體、電極組和電解液，電極組和電解液密封在 電池殼體內(nèi)，電極組包括依次卷繞或疊置的正極片、隔膜、負(fù)極片。根據(jù)本發(fā)明提供的鋰離子二次電池，正極片的組成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，一 般來說，正極片包括集流體以及涂覆和/或填充在集流體上的正極材料。所述集流體為本 領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如可以選自鋁箔、銅箔、鍍鎳鋼帶或沖孔鋼帶。正極活性材料為本 領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，它包括正極活性物質(zhì)和粘結(jié)劑等，正極活性物質(zhì)選磷酸鐵鈷鋰。正極用粘結(jié)劑的種類和含量為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，所述正極用粘結(jié)劑 可以選自含氟樹脂和/或聚烯烴化合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或 丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種。一般來說，所述正極用粘結(jié)劑的含量為正極活性物質(zhì)的 0.01-8重量％，優(yōu)選為1-5重量％。負(fù)極片采用本領(lǐng)域內(nèi)所公知的負(fù)極片，即含有負(fù)極集流體和涂覆在該負(fù)極集流體 上的負(fù)極材料層。本發(fā)明對負(fù)極材料層沒有特別的限制，與現(xiàn)有技術(shù)一樣，負(fù)極材料層通常 包括負(fù)極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑以及選擇性含有的導(dǎo)電劑。所述負(fù)極活性物質(zhì)可以采用現(xiàn)有技 術(shù)中常用的各種負(fù)極活性物質(zhì)，例如，可以是非石墨化炭、石墨或由多炔類高分子材料通過 高溫氧化得到的炭，也可使用其它例如熱解炭、焦炭、有機(jī)高分子燒結(jié)物、活性炭等碳材料。有機(jī)高分子燒結(jié)物可以是通過將酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等燒結(jié)并炭化后所得的產(chǎn)物。本發(fā)明提供的負(fù)極材料還可以選擇性地含有現(xiàn)有技術(shù)的負(fù)極材料中通常所含有 的導(dǎo)電劑。導(dǎo)電劑的含量和種類為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，以負(fù)極材料為基準(zhǔn)，導(dǎo)電 劑的含量一般為0. 1-12重量％。所述導(dǎo)電劑可以選自導(dǎo)電碳黑、鎳粉、銅粉中的一種或幾 種。負(fù)極用粘合劑可以選自鋰離子二次電池常規(guī)的負(fù)極用粘結(jié)劑，如聚乙烯醇、聚四 氟乙烯、羥甲基纖維素(CMC)、丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種。一般來說，所述負(fù)極用粘結(jié) 劑的含量為負(fù)極活性物質(zhì)的0. 5-8重量％，優(yōu)選為2-5重量％。本發(fā)明用于正極材料和負(fù)極材料的溶劑可以選自本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)使用的溶劑，如可 以選自N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二乙基甲酰胺(DEF)、 二甲亞砜(DMSO)、四氫呋喃(THF)以及水和醇類中的一種或幾種。溶劑的用量使所述漿料 能夠涂覆到所述集流體上即可。一般來說，溶劑的用量為使?jié){料中正極活性物質(zhì)的濃度為 40-90重量％，優(yōu)選為50-85重量％。正極片和負(fù)極片的制備方法可以采用本領(lǐng)域所公知的各種方法。根據(jù)本發(fā)明提供的鋰離子二次電池，電解液為非水電解液。所述的非水電解液 為電解質(zhì)鋰鹽在非水溶劑中形成的溶液，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)的非水 電解液。比如電解質(zhì)鋰鹽可以選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、高氯酸鋰(Lia04)、四氟硼酸 鋰(LiBF4)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、六氟硅酸鋰(LiSiF6)、四苯基硼酸鋰(LiB(C6H5)4)、 氯化鋰(LiCl)、溴化鋰(LiBr)、氯鋁酸鋰(LiAlC14)及氟烴基磺酸鋰(LiC (S02CF3) 3)、 LiCH3S03、LiN (S02CF3) 2中的一種或幾種。