CN105703022A - 一种基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法。该方法通过记录电池以标准电流充电至V_临界的容量占电池额定容量的比例与充电起始温度的关系，确定电池充电温度的分界点，依据分界点划分温度范围，在各温度范围内采用不同的充电参数进行充电。该方法充分考虑了温度对电池充电效果的影响，避免了电池在整个温度范围内采用单一充电形式导致的充电副反应的发生，改善了电池的使用寿命。

Description

一种基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体涉及一种基于温度选定充电方法以控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法。

背景技术

因能量和功率密度方面的优势，锂离子电池成为新能源汽车主要采用的一类电池，而电动汽车对电池的使用寿命提出了更高要求。如何改善电池寿命成为锂电工作者的重中之重。

影响锂离子电池寿命的因素有很多，除通过电池设计和制作工艺改善电池寿命，实际使用过程参数的控制成为进一步提高电池寿命的关键一环，作为可控制步骤的充电方式也显得尤为重要。

传统的锂离子电池的充电方法通常采用恒流恒压充电，但并未考虑温度对电池充电特性的影响。这会导致电池在高温和低温条件下仍然采用固定电流和电压充电，导致电池在低温充电产生析锂，高温充电在高SOC区加速副反应发生，而直接影响电池寿命。

针对上述不足，本发明提供了一种基于温度选定充电方法以实现控制电池衰减，提升电池寿命的目的，同时在一定程度上能改善电池的安全性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，以改进现有充电方法的不足，改善电池使用寿命。

为达到以上目的，本发明的充电方法包括以下步骤：

(1)电池从起始电压开始以标准电流恒流充电至V_临界，记录电池充电起始温度T₀，计算不同起始温度T₀条件下经上述恒流充电的充电容量C_t，并计算充电容量C_t占电池额定容量的比例q；

(2)根据T₀与q的对应关系，确定电池充电温度的分界点T₁和T₂，其中T₁对应的q的数值范围为0<q≤10％，T₂对应的q的数值范围为10％<q≤50％；

(3)对电池进行充电，测量待充电电池温度T，根据T值确定电池的充电方式：

T≤T₁：禁止充电；

T₁<T≤T₂：对电池施加脉冲电充电，至电池温度满足T>T₂时停止脉冲电充电。

随后，在T>T₂时：对电池进行充电，电池充电上限电压不超过V_临界。优选的充电方式为：恒流充电、恒压充电或恒流加恒压

电池温度T>55℃时，禁止充电。

T₁<T≤T₂条件下采用的脉冲电可以为恒流充电脉冲或恒压充电脉冲：

其中，采用恒流充电脉冲时的脉冲电流为标准电流的0.1-2倍，优选为0.5-1倍；

其中，采用恒压充电脉冲时的电压为起始电压至V_临界电压范围内任一电压值，优选为V_临界；

单个脉冲充电时间为1ms-30s，优选100ms-2s；

单个脉冲间的静置时间为单个脉冲充电时间的0.5-2倍，优选1-1.5倍。

T>T₂时采用的恒流、恒压或恒流加恒压的实施方式：

其中，采用恒流充电时的充电电流为标准电流的0.1-10倍，优选0.5-5倍；

其中，采用恒压充电时的电压可为起始电压至V_临界电压范围内任一电压值，优选为大于50％SOC处的电压。

上述测试温度下的起始电压和50％SOC处的电压分别为电池在25℃条件下以标准电流恒流放电至0％SOC和50％SOC时的开路电压。

上述V_临界为电池在相应温度下充电时出现析锂的临界电压或电池规定理论充电上限电压的极小值，而“相应温度下充电时出现析锂的临界电压”是电池在相应温度下充电时负极对锂电位降至0时的电池电压。

