CN107516921B - 电池的充电方法及充电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池的充电方法及充电设备，涉及二次电池充放电技术领域，该电池的充电方法，包括先用降电流充电方式对电池进行N次充放电后再用恒电流对电池进行充放电；所述降电流充电方式包括：首次充电电流≥第二次充电电流，且第n次的充电电流In小于第n‑1次的充电电流In‑1；其中，n小于等于N且n≥3。利用该电池充电方法缓解现有技术的充电方式引起的电池充电寿命短的技术问题，达到了提高电池循环寿命的技术效果。

Description

电池的充电方法及充电设备
技术领域
本发明涉及二次电池充放电技术领域，尤其是涉及一种电池的充电方法及充电设备。
背景技术
二次电池又称可充电电池是指电池放电后可通过充电的方式使电池可继续使用。二次电池利用其可以循环充电和放电的特性应用在手机、数码相机等电子产品以及电动汽车、储能系统等领域。随着技术的发展，市场对电池循环次数要求不断提高，从循环500次上升到1000次、甚至是5000次。但是，在电池的充放电过程中，随着电池充放电次数的增加，电池副反应所引起的电池内阻逐渐增大，电池极化也不断变大，从而导致电池充电容量变小，进而导致电池循环性能变差，影响电池的使用寿命。
因此，如何提高可充电电池的使用寿命成为行业内的研究热点。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供电池的充电方法，以缓解现有技术的充电方式引起的电池充电寿命短的技术问题。
本发明的第二目的在于提供充电设备，利用该设备对电池进行充电能够提高电池的使用寿命。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种电池的充电方法，包括先用降电流充电方式对电池进行N次充放电后再用恒电流对电池进行充放电；
所述降电流充电方式包括：首次充电电流≥第二次充电电流，且第n次的充电电流In小于第n-1次的充电电流In-1；
其中，n小于等于N且n≥3。
进一步的，电池的首次充电电流与第二次充电电流相同。
进一步的，上述电池的充电方法，包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和第三次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，记录充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值时，停止对电池的充放电。
进一步的，电压U1、电压U2、直至UN是当充电状态达到全充电态的30％-80％范围内时记录的电压值。
进一步的，电压U12、电压U22、直至UN2是当放电状态达到全放电态的30％-80％范围内时记录的电压值。
进一步的，充电电流I1取值范围为0.05-50C，优选为0.2-20C，进一步优选为0.4-10C。
进一步的，所述第一阈值为(0.05-0.8)I1，优选为(0.1-0.8)I1，进一步优选为(0.4-0.7)I1。
进一步的，所述第二阈值为(0.01-0.3)，优选为(0.05-0.2)，进一步优选为(0.1-0.2)。
一种实现上述充电方法的充电设备，包括信号采集模块、信号分析处理模块和信号输出模块；
所述信号采集模块采集电流和电压信号后由信号分析处理模块进行运算处理，根据运算结果选择对电池进行降电流充电或恒电流充电或停止充电，并由信号输出模块将信号输出以实现对电池的充电控制。
进一步的，所述信号分析处理模块包括：对采集到的电压和电流进行运算处理的信号处理模块、根据运算结果进行充电方式选择的信号诊断模块、根据运算结果发出警示的信号警示模块和根据运算结果进行电流调整的信号调整模块。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中创新性地采用降电流充电方式对电池就行充放电，除首次充电和第二次充电外，在每次充放电循环后都用进一步降低的充电电流对电池再次充电，由于电流的降低，因此减少了电池内部副反应的发生，延缓了电池内阻的增加及电池容量的减少，从而提高了电池的使用寿命。
采用本发明提供的充电方法对电池充电，可以有效提高电池循环次数以及使用寿命。试验证明，当电池体系为磷酸铁锂体系时，电池循环寿命提高了一倍以上；当电池是钴酸锂时电池的循环寿命提升60％以上；当电池是三元体系时，电池循环寿命提升了60％以上。由此，通过本发明提供的充电方法可以有效延长电池的使用寿命，降低电池应用成本，有利于电池产业的发展。
本发明提供的充电设备能够实现上述充电方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的电池的充电方法的流程图；
图2为本发明提供的充电设备的结构示意图。
图标：10-信号采集模块；20-信号处理模块；30-信号诊断模块；40-信号警示模块；50-信号调整模块；60-信号输出模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合图1对本发明提供的电池的充电方法做进一步说明。
本发明的第一个方面提供了一种电池的充电方法，包括先用降电流充电方式对电池进行N次充放电后再用恒电流对电池进行充放电；
所述降电流充电方式包括：首次充电电流≥第二次充电电流，且第n次的充电电流In小于第n-1次的充电电流In-1；
其中，n小于等于N且n≥3。
本发明中创新性地采用降电流充电方式对电池就行充放电，除首次充电和第二次充电外，在每次充放电循环后都用进一步降低的充电电流对电池再次充电，由于电流的降低，因此减少了电池内部副反应的发生，延缓了电池内阻的增加及电池容量的减少，从而提高了电池的使用寿命。
采用本发明提供的充电方法对电池充电，可以有效提高电池循环次数以及使用寿命。试验证明，当电池体系为磷酸铁锂体系时，电池循环寿命提高了一倍以上；当电池是钴酸锂时电池的循环寿命提升60％以上；当电池是三元体系时，电池循环寿命提升了60％以上。由此，通过本发明提供的充电方法可以有效延长电池的使用寿命，降低电池应用成本，有利于电池产业的发展。
本发明采用的降电流充电方式是先选择一个初始充电电流进行首次充电，初始电流的大小根据电池的容量确定，第二次充电电流可以采用初始电流进行充电，也可以采用低于初始电流的充电电流进行充电，第三次的充电电流又小于第二次的充电电流，以此类推，第n次的充电电流In小于第n-1次的充电电流In-1。当采用降电流充电方式充电一定次数N后改用恒电流充电方式进行充电，恒电流充电时采用的充电电流为IN。本发明提供的充电方法中，采用逐渐降低电流的方法进行充电，降低了因电流过大造成的温升和内阻增大的情况的发生，从而提供了电池的循环寿命。
本发明中所指电池包括但不限于以下几种电池：钴酸锂电池、锰酸锂电池、镍酸锂电池、镍钴锰酸锂电池或磷酸铁锂电池。