非水溶劑可以選自鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯混合溶 液，其中鏈狀酸酯可以為碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲 丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機(jī)酯類中的一種 或幾種。環(huán)狀酸酯可以為碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亞乙烯酯(VC)、γ-丁內(nèi) 酯(Y-BL)、磺內(nèi)酯以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的環(huán)狀有機(jī)酯類中的一種或幾種。在 所述非水電解液中，電解質(zhì)鋰鹽的濃度一般為0. 1-2摩爾/升，優(yōu)選為0. 8-1. 2摩爾/升。本發(fā)明中還加入了防過充添加劑，以防止過充。根據(jù)本發(fā)明提供的鋰離子二次電池，該電池的制備方法為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公 知，一般來說，該電池的制備方法包括將電極組置入電池殼中，加入電解液，然后密封，得到 鋰離子二次電池。其中，密封的方法，電解液的用量為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知實(shí)施例1使用電動自行車用48V、10AH電池組進(jìn)行測試，串聯(lián)電池?cái)?shù)目為16個(gè)。電池采用 上述磷酸鐵鈷鋰電池，電解液里加入噻蒽做添加劑。第一段恒流恒壓充電階段，此時(shí)電流設(shè)置成0.5C，上限電壓設(shè)置V1 = 55.5V，轉(zhuǎn)恒 壓充電，充電截止電流0. 05C ；第二階段恒流充電，電流0. 01C,上限電壓V2 = 64V，限時(shí)20H。充滿電后，在放電模塊監(jiān)控下IC放電，放電模塊截止電壓設(shè)置為V3 = (16-1)*2. 7+1. 5V = 42V。如此進(jìn)行循環(huán)，監(jiān)測并收集組內(nèi)單節(jié)電池電壓，5個(gè)循環(huán)后，充放 電過程中的實(shí)時(shí)壓差可維持在30mV以下。經(jīng)50次循環(huán)，充放電過程中的實(shí)時(shí)壓差仍然可維持在50mV以下。實(shí)施例25
使用電動自行車用48V、20AH電池組進(jìn)行測試，串聯(lián)電池?cái)?shù)目為32個(gè)Q并16串)。 電池采用上述磷酸鐵鈷鋰電池，電解液里加入噻蒽做添加劑。第一段恒流恒壓充電階段，此時(shí)電流設(shè)置成0.5C，上限電壓設(shè)置Vl = 55.5V，轉(zhuǎn) 恒壓充電，充電截止電流0. 02C ；第二階段恒流充電，電流0. 01C，上限電壓V2 = 64V，限時(shí) 20H。充滿電后，在放電模塊監(jiān)控下IC放電，放電模塊截止電壓設(shè)置為V3 = (16-1)*2. 7+1. 5V = 42V。如此進(jìn)行循環(huán)，監(jiān)測并收集組內(nèi)單節(jié)電池電壓，5個(gè)循環(huán)后，充放 電過程中的實(shí)時(shí)壓差可維持在30mV以下。經(jīng)50次循環(huán)，充放電過程中的實(shí)時(shí)壓差仍然可維持在50mV以下。實(shí)施例3使用30V、10AH電池組，電池串聯(lián)數(shù)目為10個(gè)串聯(lián)。電池采用上述磷酸鐵鈷鋰電 池，電解液里加入噻蒽做添加劑。第一段恒流恒壓充電階段，此時(shí)電流設(shè)置成0.5C，上限電壓設(shè)置Vl = 34.87V，轉(zhuǎn) 恒壓充電，充電截止電流0. 08C ；第二階段恒流充電，電流0. 01C，上限電壓V2 = 40V,限時(shí) 20H。充滿電后，在放電模塊監(jiān)控下IC放電，放電模塊截止電壓設(shè)置為V3 = (10-1)^2. 7+1.5V = 26V.如此進(jìn)行循環(huán)，監(jiān)測并收集組內(nèi)單節(jié)電池電壓，5個(gè)循環(huán)后，充放 電過程中的實(shí)時(shí)壓差可維持在30mV以下。經(jīng)50次循環(huán)，充放電過程中的實(shí)時(shí)壓差仍然可維持在50mV以下。實(shí)施例4使用36V、10AH電池組，電池串聯(lián)數(shù)目為12個(gè)串聯(lián)。電池采用上述磷酸鐵鈷鋰電 池，電解液里加入噻蒽做添加劑。第一段恒流恒壓充電階段，此時(shí)電流設(shè)置成0. 5C，上限電壓設(shè)置Vl = 41. 8V，轉(zhuǎn) 恒壓充電，充電截止電流0. 05C ；第二階段恒流充電，電流0. 01C,上限電壓V2 = 40V,限時(shí) 20H。充滿電后，在放電模塊監(jiān)控下IC放電，放電模塊截止電壓設(shè)置為V3 = (12-1)*2.7+1.5V = 31.2V。