CN111082173A - 一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法。针对目前锂电池快速充电效率低，充电中易产生安全事故的问题，本发明基于电化学模型的商业软件，判断出不同温度、不同充电电流、不同荷电状态、不同健康状态下电池的负极电位，通过三电极电池所实测负极电位与电化学模型所仿真出的负极电位进行比较对模型进行标定，标定好的模型进行参数化扫描即可得不产生析锂现象的最大电流谱图，最后使用合理的充电策略通过对最大电流谱图进行插值查表的方式即可对电池进行充电；同时，本发明考虑电池全生命周期，即健康状态从0～1下的充电策略，更有利于该策略的实际应用，能够更大程度上发挥电池的潜力。

Description

一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法。

背景技术

由于动力电池技术的不断进步，电动汽车的发展也越来越迅速。随着一些新型材料及工艺的使用，电池能量密度也在不断的攀升，预计2020年，使用高镍三元正极和硅系列负极的动力电池能量密度将达到300Wh/kg。然而，能量密度提升的同时，对电池的安全提出了巨大的挑战，特别是电池的充电安全，近年来事故频发，这不但影响新能源汽车的快速发展，同时还对社会造成了巨大的经济损失。引起充电安全的因素有很多，包括不正规的操作、BMS失效等等，但这些因素归根结底都是由于电池单体过充或析锂所导致的。电池的过充将引起正极材料的晶格塌陷，进一步引起电池产气及电解液和隔膜等的分解。电池的析锂是造成电池容量的衰减的主要原因，同时析锂导致负极表面的锂枝晶持续生长，刺破隔膜，造成内部短路，沉积在负极表面的金属锂以及电池内部的“死锂”与电解液反应，释放大量热量使电池的温度升高，当温度持续升高，电解液分解产生的气体使电池内部压力不断上升，最终引起电池放气和金属锂融化，空气中的水和氧气与金属锂发生剧烈的反应，导致燃烧甚至爆炸。

此外，目前大部分纯电动汽车的外接快速充电时间都停留在30～45分钟，受传统内燃机补充燃料3～5分钟高效率的影响，人们对电动汽车电池的充电时间要求也越来越高。实际上电池充电的制约因素较多，比如较大的充电电流会对电池产生较大的极化，较宽的充放电深度会对电池寿命产生巨大的影响，较低的温度下充电会造成电池析锂，较高的温度下快速充电会导致电池温度过热等等。迫切于人们对快速充电的需要，近些年来也陆续出现了一些快速充电的方法，包括(1)恒流充电法，是用恒定不变的电流对电池充电，这种方法布局简便，方便操作，容易控制，但充电效率较低；(2)恒压充电法，是用恒定不变的电压对电池充电，这种方法同样操作简便，但充电电压值不易选取，过高电压会使充电初期电流大而损伤电池，影响电池寿命；(3)阶段式充电法，该方法是基于恒流充电法和恒压充电法的基础上改进合并的，故此对于充电所要求的快速性无法得到很好地满足；(4)脉冲充电方法，是在充电时采取一组脉冲形式的电流对电池进行充电，通过调节充电电流脉冲的幅值以及脉冲时长来控制整个充电过程，在脉冲充电中，电流脉冲幅值一般选取较大值，这样保证了在充电时可以使较多的电量被电池接受，而在脉冲的空闲时间段内，电池处于短时间的停充状态，此时可以消除极化现象，从而提高电池的充电效率。

检索发现，与本发明相似中国专利201610650109.9和201610987473.4虽同样采用基于预防析锂的电化学模型原理进行充电方法制定，但这两个专利整体流程繁琐复杂，且与本发明步骤完全不同。上述专利实际应用时多为模型在线预测，难度较大且精度较差，本专利则采用离线仿真确认电池充电边界相关参数，更利于实际应用。此外，这两个专利也并未考虑电池全生命周期下的充电策略，实际应用考虑欠缺。

可见，一个有效的充电方法不但需要解决充电时间和电池寿命问题，同时更应该解决安全问题，因此本发明将基于电池安全考虑，提出了一种基于电化学模型的可预防析锂的快速充电方法。

发明内容

本发明针对目前锂电池快速充电效率低，充电中易产生安全事故的问题，本发明提供了一种可以预防析锂现象产生的快速充电方法。所述方法使用基于电化学模型的商业软件，能够判断出不同温度、不同充电电流、不同荷电状态、不同健康状态下电池的负极电位，通过三电极电池所实测负极电位与电化学模型所仿真出的负极电位进行比较对模型进行标定，标定好的模型进行参数化扫描即可得不产生析锂现象的最大电流谱图，最后使用合理的充电策略通过对最大电流谱图进行插值查表的方式即可对电池进行充电。同时，本发明考虑电池全生命周期，即健康状态从0～1下的充电策略，更有利于该策略的实际应用，能够更大程度上发挥电池的潜力。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制作与待测电池具有相同材料和工艺参数的三电极电池；