上述标准电流优选为功率型电池1C倍率，能量型电池1/3C倍率的电流。

其中，功率型电池为电池功率密度与能量密度的比值>10的电池，能量型电池为电池功率密度与能量密度的比值≤10的电池。

本发明的有益效果为：

本发明是根据电池在不同起始温度下充电至V_临界的容量比例划分温度范围，在不同的温度范围内选择不同的充电参数进行充电，由于明确了电池在不同起始温度下充电至V_临界的能力，可避免电池在低温条件下采用传统方式充电后析锂反应加速，也能避免常高温环境下因电池充电上限过高导致的氧化反应、电解液分解等副反应的加速发生，从而在保证电池在对应温度下的充电容量的前提下，最大程度的控制了电池的衰减，提高了电池在不同温度下的使用寿命。本发明提供一种在全温度范围内的充电方式的多样化，即划分不同的温度区间，在各区间内采用不同的充电要求，以达到整体控制电池衰减的目的。本发明通过测得电池固有属性，确定不宜进行充电的T≤T₁区；使用常规恒流、恒压或恒流恒压充电可导致电池寿命衰减的T₁<T≤T₂的低温区；以及，随着温度的升高、实际V_临界低于理论值而导致充电超过临界电压而产生副反应的T>T₂常温区。并且，根据不同待充电池在不同温度区间的不同属性，选择恰当的充电方式，以实现在任意温度条件下的合理充电，以期不影响电池寿命，基于温度控制、分段选择合理的充电方式而减小电池衰减。

附图说明

图1为实施例1中电池以实施例中进行恒压式脉冲充电时，脉冲电流、电压及时间变化模拟曲线。

图2为实施例2中电池按实施例和对比例2内充电方法充电时循环过程的容量百分比-循环次数曲线；

图3为实施例2中电池按实施例和对比例2内充电方法充电时循环寿命终止后的阻抗谱曲线。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本发明进行详细说明，但不以任何方式限定本发明。

实施例和对比例采用电化学性能基本一致的额定容量50Ah的电池。

电池为能量型电池，电池功率密度与能量密度的比值为7；电池标准电流采用1/3C；电池规定理论充电上限电压为4.2V。

实施例用50Ah电池的电池q、起始温度T、及V_临界之间的关系为(表1)：

q(单位为％)	q≤10	10<q≤50	q>50
				T(单位为℃)	T≤-20	-20<T≤0	0<T≤15
V临界(单位为V)	4.2(-20℃)	4.07(-15℃)	4.13(10℃)

上表1内的V_临界数值为括号内温度下的V_临界，其中-20℃下的V_临界为电池规定理论充电上限电压，-15和10℃下的V_临界为析锂电压；-20℃下电池以标准电流恒流充至4.2V时q＝9.7％，此时充电容量低，电池未到达析锂电压。从上表得出，该电池的T₁为-20℃，T₂为0℃。

对比例：

对比例1：将带待充电池在实施例1中的对应起始温度(-15℃)下，从起始电压以1/3C恒流充电至4.2V后转4.2V恒压充电至电流降至1/30C或恒压时间1h。

对比例2：将带待充电池在实施例2中的对应起始温度(10℃)下，从起始电压以1/3C恒流充电至4.2V后转4.2V恒压充电至电流降至1/30C或恒压时间1h。

实施例1：T＝-15℃，T₁<T≤T₂

测量电池起始温度为-15℃，V_临界为4.07V。从-15℃起对电池采用恒压式脉冲充电，随着充电进行，电池温度升高至Tc>T₂时的温度定为2℃(>0℃)，停止该恒压脉冲充电；此时再以1/3C恒流充电至4.107V(2℃)后转4.107V恒压充电至电流将至1/30C或恒压时间1h。其中，脉冲充电采用4步脉冲流程，脉冲电压分别为4.07V(-15℃)、4.08V(-10℃)、4.09V(-5℃)、4.10V(0℃)，脉冲电压分别为括号内温度下的V_临界。温度间隔分别为5℃(加热至0℃)和2℃(加热至目标2℃)，单次脉冲时间为0.2s，单次脉冲后静置时间为0.2s。

恒压式脉冲充电参数见下表2：

由上表2可知，电池经28min恒压式脉冲将电池温度从-15℃提升至2℃(>T₂)。

为验证脉冲对电池寿命是否带来影响，分别重复进行实施例1和对比例1(T＝-15℃)的充电方法各30次，对比其在25℃条件下容量和内阻的变化，结果见下表3：

	初始容量(Ah)	30次充电后容量(Ah)	容量保持率(％)
				实施例1	51.669	51.101	98.9
对比例1	51.521	36.477	70.8
					初始内阻(mΩ)	30次充电后内阻(mΩ)	内阻增加(mΩ)
实施例1	1.677	1.715	0.038
				对比例1	1.669	2.084	0.415

电池经实施例1的方法充电后电池容量及内阻基本无变化，电池经传统恒流恒压充电后电池容量衰减30％，内阻增加0.4mΩ。可见，T₁<T≤T₂内电池脉冲能明显控制电池容量衰减，改善电池寿命。

