CN105703024A - 一种锂离子动力电池充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂离子动力电池充电方法。该方法包含以下步骤：(1)在电池充电限制电压范围内，以标准电流对电池进行恒流充电测试，通过充电容量-电压曲线得到微分容量曲线，根据曲线峰数n将电池电压分为n+2段；(2)各电压段依次充电，充电时可恒流、恒压或脉冲充电；达到一个电压段的结束电压后，以其结束电压进行恒压充电、或进入下一电压段进行充电、或停止充电。微分容量曲线的峰代表电池不同的电化学反应，峰值代表电池电化学反应内阻最小，根据微分容量曲线的峰数进行电池分电压段充电，可避免电池传统单一电流充电导致的电池因在充电电压范围内的极化内阻差异过大引起的反应极化增大，在保证电池容量的前提下，明显改善电池的寿命。

Description

一种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，具体涉及一种改善电池寿命的锂离子动力电池充电方法。

背景技术

随着技术的不断发展和产业链的逐渐完善，锂离子电池因为能量密度高、倍率性能好等优点，在动力领域的应用不断扩大，成为电动汽车领域主要采用的一类电池。这也对电池寿命提出了更高的要求。

传统的动力锂离子电池的充电方法一般采用恒流恒压充电的形式，常高温环境下采用较大的电流充电，低温下采用降电流充电，但整个恒流充电过程电流一直保持不变，直至电池充电限制电压后改为恒压充电。但是，采用这种方法充电时，电池在充电过程的极化程度各不相同，因而导致电池在充电过程中不能实现均衡充电，也就是说，电池在电化学反应内阻大的电压区和反应内阻小的电压区电池电流一致，直接导致电池充电过程的极化不均匀性。这种充电方法对电池性能会有很大影响。众所周知，电池的充电过程同时存在电化学极化和浓差极化，单一电流充电时会导致电池在充电过程中更多的处于严重的浓差极化条件下。严重的电池极化作用导致对电池内部Li+传输一致性产生极大影响，同时过程内阻会不断增加，这不利于电池容量的稳定发挥，直接导致在整个寿命过程中，电池容量衰减加剧，影响电池寿命。

针对上述问题，本发明提供了一种改善电池寿命的锂离子动力电池的充电方法，该方法在保证电池充电容量的基础上，最大程度的改善电池的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述不足，提供一种改善电池寿命的锂离子动力电池的充电方法，该方法在保证电池充电容量的基础上，最大程度的改善电池的使用寿命。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在电池充电限制电压范围内，以标准电流对电池进行恒流充电测试，然后根据测试的电池容量-电压曲线计算得到微分容量曲线；记录微分容量曲线的完整峰数n，根据n在电池充电限制电压范围内将电压分为(n+2)段；

(2)记录各电压段的分段起始和结束电压，其中第一电压段的起始电压V_{1,start， 理论}为低于其结束电压的任一电压值，第一段的结束电压V_{1,end，理论}为微分容量曲线中电池电压从低到高范围内第一个完整峰的始端电压；从第一电压段起，每一电压段的结束电压V_{n,end，理论}为下一段的起始电压V_{n+1,start，理论}；从第二段起，每一电压段的结束电压为微分容量曲线中该电压段所处峰与高于该电压段的下一个相邻峰的峰值之间的最低值对应的电压；其中第n+1电压段的结束电压V_{n+1,end，理 论}为第n个完整峰的末端电压，此电压也为第n+2段的起始电压V_{n+2,start，理论}，第n+2段的结束电压为电池充电限制电压；

(3)各电压段可恒流、恒压或脉冲充电；每个电压段的充电过程按电压值由低到高前后接续，直至充至电池充电限制电压。

其中，电池在第一段的充电起始电压为待充电池的开路电压，电池在第n+2段的充电结束电压为电池充电限制电压。

其中，进行恒流充电时，达到一个电压段的结束电压后，以其结束电压进行恒压充电、或进入下一电压段进行恒流充电、或停止充电。

优选的，所述步骤(3)中，当恒流充电至本电压段的结束电压后，不进行、或进行一次、或进行多次恒压充电，恒压充电结束电流小于该电压段的恒流充电电流。

其中，电池在各电压段进行恒流充电的结束电压随电池在该电压段的恒流充电电流的大小而进行数值改变。

电池在各电压段恒流充电的结束电压通过公式(1)计算得到：

V_n,end＝V_n,end,理论+(I_测试-I_标准)*R(1)