作为本发明优选的实施方式，电池的首次充电电流与第二次充电电流相同。首次充电电流与第二次充电电流相同可以在防止后续充电电流过快降低的同时，使电池的电性能被充分激发出来。
作为本发明优选的实施方式，上述电池的充电方法，包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和第三次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，记录充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值时，停止对电池的充放电。
在上述优选实施方式中，根据每次充电态下的电压变化率(相对于首次充电时的电压)来确定下一次充电时的充电电压，从电池的实际状态出发确定充电电流，从而可以在降低充电电流的情况下，避免选择的充电电流过低造成充电不完全的问题发生。
根据电池的实际类型与应用确定第一阈值和第二阈值，其中，第一阈值是根据使用特性定义的一个电流值，当第N次的充电电流IN降低到预设的第一阈值时，此时的充电电流已不能再引起电池内阻的过度增大及电量的过度衰减，可以以此时的充电电流IN对电池进行恒电流充电。而第二阈值是根据使用特性定义的一个电压的变化率，当利用恒电流充电M次后，此时的放电态得到的电压的变化率小于零且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值时，说明电池内电压变化较大，已不能在满足使用要求，此时需停止充电，可做报废处理。
作为本发明优选的实施方式，电压U1、电压U2、直至UN是当充电状态达到全充电态的30％-80％范围内时记录的电压值。选择全充电态的30％-80％记录电压U1、电压U2、直至UN，此时的电压比较稳定，能够反正电池的真实充电电压情况。
在上述优选实施方式中，可以在全充电态的30％、40％、50％、60％、70％或80％的范围内记录电压电压U1、电压U2、直至UN，但并非限于上述范围。
进一步的，电压U12、电压U22、直至UN2是当放电状态达到全放电态的30％-80％范围内时记录的电压值。选择全放电态的30％-80％记录电压U12、电压U22、直至UN2，此时的电压比较稳定，能够反正电池的真实放电电压情况。
在上述优选实施方式中，可以在全放电态的30％、40％、50％、60％、70％或80％的范围内记录电压电压U12、电压U22、直至UN2，但并非限于上述范围。
作为本发明优选的实施方式，充电电流I1取值范围为0.05-50C，优选为0.2-20C，进一步优选为0.4-10C。
作为本发明的优选实施方式，
所述第一阈值为(0.05-0.8)I1，优选为(0.1-0.8)I1，进一步优选为(0.4-0.7)I1。
作为本发明优选的实施方式，所述第二阈值为(0.01-0.3)，优选为(0.05-0.2)，进一步优选为(0.1-0.2)。
如图2所示，本发明的另一个方面提供了一种实现上述充电方法的充电设备，包括信号采集模块10、信号分析处理模块和信号输出模块60；
所述信号采集模块10采集电流和电压信号后由信号分析处理模块进行运算处理，根据运算结果选择对电池进行降电流充电或恒电流充电或停止充电，并由信号输出模块60将信号输出以实现对电池的充电控制。
作为本发明的优选实施方式，所述信号分析处理模块包括：对采集到的电压和电流进行运算处理的信号处理模块20、根据运算结果进行充电方式选择的信号诊断模块30、根据运算结果发出警示的信号警示模块40和根据运算结果进行电流调整的信号调整模块50。
以下将结合实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例是一种磷酸铁锂电池的充电方法，包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流为10C的I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的40％时，记录此时充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的40％时，记录此时放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的40％时，记录此时充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的40％时，记录此时放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和下一次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的40％时，记录此时充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，当放电状态处于全放电态的40％时，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值0.5I1时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值0.1时，停止对电池的充放电。
本实施例中，N的数值为800，M的数值为245，由此可知，利用本发明提供的充电方法对磷酸铁锂电池进行充电，可使电池的使用次数达到1045次。
实施例2
本实施例是一种钴酸锂电池的充电方法，包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流为2C的I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的60％时，记录此时充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的60％时，记录此时放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的60％时，记录此时充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的60％时，记录此时放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和下一次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的60％时，记录此时充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，当放电状态处于全放电态的60％时，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值0.7I1时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值0.2时，停止对电池的充放电。