实施例2：T＝10℃，T>T₂

电池测试温度10℃，V_临界为4.13V。电池在10℃下的充电方式采用1C恒流充电至4.13V(V_临界)后转恒压(4.13V)充电至电流降至0.1C或恒压时间1h。

为验证实施例2的充电方式对电池寿命的影响，分别采用实施例2和对比例2(T＝10℃)的充电方法进行电池10℃循环寿命测试，其中实施例2和对比例2的放电条件均采用1C放电，且循环终止条件均为电池容量降至各充电条件下放电最高容量的70％，同时测试电池循环前后25℃标定容量和内阻的变化。详见下表4所示结果。

	初始容量(Ah)	循环次数	寿命终止后容量(Ah)	容量保持率(％)
					实施例2	51.372	284	42.998	83.7
对比例2	51.486	182	37.224	72.3
						初始内阻(mΩ)	循环次数	寿命终止后内阻(mΩ)	内阻增加(mΩ)

实施例2	1.673	284	3.151	1.478
					对比例2	1.679	182	3.868	2.189

电池经本发明的充电方法，循环性能较传统方法性能明显提升，电池容量比传统方法下高11％以上，内阻低0.7mΩ，循环次数增加一倍。可见，T>T₂的温度下采用本发明的充电方式可以明显改善电池寿命，控制电池容量衰减。

以上所述，仅为本发明中的具体实施例而已，并非对本发明的专利范围进行任何形式的限制。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，依据本发明的技术实质进行的任何形式的修改、变化、改进或替换，均仍属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(1)电池从起始电压开始以标准电流恒流充电至V_临界，记录电池充电起始温度T₀，计算不同起始温度经上述充电方法的充电容量C_t，并计算充电容量C_t占电池额定容量的比例q；

(2)根据T₀与q的对应变化关系，确定电池充电温度的分界点T₁和T₂，其中T₁对应的q的数值范围为0<q≤10％，T₂对应的q的数值范围为10％<q≤50％；

(3)对电池进行充电，测量电池温度T，根据T确定电池的充电方式：

T≤T₁：禁止充电；

T₁<T≤T₂：对电池施加脉冲电充电，至电池温度满足T>T₂时停止该脉冲电充电。

2.根据权利要求1所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：

T>T₂：对电池进行充电，电池充电上限电压不超过V_临界。

3.根据权利要求2所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，T>T₂时电池的充电方式为恒流充电、恒压充电或恒流恒压充电。

4.根据权利要求1所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述起始电压为电池在25℃条件下以标准电流恒流放电至0％SOC时的开路电压。

5.根据权利要求1和2所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述V_临界为电池在相应温度下充电时出现析锂的临界电压或电池规定理论充电上限电压的极小值。

6.根据权利要求5所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述电池在相应温度下充电时出现析锂的临界电压是电池在相应温度下充电时负极对锂电位降至0时的电池电压。

7.根据权利要求1和4所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述标准电流优选为功率型电池1C倍率，能量型电池1/3C倍率。

8.根据权利要求7所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述功率型电池为电池功率密度与能量密度的比值>10的电池，能量型电池为电池功率密度与能量密度的比值≤10的电池。

9.根据权利要求1所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，T1<T≤T2时采用的脉冲电充电的方式包含以下步骤：

脉冲电可以为恒流充电脉冲或恒压充电脉冲；

恒流充电脉冲的电流为标准电流的0.1～2倍，优选0.5～1倍；

恒压充电脉冲的电压为起始电压至V_临界电压范围内任一电压值，优选V_临界；

单个脉冲充电时间为1ms～30s，优选100ms～2s；单个脉冲间的静置时间为单个脉冲充电时间的0.5～2倍，优选1～1.5倍。

10.根据权利要求3所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，T>T2时采用的恒流、恒压或恒流加恒压的方式包含以下步骤：

电池恒压充电上限电压不超过V_临界；

恒流充电的电流为标准电流的0.1～10倍，优选0.5～5倍；

恒压充电的电压可为起始电压至V_临界电压范围内任一电压值，优选大于50％SOC处的电压。

11.根据权利要求10所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述50％SOC处的电压为电池在25℃条件下以标准电流恒流放电至50％SOC时的开路电压。

12.根据上述任一权利要求所述的基于温度控制电池衰减的锂离子动力电池充电方法，其特征在于，电池温度T>55℃，禁止充电。