其中，V_n,end为电池各电压段进行恒流充电的实际结束电压，V_n,end,理论为根据步骤(2)记录的该电压段的结束电压，I_测试为电池在该电压段恒流充电的电流，I_{标 准}为电池的标准充电电流，R为电池对不同充电电流的响应内阻。

其中，V_n,end不超过电池的充电限制电压。

其中，电池各电压段进行恒流充电的结束电压依上述得到。

其中，完整峰为微分容量曲线随电池电压从低到高的微分容量先持续增高至极大值后开始持续减小至出现新一次的增高现象为止，整个峰内微分容量曲线的点斜率呈现先正值，再转为负值的趋势。

每个完整峰代表电池的不同电化学反应，同时代表该电化学反应内阻较小的电压段，其中每个峰值对应的电压又代表该电化学反应内阻最小的电压点。

第一个完整峰的始端电压为微分容量曲线中电池电压从低到高范围下首次出现点切线斜率为前一个点切线斜率的1.5倍以上的电压点；第n个完整峰的末端电压为微分容量曲线中该峰所处电池电压从低到高范围点切线斜率均为负值的最高电压点。

其中，上述标准电流优选为能量型电池1/3C倍率，功率型电池1C倍率。

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。

上述电压段采用恒流充电时，电流采用不低于电池0.01C充电倍率的恒流充电电流，优选在第一和第n+2电压段不超过标准电流的3倍，更优选标准电流的0.7-1.3倍；优选其余电压段的电流不低于标准电流的2倍，更优选标准电流的3-5倍，但电流最高不超过电池允许的最大持续充电电流。

其中，中间各电压段的电流不低于第一和第n+2电压段的充电电流，更优选高于第一和第n+2电压段的充电电流。

电压段采用恒压充电时，恒压充电电压依次分别为起始电压、电压段中值电压和结束电压，其中电压段中值电压为起始电压与结束电压之和的一半对应的电压值，各恒压充电电压下的充电结束电流依次分别为标准电流的1-3倍、1-2倍和0.5-1倍。

电压段采用脉冲充电时，可采用恒流充电脉冲和恒压充电脉冲，其中恒流充电脉冲电流为标准电流的0.5-5倍，优选1-2倍，恒压充电脉冲电压可为各电压段内任一电压值，优选各电压段的结束电压；单个脉冲充电时间为1ms-30s，优选100ms-2s；单个脉冲内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。

每个电压段的充电过程按电压值由低到高前后接续，直至充电至电池充电限制电压。

上述电池充电限制电压与电池活性材料和电解液有关，一般取4.2V。

相邻两个充电过程间有静置过程，静置时间为0-30分钟，优选0-5分钟。

与现有技术相比，本发明根据电池微分容量曲线的峰数在峰存在的电压段采用高于电池充电起始电压段和结束电压段充电电流的电流进行充电，该方法在保证电池充电时间和充电容量的基础上，最大程度的降低了整个充电过程的极化，减少了过程因极化加剧导致的各类副反应的发生，从而提高了电池的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1内电池以标准电流充电后依据容量-电压曲线计算得到的微分容量曲线；

图2为实施例2内电池以标准电流充电后依据容量-电压曲线计算得到的微分容量曲线。

图3为实施例1内电池按实施例1和对比例1充电方式充电时循环过程的容量-循环次数曲线。

图4为实施例1内电池按实施例1和对比例1充电方式充电时循环过程的电池内阻-循环次数曲线。

图5为实施2内电池按实施例2和对比例2充电方式充电时循环过程的容量-循环次数曲线。

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1：

采用的测试电池为能量型电池，电池编号为1，电池额定容量90Ah，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；电池对不同电流的响应内阻为1.33mΩ。本实施例的充电方法包括以下步骤：

