CN108023130B - 一种锂离子电池充电优化方法 - Google Patents

一种锂离子电池充电优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种锂离子电池充电优化方法，属于锂离子电池技术领域。该充电优化方法包括以下步骤，首先使用第一阶段充电倍率对锂离子电池进行恒流充电，当电压达到锂离子电池充电截止电压时，使用第二阶段充电倍率对锂离子电池进行恒流充电，以此类推，直至第四阶段恒流充电，当电压达到锂离子电池充电截止电压时采用短时恒压充电，恒压充电时间达到预定时间时停止充电。本发明提出的充电优化方法可减少充电时间、降低容量损失、延长电池使用寿命，且电路容易实现。

Description

一种锂离子电池充电优化方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池充电优化方法。
背景技术
化石能源的使用加重了环境污染，同时化石能源将会消耗殆尽，再次形成非常困难。锂离子电池具有能量密度高，循环性能好，自放电效应小，污染少等优点。它作为水力、风力、太阳能发电等新能源的载体，可解决化石能源短缺和环境污染等问题。目前，锂离子电池已经在手机，电脑，电动车等多个领域中被应用。但是锂离子电池在使用过程中仍有许多问题需要解决，其中减少充电时间和延长使用寿命是两个重要的方面。通过改进现有充电方法是一个很好的解决方案。目前主要使用的充电方法是恒流恒压充电。传统的恒流恒压充电技术的步骤包括，首先使用恒流充电，当电池电压达到充电限制电压时采用限制电压进行恒压充电，该方法不仅增加了充电时间，而且减少了电池使用寿命。中国专利CN101232110A对已有的恒流恒压充电方法进行了改进，其特征是将恒流恒压充电后的浮充电改为搁置。但是恒压充电过程仍会花费大量的时间，若恒压充电电压过小则电池充不满，电压过大则使电池长期处于高电压状态，仍然不利于延长电池的使用寿命。中国专利CN102891340A提出了一种阶梯式充电方法，其特征是对电池进行恒流充电后搁置一段时间，对电池进行放电，搁置后再次充电，以此类推，直至电池恒流充电搁置后的电压降小于某一数值或者充电容量达到额定容量时停止充电。此充电方法的充电停止准则会导致电池无法充满。特别是在电池开始使用时，容量一般会大于额定容量，根据额定容量来判定充电停止有不妥之处。该充电方法充放电一直使用低倍率充电，并且在充电，搁置，放电，搁置之间循环，无疑会增加充电时间，提高充电倍率会导致寿命减少。充电倍率减少会延长电池使用寿命，但会增加充电时间，反之亦然，这也是减少充电时间和延长电池使用寿命的矛盾之处。现有技术大多只关注一个方面，即减少充电时间和延长使用寿命其中之一，如何同时达到两种目的仍是一个难题。此外，对现有充电方法的改进常常伴随着容量损失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可同时减少充电时间和延长电池使用寿命，并且尽可能的降低容量损失的充电方法。
为了解决上述问题，达到本发明的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种锂离子电池充电优化方法，包括以下步骤：
使用预先确定的第一阶段充电倍率对锂离子电池恒流充电，当电压达到锂离子电池充电截止电压时，使用第二阶段充电倍率对电池恒流充电，直至电压达到锂离子电池的充电截止电压，再次更换为第三阶段充电倍率对电池恒流充电，充电至锂离子电池截止电压后，使用第四阶段充电倍率对电池恒流充电，电压达到锂离子电池充电截止电压时，使用该截止电压对电池进行短时恒压充电，恒压充电达到预定充电时间时停止充电。
其中，后一阶段恒流充电倍率小于前一阶段恒流充电倍率。
其中，第一阶段恒流充电倍率取值在被充电锂离子电池标准充电倍率与最大充电倍率之间，第四阶段恒流充电倍率取值在0.1C与0.3C之间，短时恒压充电时间在0min与5min之间。
其中，第一阶段和第四阶段恒流充电倍率以及短时恒压充电时间根据等效电路模型和锂离子电池容量衰减机理试验确定。
其中，根据等效电路模型，获得的电池充电时间(t)与第一阶段(C1)和第四阶段(C4)恒流充电倍率以及短时恒压充电时间(t’)数学表达式如下：
Figure BDA0001506678890000021
其中，在充电之前确定充电时间表达式各参数的值，用来确定所需充电倍率和短时恒压充电时间。
其中，根据锂离子电池容量衰减机理，第一阶段和第四阶段恒流充电倍率过高会减少电池使用寿命，恒压充电5min有延长电池寿命的作用。