如此進(jìn)行循環(huán)，監(jiān)測并收集組內(nèi)單節(jié)電池電壓，5個(gè)循環(huán)后，充 放電過程中的實(shí)時(shí)壓差可維持在30mV以下。經(jīng)50次循環(huán)，充放電過程中的實(shí)時(shí)壓差仍然可維持在50mV以下。比較例1若采用不添加“噻蒽”添加劑的電解液的磷酸鐵鈷鋰電池組(16串)，采用上述充 充電方法，則組內(nèi)實(shí)時(shí)壓差可達(dá)到0. IV以上。循環(huán)50次以后壓差繼續(xù)擴(kuò)大。比較例2若采用不添加“噻蒽”添加劑的電解液的磷酸鐵鈷鋰電池組(16串)，不采用上述 充放電方法，采用均衡線路板(均衡線路板采購于市場上采購，價(jià)格較貴)，則組內(nèi)實(shí)時(shí)壓 差可維持在30mV以下。循環(huán)50次以后實(shí)時(shí)壓差可維持在48mV以下。雖然比較例2與本發(fā)明所采用的方法相比，可以達(dá)到基本相同的效果，但是，本發(fā) 明主要從電池本身和電池組充電方法上對多串電池組的充放電一致性做改善，可有效提高 電池組的充放電效率和循環(huán)壽命。而從電芯內(nèi)部進(jìn)行的改善也可提高電池組匹配成功率，簡化分選匹配方法，提高電池挑選成品率。本發(fā)明成本上只是增加了一種電解液添加劑，對 于量產(chǎn)產(chǎn)品可有效降低陳本，而市場上質(zhì)量過關(guān)的均衡線路板價(jià)格較貴，且可靠性低。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，包括充電狀態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理方法；其特征在于所述電池組由η個(gè)單體電池串聯(lián)而成，所述單體電池的正極材料為磷酸 鐵鈷鋰，其電解液中加有防過充添加劑，4 < η ^ 128 ； 所述充電狀態(tài)管理方法a)恒流充電，電池組電壓達(dá)到V1時(shí)，轉(zhuǎn)恒壓充電，取(η-1)*3· 43+3. 9V彡V1彡(η_1) *3· 43+4. IV，截止電流 0. IC 0. 02C ；b)后轉(zhuǎn)小于0.02C恒流充電，限制時(shí)間2-20h，上限電壓設(shè)置為V2 = n*4V ； 所述放電狀態(tài)管理方法電池組的放電截止電壓為V3，取(n-l)*2. 7+1. 4V ^ V3 ^ (n_l)*2. 7+1. 6V。
2.如權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于所述充電狀 態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理方法均通過集成在電池組的充電模塊和放電模塊實(shí)現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于所述防過充 添加劑選自二茂鐵化合物或金屬配合物或噻蒽。
4.如權(quán)利要求3所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于所述防過充 添加劑選為金屬配合物。
5.如權(quán)利要求3所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于所述防過充 添加劑為噻蒽。
6.如權(quán)利要求6所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于=V1= (n-l)*3. 43+4V。
7.如權(quán)利要求8所述的鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法，其特征在于V3= (n-l)*2. 7+1. 5V0
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鋰離子電池組充放電狀態(tài)管理方法。包括充電狀態(tài)管理方法和放電狀態(tài)管理方法；所述電池組由n個(gè)單體電池串聯(lián)而成，所述單體電池的正極材料為磷酸鐵鈷鋰，其電解液中加有防過充添加劑；4≤n≤128；所述充電狀態(tài)管理方法a)恒流充電，電池組電壓達(dá)到V1時(shí)，轉(zhuǎn)恒壓充電，取(n-1)*3.43+3.9V≤V1≤(n-1)*3.43+4.1V，截止電流0.1C～0.02C；b)后轉(zhuǎn)小于0.02C恒流充電，限制時(shí)間2-20h，上限電壓設(shè)置為V2＝n*4V；所述放電狀態(tài)管理方法電池組的放電截止電壓為V3，取(n-1)*2.7+1.4V≤V3≤(n-1)*2.7+1.6V。本發(fā)明采用對電池組充電整體控制的方式，使方法變得更加簡單而有效。
文檔編號H01M10/44GK102055209SQ200910109960
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者王水波 申請人:上海比亞迪有限公司