(1)起始电压3.0V，以1/3C倍率电流恒流充电至4.2V，得到电池充电容量-电压曲线，对曲线进行微分处理得到微分容量曲线，如图1所示；整个充电电压范围内完整峰数n＝3；

(2)将电池充电电压范围分为5段(n+2＝5)，电压段从低到高分别为3～3.466V,，3.466～3.666V，3.666～3.944V，3.944～4.135V，4.135～4.2V；

(3)电压段从低到高采用如下方式进行充电：其中第一段采用恒压充电，第二至第五段采用恒流充电。更具体的，第二至第五电压段从低到高采用的恒流充电电流分别为0.7C，1C，1.3C，0.2C，则根据公式1计算各电压段(第一段除外)恒流充电后的结束电压分别为3.71V(0.7C)，4.02V(1C)，4.2V(1.3C)，4.2V(0.2C)；

(4)确定好电池分段电压和恒流段充电电流后，采用如下方式进行充电：电池在3V进行恒压充电至电流降至1C后转为3.23V恒压充电，至电流降至0.5C转为3.466V恒压充电，当电流降至0.3C，再以0.7C恒流充电至3.71V，再以1C恒流充电至4.02V，转4.02V恒压充电至电流降至0.5C，再以1.3C恒流充电至4.2V，静置1min，再以0.2C恒流充电至4.2V并在4.2V转恒压充电至0.05C。

实施例2：

采用的测试电池为功率型电池，电池编号为2，电池额定容量30Ah，电池功率密度与能量密度的比值为14；电池标准电流采用1C；电池规定理论充电上限电压为4.2V；电池对不同电流的响应内阻为1.16mΩ。本实施例的充电方法包括以下步骤：

(1)起始电压3.0V，以1C充电至4.2V，得到电池充电容量-电压曲线，对曲线进行微分处理得到微分容量曲线，如图2所示；整个充电电压范围内完整峰数n＝1；

(2)将电池充电电压范围分为3段(n+2＝3)，电压段从低到高分别为3～3.591V,，3.591～3.858V，3.858～4.2V；

(3)电压段从低到高采用如下方式进行充电：其中第一和第二段为恒流充电，第三段为恒流脉冲充电。更具体的，第一和第二段的恒流充电电流分别为1C和3C，则根据公式1计算各电压段恒流充电后的结束电压分别为3.591V(1C)，3.928V(3C)；

(4)确定好电池分段电压和恒流段充电电流后，采用如下方式进行充电：电池从3V以1C恒流充电至3.591V，静置10min，再以3C恒流充电至3.928V，再以2C恒流充电2s，静止2s，循环脉冲充电至4.2V。

对比例：

对上述实施例中的电池1、2分别以下述恒流恒压充电方法进行充电。

对比例1：电池1：电池以1/3C恒流充电至4.2V，转4.2V恒压充电至电流降至0.03C。

对比例2：电池2：电池以1C恒流充电至4.2V，转4.2V恒压充电至电流降至0.2C。

为验证本发明的充电方法对电池寿命的改善作用，分别对采用实施例1、2和对比例1、2充电方法的电池进行寿命测试，寿命测试以上述实施例和对比例的方法对电池进行充电后，电池1以1/3C恒流放电，电池2以1C恒流放电。对比实施例1、2和对比例1、2内电池循环期间的容量和内阻随循环次数的变化，如图3、4、5所示。

对比例和本发明的充电方法在充入容量和充电时间的对比结果如表1所示，对寿命的影响结果如表2所示。

表1实施例和对比例方法下充电容量和充电时间对比

表2实施例和对比例方法下循环性能对比

采用本发明的充电方法，没有影响电池的充电容量，电池充电效率有所提升，同时明显改善了电池的使用寿命。

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 (14)

1.一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在电池充电限制电压范围内，以标准电流对电池进行恒流充电测试，根据测试的电池容量-电压曲线计算得到微分容量曲线；记录微分容量曲线的完整峰数n，根据n在电池充电限制电压范围内将电压分为(n+2)段；

