CN110890600B - 一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法 - Google Patents

一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法，所述方法是对于处于低温下的电池设置预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段；在各充电阶段分别检测电池的状态，并根据检测到的各单体电池的状态，顺次调整各阶段的充电设置参数；所述方法能够有效的提高低温下18650型锂离子电池的充电容量，缩短充电时间，延长循环寿命，具有较大的实用价值。

Description

一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法
技术领域
本发明属于锂离子电池充电运用领域，具体涉及一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法。
背景技术
近年来，随着新能源产业的快速发展，锂离子电池因其具有能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛应用于电子产品、动力电池以及储能领域。随着电动汽车以及混合动力型汽车对电池性能的要求不断提高，电动汽车在大规模普及的同时，充电慢、充电难等仍然是消费者在购买电动汽车时普遍担忧的一个关键问题。此外锂离子电池在低温环境下充电的研究相对有限，可能是因为低温下的充电能力仅在军事，航空航天等特殊应用中才需要。由于锂离子在低温状态下阻抗大，充电容量低，充电时间长以及循环寿命短的问题也依然影响着电动汽车产业的快速发展。
为了解决锂离子电池充电问题，近十年来研究人员开展了一系列的研究与探索。目前最常用的充电方法是小电流的恒流恒压充电。然而，有文献报道过通过建模指出了常规的恒流恒压充电策略在低温下充电时间较长，不是最合适锂离子电池低温充电策略。也有采用将恒流充电阶段调整为限压可变电流的多阶段间歇充电，逐步减小充电电流的方式来提高充电效率，但是这种方法在常温下运用较好，低温环境由于电流较大，并不适用。也有采用大电流充电方法，提高恒流充电的电流能够达到提高充电速度的目的，但是该方法充电电流较大，充电过程极化现象较严重，导致充电效率较低，并且对电池的极板冲击大。并不适在低温下对锂离子电池进行充电。
还有根据充电最佳曲线的计算设计了一种线性控制充电方法，线性充电策略采用模糊控制技术给电池充电，然而电池在低温下是非线性系统，离散型强，使用线性电流充电并不能够达到理想的充电效果。随计算机技术的发展，又研究了智能充电，运用计算机智能数据实时跟踪电池状态，根据实时状态去调节输出充电电流的大小，达到低温下充电电流始终在可接受的充电电流曲线附近的目的。但是，由于在电池的可接受充电电流曲线会不断发生变化，需要不断调整模型中的充电参数，十分复杂。对于前沿的低温充电策略研究，还缺少大量不同充电策略的数据来帮助构建模型。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法，所述方法是对于处于低温下的电池设置预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段；在各充电阶段分别检测电池的状态，并根据检测到的各单体电池的状态，顺次调整各阶段的充电设置参数；所述方法能够有效的提高低温下18650型锂离子电池的充电容量，缩短充电时间，延长循环寿命，具有较大的实用价值。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法，所述方法分为预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段，具体包括以下步骤：
(1)在预放电阶段，对处于低温下的电池进行检测，若电池的电压高于预放电电压门槛值时，则在常温下利用充放电设备对电池放电至预放电门槛电压；若电池的电压低于预放电电压门槛值，则在常温下利用充放电设备对所述电池进行充电，直至将电池的电压等于预放电电压门槛值；
(2)在脉冲激活电池阶段，利用充放电设备对电池先以充电倍率充电至充电门槛值，再以放电倍率放电至放电门槛值，调整充电倍率继续充电至充电门槛值，和/或调整放电倍率继续放电至放电门槛值，重复操作，直至充电倍率提升至1.2C；
(3)在恒流恒压充电阶段，对脉冲激活过后的电池以固定的充电倍率充电至充电电压门槛值，在保持充电电压不变，继续充电，直至充电电流低于设定截止电流门槛值，停止充电。
根据本发明，步骤(1)中，所述的预放电电压门槛值为3.2V。
根据本发明，步骤(1)中，在常温下(如25℃)对低于或高于预放电电压门槛的电池进行充电或放电至3.2V。
根据本发明，步骤(2)中，所述脉冲激活电池阶段是在低温条件下进行的。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，所述的充电门槛值为4.2V，所述的放电门槛值为2.5V。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，所述的充电倍率例如可以是小倍率，如0.5C-1.2C，例如为0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、0.9C、1.0C、1.1C、1.2C。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，所述的放电倍率例如可以是大倍率，如1C-2C，例如为1C、1.1C、1.2C、1.3C、1.4C、1.5C、1.6C、1.7C、1.8C、1.9C、2.0C。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，所述的调整充电倍率继续充电至充电门槛值可以是提高充电倍率0.1-0.5C后继续充电至充电门槛值，也可以是充电倍率不变继续充电至充电门槛值。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，所述的调整放电倍率继续放电至放电门槛值可以是提高放电倍率0.1-0.5C后继续放电至放电门槛值，也可以是放电倍率不变继续放电至放电门槛值。
根据本发明，通过步骤(2)可以提升电池自身温度，降低电池在低温下的高阻抗。