本实施例中，N的数值为650，M的数值为150，由此可知，利用本发明提供的充电方法对钴酸锂电池进行充电，可使电池的使用次数达到800次。
实施例3
本实施例是一种镍钴锰酸锂电池的充电方法，包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流为5C的I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的80％时，记录此时充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的80％时，记录此时放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的80％时，记录此时充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，当放电状态处于全放电态的80％时，记录此时放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和下一次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，当充电状态处于全充电态的80％时，记录此时充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，当放电状态处于全放电态的80％时，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值0.8I1时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值0.2时，停止对电池的充放电。
本实施例中，N的数值为650，M的数值为200，由此可知，利用本发明提供的充电方法对镍钴锰酸锂电池进行充电，可使电池的使用次数达到850次。
对比例1
本对比例是一种磷酸铁锂电池的充电方法，包括以下步骤：用电流为10C的充电电池进行充电，当电池循环使用520次后，电池的性能不能满足使用要求，停止充电。
对比例2
本对比例是一种钴酸锂电池的充电方法，包括以下步骤：用电流为2C的充电电池进行充电，当电池循环使用500次后，电池的性能不能满足使用要求，停止充电。
对比例3
本对比例是一种镍钴锰酸锂电池的充电方法，包括以下步骤：用电流为5C的充电电池进行充电，当电池循环使用520次后，电池的性能不能满足使用要求，停止充电。
由实施例1-3和对比例1-3提供的数据可以看出，利用本发明提供的方法可以将磷酸铁锂电池的循环寿命提高一倍以上，可以将钴酸锂电池的循环寿命提高60％以上，可以将三元系电池-镍钴锰酸锂电池的循环寿命提高60％以上。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种电池的充电方法，其特征在于，包括先用降电流充电方式对电池进行N次充放电后再用恒电流对电池进行充放电；
所述降电流充电方式包括：首次充电电流≥第二次充电电流，且第n次的充电电流In小于第n-1次的充电电流In-1；
其中，n小于等于N且n≥3；
所述电池的充放电方法包括以下步骤：
步骤a)：首次充电：先用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U1，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U12；
步骤b)：第二次充电：用电流I1对电池进行充电，记录充电状态下的电压U2，并以电流I1进行放电，记录放电状态下的电压U22；计算充电态电压变化率△u1＝(U2-U1)/U1和第三次充电电流I2＝I1*(1-△u1)；
步骤c)：第三次充电：用电流I2对电池进行充电，记录充电状态下的电压U3，并以电流I2进行放电，记录放电状态下的电压U32；
计算充电态电压变化率△u2＝(U3-U1)/U1、放电态电压变化率△u22＝(U32-U12)/U12和下一次充电电流I3＝I1*(1-△u2)；
以此类推，进行充放电循环，第N次的充电电流IN＝I1*(1-△uN-1)，当电流IN小于第一阈值时，用电流IN进行M次恒电流充放电；当△u(N+M-1)2＝(U(N+M-1)2-U12)/U12＜0且∣△u(N+M-1)2∣/U12大于第二阈值时，停止对电池的充放电。
2.根据权利要求1所述的电池的充电方法，其特征在于，电压U1、电压U2、直至UN是当充电状态达到全充电态的30％-80％范围内时记录的电压值。
3.根据权利要求1所述的电池的充电方法，其特征在于，电压U12、电压U22、直至UN2是当放电状态达到全放电态的30％-80％范围内时记录的电压值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电池的充电方法，其特征在于，充电电流I1取值范围为0.05-50C。
5.根据权利要求4所述的电池的充电方法，其特征在于，充电电流I1取值范围为0.2-20C。
6.根据权利要求4所述的电池的充电方法，其特征在于，充电电流I1取值范围为0.4-10C。
7.根据权利要求1-3任一项所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第一阈值为(0.05-0.8)I1。
8.根据权利要求7所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第一阈值为(0.1-0.8)I1。
9.根据权利要求7所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第一阈值为(0.4-0.7)I1。
10.根据权利要求1-3任一项所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第二阈值为(0.01-0.3)。
11.根据权利要求10所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第二阈值为(0.05-0.2)。
12.根据权利要求10所述的电池的充电方法，其特征在于，所述第二阈值为(0.1-0.2)。
13.一种实现权利要求1-12任一项所述的充电方法的充电设备，其特征在于，包括信号采集模块、信号分析处理模块和信号输出模块；
所述信号采集模块采集电流和电压信号后由信号分析处理模块进行运算处理，根据运算结果选择对电池进行降电流方式充电或恒电流充电或停止充电，并由信号输出模块将信号输出以实现对电池的充电控制。
14.根据权利要求13所述的充电设备，其特征在于，所述信号分析处理模块包括：对采集到的电压和电流进行运算处理的信号处理模块、根据运算结果进行充电方式选择的信号诊断模块、根据运算结果发出警示的信号警示模块和根据运算结果进行电流调整的信号调整模块。
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