本发明原理在于：
使用小倍率对电池进行恒流充电花费大量的时间，而增加充电倍率的同时也增加了极化内阻，它与电池的欧姆电阻一起导致电池实际电压没有达到电池限制电压，因此当电池总电压达到电池限制电压时，电池并没有被充满。恒流恒压充电方式可以解决这一问题，在恒压充电阶段，充电倍率不断减小，从而减小极化内阻，当充电倍率达到电池截止充电倍率时，极化内阻和欧姆电阻导致的容量损失可忽略不计。但恒流恒压充电的恒压充电阶段使电池长期处于高电压状态，减少了电池的使用寿命，并且充电时间仍不能被广泛接受。本发明采用四阶段恒流充电和一阶段短时恒压充电的充电方法，具体步骤如下：首先使用第一阶段充电倍率进行恒流充电，当电压达到电池截止电压时，采用第二阶段充电倍率进行恒流充电，以此类推直至第四阶段恒流充电，当电压达到电池截止电压时，使用电池截止电压进行短时恒压充电，当恒压充电时间达到预定时间时停止充电。小倍率恒流充电会降低电池的极化内阻，在高电压情况下使用小倍率充电也有利于延长电池使用寿命，因此后一阶段恒流充电倍率一直小于前一阶段恒流充电倍率，即第二阶段恒流充电倍率小于第一阶段恒流充电倍率，以此类推。为了减少电池充电时间，则第一阶段恒流充电倍率在锂离子电池最大充电倍率和标准充电倍率之间取值，综合减少极化内阻和充电时间的目的，第四阶段恒流充电倍率在0.1C和0.3C之间取值。为了尽可能小的降低电池容量损失，同时减少充电时间，恒压充电时间在0min和5min之间取值。
有研究指出可以根据电池的等效电路模型计算充电时间，运用到多阶段恒流充电中，中间阶段的恒流充电倍率可以根据第一阶段和最后一阶段的充电倍率决定，从而达到减少充电时间的目的。本发明第二阶段(C2)和第三阶段(C3)恒流充电倍率可根据以下两个数学表达式确定。
Figure BDA0001506678890000032
与已有研究不同的是，本发明使用等效电路如图1所示，其中Rb和C′b分别锂离子电池等效电阻和电容，V是电池截止电压。
电池截止电压是电阻和电容电压之和，数学式如下：
Figure BDA0001506678890000033
其中Vin为电池初始开路电压，I为锂离子电池1C充电电流，为某一定值，第一阶段恒流充电时Vin为OCV。
则每一阶段恒流充电至截止电压所需时间数学式如下：
假设第二、第三和第四阶段恒流充电结束后电阻为定值，Rb是荷电状态(SOC)的函数，第一阶段恒流充电时间(t1)是充电倍率(C1)的函数，SOC是充电倍率和充电时间的函数，数学式如下：
Figure BDA0001506678890000034
Qn为额定容量，I为锂离子电池1C充电电流，为某一定值；
综合以上各式，电池充电时间数学式如下：
Figure BDA0001506678890000035
确定此数学式各参数数值，则可选用第一阶段和第四阶段恒流充电倍率以及短时恒压充电时间，以到达减少充电时间的目的。
根据充电试验结果可得出如何选用第一阶段和第四阶段恒流充电倍率以及恒压充电时间来尽可能的降低容量损失。
根据锂离子电池容量衰减机理进行试验，试验结果表明第一阶段和第四阶段恒流充电倍率过高会减少电池使用寿命，恒压充电5min有延长电池寿命的作用。
则根据以上电池等效电路模型和容量衰减机理选用第一阶段和第四阶段充电倍率以及短时恒压充电时间即可同时达到减少充电时间和延长电池使用寿命的目的，并且尽可能的降低容量损失。
针对现有技术不能有效的同时减少充电时间和延长电池使用寿命，并且存在容量损失的问题，本发明提出了一种锂离子电池充电优化方法，其主要有益效果如下：
首先本发明提出采用四阶段恒流充电和一阶段短时恒压充电的充电方法，该方法是在传统的恒流恒压充电方法基础上进行改进，对充电器的电路要求不高，易于实现。其次本发明根据等效电路模型能够精确计算充电时间，从而可以正确选择第一阶段、第四阶段恒流充电倍率以及恒压充电时间，以达到减少充电时的目的。再者本发明根据容量衰减机理可选择第一阶段、第四阶段恒流充电倍率以及短时恒压充电时间以达到延长电池使用寿命的目的。最后，再考虑降低容量损失，用以选择第一阶段、第四阶段恒流充电倍率以及短时恒压充电时间。综合以上三方面则可达到减少充电时间、降低容量损失和延长使用寿命的有益效果。
附图说明
图1为本发明所使用的等效电路图；
图2为本发明实施例的R-SOC拟合曲线图；
图3为本发明实施例的第一阶段恒流充电倍率(C1)与充电时间(t1)拟合曲线图；
