CN105428741A - 一种锂离子电池充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池充电方法，步骤如下：第一阶段：包括若干个增速充电周期，对应设定的、逐渐递增的充电电流；第二阶段：包括若干个减速充电周期，对应设定的、逐渐递减的充电电流。本发明一方面可以避免在高温情况下，大倍率快充过程中由于极化温升造成电解液分解等不可逆副反应的发生，另一方面能在极端低温免额外加热的条件下，实现充电，减少极化造成的极片析锂隐患，从而使电池使用寿命得到延长。

Description

一种锂离子电池充电方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池充电方法，主要用于高温和低温充电。

背景技术

锂离子电池由于具有较高的能量密度，较好的循环性能，其应用领域越来越广。但电池的使用温度(充电温度0℃～45℃)，很大程度上限值了电池的应用范围。行业内，电池制造者一般采用特殊的电池设计，如增加集流体厚度、采用兼顾高低温特性的电解液或增加正负极极片中导电剂含量等，在一定程度上可以改善低温和高温的使用情况，但这些方法所需成本较高，且拓宽电池使用温度程度有限。对于动力锂离子电池来说，合理的充电方法可以提高电池使用效率、延长电池寿命。

按照常规的恒流充电和恒压充电(CC-CV)，恒流充电电流设定一般为1C左右，较大倍率会导致电池极化加剧，在极端环境温度条件运行中，如低温小于0℃，表现为负极极片析锂，不仅会造成电池安全隐患，同时电池不可逆容量急剧衰减，缩短了电池使用寿命。另外若在高温超过45℃范围下直接用常规方法充电，则极化引起的电池内部温升，将直接促使电解液分解或极片表面副反应发生，从而也会使电池提前达到报废状态。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种锂离子电池充电方法，在不增加电池设计成本的同时，用于解决高低温条件下的电池性能缺陷，延长使用寿命。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种锂离子电池充电方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)第一阶段：包括若干个增速充电周期，对应设定的、逐渐递增的充电电流；

2)第二阶段：包括若干个减速充电周期，对应设定的、逐渐递减的充电电流。

进一步的，各增速充电周期之间，以及各减速充电周期之间，均包括电池静置时间。

进一步的，在每个增速充电周期，监控电池极柱或壳体温度，若温度升高超过设定温升阈值，则静置电池一段时间。

进一步的，所述第一阶段，包括四个充电周期，对应的电流分别为I1、I2、I3、I4；电流I1设定范围：0.05C～0.1C，电流I2设定范围：0.1C～0.15C，电流I3设定范围：0.15C～0.2C，电流I4设定范围：0.2C～0.3C。

进一步的，第一阶段，当电池初始极柱或壳体温度为：-20～0℃时，第一阶段总体充入电量比例范围为50％～90％。

进一步的，第一阶段，当电池初始极柱或壳体温度为：45～55℃时，监控电池极柱或壳体温度，若温度升高超过5℃，则静置电池一段时间。

进一步的，所述静置时间设定范围：0～5min。

本发明一方面可以避免在高温情况下，大倍率快充过程中由于极化温升造成电解液分解等不可逆副反应的发生，另一方面能在极端低温免额外加热的条件下，实现充电，减少极化造成的极片析锂隐患，从而使电池使用寿命得到延长。

附图说明

图1为本发明实施例的充电曲线示意图。

图2为对比例1和实施例1分别在低温条件下充电的电池循环曲线图。

图3为对比例2和实施例2分别在高温条件下充放电循环曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1，一种能够延长使用寿命的锂离子电池充电方法，其包括如下两个阶段，第一阶段为为增速变电流分步充电阶段，用逐渐增大的电流(标记为I1、I2、I3和I4，其中I1＜I2＜I3＜I4)，根据电池初始极柱或壳体温度(T0)，对应设定不同充电时间t1、t2、t3和t4，每个充电周期充入电量为C1、C2、C3和C4，并监控充电周期电池壳体或极柱温升情况(分别标记为△T1、△T2、△T3和△T4)，另外每个分步过程之间设定静置状态，持续时间为t0；第二阶段为为减速变电流分步充电阶段，按照第一阶段中的I3、I2和I1逐渐减弱充电电流进行三步充电，根据充入电量或电池温升或电压值的大小，设定充电时间t5、t6和t7，每个充电周期充入电量为C5、C6和C7，另外每个分步过程之间设定静置状态，持续时间为t0。监控电池壳体或极柱温升情况是靠温度监测装置或者电池本身BMS完成的。