根据本发明，步骤(2)中，所述的脉冲激活电池阶段中，充放电循环次数例如为3-10次，如6-8次，如3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次。通过调整充放电倍率实现多次充放电循环次数。
示例性地，所述的脉冲激活电池阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.8C，对电池以0.8C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.9C，对电池以0.9C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1.0C，对电池以1.0C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
示例性地，所述的脉冲激活电池阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；重复以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V步骤4次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
示例性地，所述的脉冲激活电池阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1C放电倍率放电至2.5V；提高放电倍率至1.5C，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，提高放电倍率至2C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V；重复对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V步骤2次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
根据本发明，步骤(3)中，所述恒流恒压充电阶段是在低温条件下进行的。
根据本发明，步骤(3)中，所述的恒流恒压充电阶段，所述的充电门槛值为4.2V，截止电流门槛值为0.28A，所述的固定的充电倍率为1C。
根据本发明，步骤(3)中，所述方法例如为：利用充放电设备对脉冲激活阶段后的电池采用1C倍率充电，直至电压到达4.2V，随后利用充放电设备对电池采用恒压4.2V充电，直至电流降至0.28A停止充电。
根据本发明，所述的充放电倍率1C代表2.8A电流大小。
根据本发明，所述的电池的充电保护上限值为4.3V，所述的电池的放电保护下限值为2.4V。
本发明中，所述的“低温”，或“低温环境”是指温度在0到零下20摄氏度范围内。
本发明中，所述的充放电设备例如为美国Bitrode电池充放电设备。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法，所述方法是对于处于低温下的电池设置预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段；在各充电阶段分别检测电池的状态，并根据检测到的各单体电池的状态，顺次调整各阶段的充电设置参数；所述方法能够有效的提高低温下18650型锂离子电池的充电容量，缩短充电时间，延长循环寿命，具有较大的实用价值。
附图说明
图1.本发明实施例1的充电阶段示意图。
图2.本发明对比例1的充电阶段示意图。
图3.本发明实施例1和对比例1的充电容量与充电时间图。
图4.本发明实施例2的脉冲处理过程电池最高温度变化图。
图5.本发明实施例3阻抗与温度关系图。
图6.本发明对比例1的电池温度变化图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
对存在于-10℃环境中的18650型锂离子电池(例如日本松下公司生产的18650型电池)采用如图1所示的充电过程，进行充电，所述充电过程分为预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段，具体为：
在预放电阶段，检测电池电压，对低于或高于预放电电压门槛的电池在25℃下进行充电或放电至3.2V。
在脉冲激活充电阶段，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.8C，对电池以0.8C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.9C，对电池以0.9C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1.0C，对电池以1.0C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
在恒流恒压充电阶段，利用充放电设备对脉冲激活阶段后的电池采用1C倍率充电，直至电压到达4.2V，随后利用充放电设备对电池采用恒压4.2V充电，直至电流降至0.28A停止充电。
采用实施例1的充电过程对低温下电池最终充电容量为2.45ah，充电时间100min。
实施例2
其他操作过程同实施例1，区别仅在于在脉冲激活充电阶段，采用如下方法进行充电：
对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；重复以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V步骤4次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
对于此脉冲处理充电步骤，得到如图4的电池自身最高温度变化图，电池在经脉冲处理充电步骤之后，电池自身温度显著提高，从-10℃提高至8.6℃，能够有效的改善后续的充电性能。
采用实施例2的充电过程对低温下电池最终充电容量为2.43ah，充电时间103min。
实施例3
其他操作过程同实施例1，区别仅在于在脉冲激活充电阶段，采用如下方法进行充电：对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1C放电倍率放电至2.5V；提高放电倍率至1.5C，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，提高放电倍率至2C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V；重复对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V步骤2次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