图4为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.6C，第四阶段恒流充电倍率0.1C，恒压充电时间0min充电方法；
图5为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.6C，第四阶段恒流充电倍率0.3C，恒压充电时间0min充电方法；
图6为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.8C，第四阶段恒流充电倍率0.1C，恒压充电时间0min充电方法；
图7为标准倍率恒流恒压充电方法；
图8为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.6C，第四阶段恒流充电倍率0.1C，恒压充电时间5min充电方法；
图9为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.7C，第四阶段恒流充电倍率0.1C，恒压充电时间0min充电方法；
图10为本发明实施例中使用第一阶段恒流充电倍率0.6C，第四阶段恒流充电倍率0.2C，恒压充电时间5min充电方法充电锂离子电池与标准倍率恒流恒压充电方法充电锂离子电池容量衰减曲线比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例做进一步的详细描述。
本发明使用四阶段恒流充电和一阶段短时恒压充电的方法来减少充电时间，延长使用寿命和尽可能的降低容量损失。为了减少充电时间，根据等效电路模型计算本发明提出的充电方法的充电时间。本发明所用等效电路图如图1所示，是对已有研究的改进，即提出等效电路中电阻是SOC的函数。为了将第一阶段恒流充电结束后的电阻与第一阶段的恒流充电倍率结合起来，本发明实施过程中使用以三元材料为正极材料，石墨为负极材料的18650电池，额定容量为2Ah,标准充电倍率为0.5C(1A),拟合了该电池电阻Rb和SOC、第一阶段恒流充电倍率(C1)和充电时间(t1)的曲线，两个曲线图分别如图2和图3所示，其中①为原曲线，②为拟合曲线。最后获得数学式分别如下：
Figure BDA0001506678890000052
根据充电时间数学式：
Figure BDA0001506678890000053
设计实验求表达式参数，实验以及结果如表一所示
表一：
Figure BDA0001506678890000061
根据以上试验结果，拟合所得数学式如下：
Figure BDA0001506678890000062
根据锂离子电池容量衰减机理设计正交试验，试验以及结果如表二所示
表二：
Figure BDA0001506678890000063
Figure BDA0001506678890000071
根据试验结果，第一阶段和第四阶段恒流充电倍率越大，锂离子电池容量衰减速度越快，5min恒压充电有延长电池使用寿命的作用，并且可以减少容量损失。
以下分别以减少充电时间、降低容量损失和延长电池使用寿命为主要目的进行实例试验。下述实例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。使用人员可根据本发明的原理对下述实例进行修改和变形。在使三个目的最大化之间进行妥协，即可获得同时减少充电时间和降低容量损失以及延长使用寿命的充电方法。
实施例一：
使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间0min；第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.3C(0.6A)，恒压充电时间0min；第一阶段恒流充电倍率0.8C(1.6A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间0min；标准充电倍率恒流恒压充电分别对锂离子电池进行充电，该锂离子电池正极为三元材料，负极为石墨，额定容量为2Ah,标准充电倍率为0.5C(1A)。四种充电方法对锂离子电池充电结果分别如图4、5、6、7所示。每张图中，曲线①代表充电倍率，曲线②代表充电电压，曲线③代表SOC。由图4、5、6、7可知，本发明提出的充电方法充电时间远远少于标准倍率恒流恒压充电方式。此外，第一阶段充电倍率和第四阶段充电倍率同时增加相同数值时，增加第四阶段充电倍率减少充电时间的效果优于增加第一阶段恒流充电倍率。同时，本发明提出的充电方法容量损失在6％以下。
实施例二：