(2)记录各电压段的起始和结束电压，其中第一电压段的起始电压V_{1,start，理论}为低于其结束电压的任一电压值，第一段的结束电压V_{1,end，理论}为微分容量曲线中电池电压从低到高范围内第一个完整峰的始端电压；从第一电压段起，每一电压段的结束电压V_{n,end，理论}为下一段的起始电压V_{n+1,start，理论}；从第二段起，每一电压段的结束电压为微分容量曲线中该电压段所处峰与高于该电压段的下一个相邻峰的峰值之间的最低值对应的电压；其中第n+1电压段的结束电压V_{n+1,end，理论}为第n个完整峰的末端电压，此电压也为第n+2段的起始电压V_{n+2,start，理论}，第n+2段的结束电压为电池充电限制电压；

(3)各电压段可恒流、恒压或脉冲充电；每个电压段的充电过程按电压值由低到高前后接续，直至充至电池充电限制电压。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，电池在第一段的充电起始电压为待充电池的开路电压，电池在第n+2段的充电结束电压为电池充电限制电压。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述完整峰为微分容量曲线随电池电压从低到高的微分容量先持续增高至极大值后开始持续减小至出现新一次的增高现象为止，整个峰内微分容量曲线的点斜率呈现先正值，再转为负值的趋势。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述第一个完整峰的始端电压为微分容量曲线中电池电压从低到高范围下首次出现点切线斜率为前一个点切线斜率的1.5倍以上的电压点；第n个完整峰的末端电压为微分容量曲线中该峰所处电池电压从低到高范围点切线斜率均为负值的最高电压点。

5.根据权利要求1所述的一种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能量型电池1/3C倍率，功率型电池1C倍率。

6.根据权利要求5所述的一种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。

7.根据上述任一权利要求所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，步骤(3)中，所述电池在各电压段进行恒流充电时，各电压段的结束电压随该电压段的恒流充电的电流的大小而改变；

其中，电池在各电压段的实际结束电压通过公式(1)计算得到：

V_n,end＝V_n,end,理论+(I_测试-I_标准)*R(1)

其中，V_n,end为电池各电压段进行恒流充电的实际结束电压，V_n,end,理论为根据步骤(2)记录的该电压段的结束电压，I_测试为电池在该电压段恒流充电的电流，I_标准为步骤(1)的充电标准电流，R为电池对不同充电电流的响应内阻。

8.根据权利要求7所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，其中实际结束电压V_n,end根据公式(1)计算的结果超过电池的充电限制电压时，则该电压段的结束电压为电池的充电限制电压。

9.根据权利要求1或7所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当恒流充电或脉冲恒流充电至各电压段的结束电压后，不进行、或进行一次、或进行多次恒压充电，恒压充电结束电流小于该电压段的恒流充电电流。

10.根据权利要求1或7所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述步骤(3)中，各电压段采用恒流充电时，充电电流不低于电池的0.01C充电倍率，优选在第一和第n+2电压段不超过标准电流的3倍，更优选标准电流的0.7～1.3倍；优选其余电压段的电流不低于标准电流的2倍，更优选标准电流的3～5倍，但电流最高不超过电池允许的最大持续充电电流。

11.根据权利要求10所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，中间各电压段的电流不低于第一和第n+2电压段的充电电流，更优选高于第一和第n+2电压段的充电电流。

12.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述步骤(3)中，电压段采用恒压充电时，恒压充电电压依次分别为起始电压、电压段中值电压和结束电压，其中电压段中值电压为起始电压与结束电压之和的一半对应的电压值，上述三个恒压充电电压下的充电结束电流依次分别为标准电流的1～3倍、1～2倍和0.5～1倍。

13.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，所述步骤(3)中，电压段采用脉冲充电时，可采用恒流充电脉冲或恒压充电脉冲，其中恒流充电脉冲电流为标准电流的0.5～5倍，优选1～2倍，恒压充电脉冲电压可为各电压段内任一电压值，优选各电压段的结束电压；单个脉冲充电时间为1ms～30s，优选100ms～2s；单个脉冲内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。

14.根据上述任一权利要求所述的一种锂离子动力电池充电方法，其特征在于，两个电压段的充电过程间有静置过程，静置时间为0～30分钟，优选0～5分钟。