对于此脉冲处理充电步骤，得到如图5的电池阻抗随温度变化图，电池在经脉冲处理充电步骤之中，随电池自身温度显著提高，电池的自身阻抗快速下降，能够有效的降低电池阻抗。
采用实施例3的充电过程对低温下电池最终充电容量为2.42ah，充电时间101min。
对比例1
对存在于-10℃环境中的18650型锂离子电池采用如图2所示的充电过程，进行充电，具体方法如下：
先以恒定1C的倍率充电，直到电池电压4.2V，保持恒定电压不变，电流降低至0.28A停止充电。得到如图6电池自身温度变化图，电池温度仅提高至-5℃。
图3为本发明实施例1和对比例1的充电容量与充电时间图。从图3中可以看出，采用传统的如对比例1所示的恒流恒压充电过程，电池在低温下的充电容量为2.18ah，充电时间为128min；采用实施例1的方法对低温下电池充电后，电池最终充电容量为2.45ah，充电时间100min，充电容量相比对比例提高了12％，充电时间降低了20％。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于18650型锂离子电池在低温环境的充电方法，所述方法分为预放电阶段、脉冲激活充电阶段和恒流恒压充电阶段，具体包括以下步骤：
（1）在预放电阶段，对处于低温下的电池进行检测，若电池的电压高于预放电电压门槛值时，则在常温下利用充放电设备对电池放电至预放电门槛电压；若电池的电压低于预放电电压门槛值，则在常温下利用充放电设备对所述电池进行充电，直至将电池的电压等于预放电电压门槛值，所述的预放电电压门槛值为3.2V；
（2）在脉冲激活充电阶段，利用充放电设备对电池先以充电倍率充电至充电门槛值，再以放电倍率放电至放电门槛值，调整充电倍率继续充电至充电门槛值，调整放电倍率继续放电至放电门槛值，重复操作，直至充电倍率提升至1.2C；
（3）在恒流恒压充电阶段，对脉冲激活过后的电池以固定的充电倍率充电至充电电压门槛值，在保持充电电压不变，继续充电，直至充电电流低于设定截止电流门槛值，停止充电；
步骤（2）中，所述的脉冲激活充电阶段中，所述的充电倍率是0.5C-1.2C；所述的放电倍率是1C-2C；
步骤（2）中，所述的脉冲激活充电阶段中，所述的调整充电倍率继续充电至充电门槛值是提高充电倍率0.1-0.5C后继续充电至充电门槛值，或者是充电倍率不变继续充电至充电门槛值；
步骤（2）中，所述的脉冲激活充电阶段中，所述的调整放电倍率继续放电至放电门槛值是提高放电倍率0.1-0.5C后继续放电至放电门槛值，或者是放电倍率不变继续放电至放电门槛值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（2）中，所述的脉冲激活充电阶段中，所述的充电门槛值为4.2V，所述的放电门槛值为2.5V。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（2）中，所述的脉冲激活充电阶段中，充放电循环次数为3-10次。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，充放电循环次数为6-8次。
5.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述的脉冲激活充电阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.8C，对电池以0.8C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至0.9C，对电池以0.9C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1.0C，对电池以1.0C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
6.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述的脉冲激活充电阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；重复以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V步骤4次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
7.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述的脉冲激活充电阶段中，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1C放电倍率放电至2.5V；提高放电倍率至1.5C，对电池以0.5C充电倍率充电至4.2V，以1.5C放电倍率放电至2.5V；提高充电倍率至1C，提高放电倍率至2C，对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V；重复对电池以1C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V步骤2次，再提高充电倍率至1.2C，对电池以1.2C充电倍率充电至4.2V，以2C放电倍率放电至2.5V。
8.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，步骤（3）中，所述的恒流恒压充电阶段，所述的充电电压门槛值为4.2V，截止电流门槛值为0.28A，所述的固定的充电倍率为1C。
9.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，步骤（3）中，利用充放电设备对脉冲激活阶段后的电池采用1C倍率充电，直至电压到达4.2V，随后利用充放电设备对电池采用恒压4.2V充电，直至电流降至0.28A停止充电。
10.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，所述的电池的充电保护上限值为4.3V，所述的电池的放电保护下限值为2.4V。
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