使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间0min；使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.3C(0.6A)，恒压充电时间0min；第一阶段恒流充电倍率0.8C(1.6A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间0min；标准充电倍率恒流恒压；使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间5min；使用第一阶段恒流充电倍率0.7C(1.4A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间0min六种充电方法对锂离子电池进行充电，该锂离子电池正极为三元材料，负极为石墨，额定容量为2Ah,标准充电倍率为0.5C(1A)。四种充电方法对锂离子电池充电结果分别如图4、5、6、7、8、9所示。每张图中，曲线①代表充电倍率，曲线②代表充电电压，曲线③代表SOC。由图4、5、6、7、8、9可知，本发明提出的充电方法充电时间远小于标准倍率恒流恒压充电方式。此外，充电容量由第四阶段恒流充电倍率控制，即第一阶段恒流充电倍率不同，第四阶段恒流充电倍率相同，充电容量变化可忽略不计；第一阶段恒流充电倍率相同，第四阶段恒流充电倍率越大，充电容量越少。恒压充电5min有利于减少容量损失。由图8和图9可知，使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.1C(0.2A)，恒压充电时间5min充电方法与标准恒流恒压充电方法相比，SOC相差在1％以内。
实施例三：
使用第一阶段恒流充电倍率0.6C(1.2A)，第四阶段恒流充电倍率0.2C(0.4A)，恒压充电时间5min；标准恒流恒压对锂离子电池进行充电，该锂离子电池正极为三元材料，负极为石墨，额定容量为2Ah,标准充电倍率为0.5C(1A)。前者充电时间为6452s，后者充电时间为8888s，前者充电SOC为98.28％，后者充电SOC为100.14％，SOC为锂离子电池实际充电容量除以额定容量所得。此处SOC大于100％，说明充电容量大于额定容量。两者容量衰减曲线如图10所示，其中曲线①是标准恒流恒压充电的电池容量衰减曲线，曲线②是本发明提出的充电方法充电的电池容量衰减曲线。由图可知，本发明提出的充电方法具有延长电池使用寿命的作用，同时可在容量损失较小的情况下减少充电时间。

Claims (3)

1.一种锂离子电池充电优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用预先确定的第一阶段充电倍率对锂离子电池恒流充电，当电压达到锂离子电池充电截止电压时，使用第二阶段充电倍率对电池恒流充电，直至电压达到锂离子电池的充电截止电压，再次更换为第三阶段充电倍率对电池恒流充电，充电至锂离子电池截止电压后，使用第四阶段充电倍率对电池恒流充电，电压达到锂离子电池充电截止电压时，使用该截止电压对电池进行短时恒压充电，恒压充电达到预定充电时间时停止充电；
后一阶段恒流充电倍率小于前一阶段恒流充电倍率；
第一阶段恒流充电倍率取值在被充电锂离子电池标准充电倍率与最大充电倍率之间，第四阶段恒流充电倍率取值在0.1C与0.3C之间，短时恒压充电时间在0min与5min之间；
第一阶段和第四阶段恒流充电倍率以及短时恒压充电时间根据等效电路模型和锂离子电池容量衰减机理试验确定；
根据等效电路模型，获得的电池充电时间t与第一阶段C1和第四阶段C4恒流充电倍率以及短时恒压充电时间t’数学表达式如下：
Figure FDA0002163062570000011
其中Rb和C'b分别锂离子电池等效电阻和电容，V是电池截止电压，I为锂离子电池1C充电电流。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池充电优化方法，其特征在于，在充电之前确定充电时间表达式各参数的值，用来确定所需充电倍率和短时恒压充电时间。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池充电优化方法，其特征在于，根据锂离子电池容量衰减机理，第一阶段和第四阶段恒流充电倍率过高会减少电池使用寿命，恒压充电5min有延长电池寿命的作用。
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