关于静置过程，低温充电时，即在-20～0℃时，设定静置时间是为了减小充电过程电极极化，但为了保证整体充电时长不能过长，可以在小电流充电阶段间隙(即极化较小的情况)不设定静置时间。

高温充电时，静置的原因在于温度升高，在45～55℃时，如果保证温升不到5℃，可以不用静置。

本发明主要解决极端低温及高温的充电问题，0℃～45℃为电池的正常工作范围，按照常规的恒流充电或现有充电方式即可，本发明不做赘述。

具体的，电流大小的选取规则为低温(-20～0℃)充电过程无析锂，高温充电过程极柱温升小，且保证整体充电时长不能过长(控制在10h以内)。特别的，本实施例中，电流I1设定范围：0.05C～0.1C,电流I2设定范围：0.1C～0.15C电流I3设定范围：0.15C～0.2C,电流I4设定范围：0.2C～0.3C。

第一阶段，当电池初始极柱或壳体温度为：-20～0℃时，第一阶段总体充入电量比例范围为50％～90％。

当电池初始极柱或壳体温度为：45～55℃时，设定充电时间t1～t4，需要确保充电过程中电池壳体或极柱温升△T1、△T2、△T3和△T4均满足≤5℃，若超过5℃，则转入静置状态。静置时间t0设定范围：0～5min。同样，在第二阶段，为了保证温升不超过5℃，也应监测电池客体或极柱温升。

以上实施例中，包括四个逐渐增大的电流，三个逐渐减小的电流，即包括四个递增充电周期，三个递减充电周期。作为其他实施方式，也可以设置更多的递增充电周期和递减充电周期。但递增充电周期和递减充电周期都应在两个以上。

另外，充电时间的长短也可以根据需要进行设计，并不要求不同充电电流值对应的充电时间相等。充电长短的原则是：高温时温升应小于某设定值(如5℃)。低温时不需要监测温度升高，因此也可以不设温度监测装置。

本发明通过在充电的过程中引入间歇静置，以缓解持续充电中可能由极化引起的析锂影响；通过在充电过程中的静置，减弱生成热的持续累积影响，已达到降温的效果。

考虑到低温条件下，电池SEI膜阻抗值占整体阻抗值的主导地位，对电性能的影响最大。并且相同温度，SOC状态越低，SEI阻抗值越大，极化越严重，因此低温充电初期充电倍率设置较小，从而避免析锂情况发生。待电池内部温度上升，逐渐增加充电倍率，提升充电效率。当低温充电末端，常规的恒压充电时间较长，充入电量比例较低，因此这一阶段将充入电流值逐渐缩小，从而可以避免极化大充电难的情况发生。

锂离子电池的应用是以单体电池串并联的形式组合，一般常温及高温条件单体电池之间一致性较好，表现为直流内阻曲线一致，因此可以通过充电过程中电池壳体或极柱温升的变化实时改变充电电流策略。但在低温条件下充放电内阻差异较大，电池一致性较差，单体之间非一致性加剧，电池发热程度将出现参差不齐，因此低温充电过程中按照充入电量控制较为合理。

以下给出两个对比实验来说明本发明实施例的效果。

实施例1：

本发明的一种延长锂离子电池使用寿命的充电方法包括如下步骤：

现以100支单体容量为100Ah的磷酸铁锂锂离子电池组成动力电池组，环境使用温度0℃±2℃，电池组初始剩余电量为20％SOC,为例充电步骤进行说明：

步骤一、使用电流5A(0.05C)将电池恒流充电2h,充入电量10％，静置3min。

步骤二、使用电流10A(0.1C)将电池恒流充电1h，充入电量10％，静置4min。

步骤三、使用电流15A(0.15C)将电池恒流充电1h，充入电量15％，静置5min。

步骤四、使用电流20A(0.2C)将电池恒流充电1.5h，充入电量30％，静置5min。

步骤五、使用电流15A(0.15C)将电池恒流充电20min，充入电量5％，静置5min。

步骤六、使用电流10A(0.1C)将电池恒流充电0.5h，充入电量5％，静置4min。

步骤七、使用电流5A(0.05C)将电池恒流充电1h,充入电量5％。

放电步骤：充电结束后，在0℃±2℃下，以50A恒流放电至任意一支电池达到2.5V停止放电，循环30次。按照上述方法对锂离子电池进行充放电循环测试，测试结果参见图2、表1。

比较例1：

本比较例采用常规恒流转恒压CC-CV的方式进行充电，以100支单体容量为100AH的磷酸铁锂锂离子电池组成动力电池组，环境使用温度0℃±2℃，电池组初始剩余电量为20％SOC,以30A恒流充电至电池箱规定的充电终止电压111V或任一电池单体达到充电终止电压(3.7V)时转恒压充电，至充电电流降至5A时停止充电。

放电步骤：充电结束后，在0℃±2℃下，以50A恒流放电至任意一支电池达到2.5V停止放电，循环30次。按照上述方法对锂离子电池进行充放电循环测试，测试结果参见图2、表1。

表1实施例1和比较1两种不同充电方式的测试结果

实施例2：

本发明的一种延长锂离子电池使用寿命的充电方法包括如下步骤：

现以25支单体容量为20AH金属壳的镍钴锰酸锂锂离子电池组成动力电池组，环境使用温度45℃±2℃，电池组初始剩余电量为20％SOC为例，充电步骤进行说明：

步骤一、使用电流1A(0.05C)将电池恒流充电4h,充入电量20％，静置3min。

步骤二、使用电流2A(0.1C)将电池恒流充电1h，充入电量10％，静置4min。

步骤三、使用电流3A(0.15C)将电池恒流充电40min，充入电量10％，静置5min。

步骤四、使用电流4A(0.2C)将电池恒流充电0.5h，充入电量15％，静置5min。

步骤五、使用电流3A(0.15C)将电池恒流充电20min，充入电量5％，静置5min。

步骤六、使用电流2A(0.1C)将电池恒流充电1h，充入电量10％，静置4min。

步骤七、使用电流1A(0.05C)将电池恒流充电2h,充入电量10％。

按照上述方法对锂离子电池进行充电测试，并监控充电过程中电池壳体温升，测试结果参见图3、表2。

比较例2：

本比较例采用常规恒流转恒压CC-CV的方式进行充电，以25支单体容量为20AH金属壳的镍钴锰酸锂锂离子电池组，环境使用温度45℃±2℃，电池组初始剩余电量为20％SOC,以10A恒流充电至电池箱规定的充电终止电压84V或任一电池单体达到充电终止电压(4.2V)时转恒压充电，至充电电流降至1A时停止充电。按照上述方法对锂离子电池进行充放电循环测试，测试结果参见图3、表2。

表2实施例2和比较2两种不同充电方式的测试结果

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池充电方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)第一阶段：包括若干个增速充电周期，对应设定的、逐渐递增的充电电流；

2)第二阶段：包括若干个减速充电周期，对应设定的、逐渐递减的充电电流。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：各增速充电周期之间，以及各减速充电周期之间，均包括电池静置时间。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：在每个增速充电周期，监控电池极柱或壳体温度，若温度升高超过设定温升阈值，则静置电池一段时间。

4.根据权利要求1或2或3所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：所述第一阶段，包括四个充电周期，对应的电流分别为I1、I2、I3、I4；电流I1设定范围：0.05C～0.1C，电流I2设定范围：0.1C～0.15C，电流I3设定范围：0.15C～0.2C，电流I4设定范围：0.2C～0.3C。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：第一阶段，当电池初始极柱或壳体温度为：-20～0℃时，第一阶段总体充入电量比例范围为50％～90％。

6.根据权利要求3所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：第一阶段，当电池初始极柱或壳体温度为：45～55℃时，监控电池极柱或壳体温度，若温度升高超过5℃，则静置电池一段时间。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：所述静置时间设定范围：0～5min。