(2)对所述三电极电池进行测试分析，分别测试其在不同温度T、不同充电电流I、不同荷电状态SOC和不同健康状态SOH下对应的负极电位V^-；

(3)将所述待测电池的材料和工艺参数输入基于电化学模型的商业软件，得到电化学模型，通过三电极测试结果对所述电化学模型进行标定，并采用电化学模型的商业软件进行参数化扫描，得到电池最大充电电流谱图；

(4)使用充电策略通过对所得最大电流谱图进行插值查表的方式对电池进行充电；

所述充电策略步骤为：通过BMS判断当前电池荷电状态SOC、温度T、健康状态SOH，查表得到电池最大充电电流Imax，对电池进行充电，判断实时充电过程中电池的SOC状态是否达到最大电流谱中的SOC分段设定值，如未达到，继续按当前电流充电，直至达到分段设定值后，查表得到下一阶段最大充电电流，直至SOC达到100％后停止充电。

由于任何形式的锂电池都可以通过改制制作成三电极电池，且所有参数均可通过拆解分析所得，因此具有很强的通用性。本发明利用商业软件内精确的电化学模型对负极电位进行模拟，降低了传统方法简易电化学模型所带来的较大误差。通过软件的线性化扫描方式，代替了传统最大充电电流获得所必须使用的大量正交试验，节省了时间。通过精准的负极电位预测，实现了电池在充电过程中无析锂现象的发生，大大提高了电池的安全性，同时也能够延长电池的使用寿命。

本发明所述工艺参数包括正负极极片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、电解液配比、电芯长宽高及层数信息。

图1是本发明所述基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法流程图，由图中可以看出，本发明通过改制制作成三电极电池，利用商业软件内精确的电化学模型对负极电位进行模拟，得到电池快速充电策略，通过图2中所述充电策略流程图进行负极电位预测，实现了电池在充电过程中无析锂现象的发生。

优选地，步骤(1)所述三电极电池的参比电极包括金属锂片、镀锂铜丝或铜丝。

优选地，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的温度范围为-20～55℃，例如-18℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、40℃或50℃等。

优选地，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态范围为0～100％，例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％等。

优选地，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态测试间隔不大于15％，例如1％、2％、5％、6％、8％、10％、12％、13％或14％等。

本发明对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态测试间隔不大于15％，得到的测试结果更加准确。

优选地，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态测试间隔为3％～10％，例如4％、5％、6％、7％、8％或9％等。

优选地，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的健康状态范围为0～1，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等。

优选地，步骤(3)通过三电极测试结果对所述电化学模型进行标定为：步骤(2)所述三电极测试结果应至少包含不同温度下，不同SOC范围内电池端电压与负极电位数据，且这些数据与基于电化学模型的商业软件所仿真出的数据间误差数据不大于5％，例如1％、2％、3％或4％等。

优选地，步骤(3)所述电池最大充电电流谱图为不同温度、不同荷电状态、不同健康状态与发生析锂时最大充电电流Imax间的关系。

优选地，所述发生析锂时最大充电电流Imax通过负极电位进行判断，当负极电位大于xV时认为发生析锂，所0≤x≤0.1，例如0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08或0.09等。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用商业软件内精确的电化学模型对负极电位进行模拟，降低了传统方法简易电化学模型所带来的较大误差。通过软件的线性化扫描方式，代替了传统最大充电电流获得所必须使用的大量正交试验，节省了时间。通过精准的负极电位预测，实现了电池在充电过程中无析锂现象的发生，大大提高了电池的安全性，同时也能够延长电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法流程图；

图2是本发明所述充电策略流程图；

图3是本发明实施例1中所述电池端电压与正负极电位的仿真与试验结果对比图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

采用金属锂片作为参比电极制作与待测电池具有相同材料和工艺参数的三电极电池，待测电池健康状态为1，即电池为新鲜电池；采用拆解的方式对待测电池进行材料和工艺参数的分析，为正负极极片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、电解液配比、电芯长宽高及层数信息，并对三电极电池进行测试分析，测试温度范围-20～30℃、充电电流倍率0.3～3C、不同荷电状态范围(间隔10％)内三电极电池的负极电位；将上述所得材料和工艺参数输入基于电化学模型的商业软件A，并通过三电极测试所得-20～30℃温度下，间隔10％SOC范围内电池端电压与负极电位数据对电化学模型进行标定，标定误差3％；通过A软件对模型进行参数化扫描，得到电池-20～45℃温度下、间隔5％SOC范围与当负极电位等于0V时的最大充电电流Imax间的关系；

得到上述关系后，按照如下步骤对电池进行充电：通过BMS判断当前电池荷电状态SOC、温度T、健康状态SOH，查表得到电池最大充电电流Imax，对电池进行充电，判断适时充电过程中电池的SOC状态是否达到最大电流谱中的SOC分段设定值，如未达到，继续按当前电流充电，直至达到分段设定值后，查表得到下一阶段最大充电电流，直至SOC达到100％后停止充电。

图3是本实施例中所述电池端电压与正负极电位的仿真与试验结果对比图，由图可知，本实施例实现了精准的负极电位预测。

实施例2

采用镀锂铜丝作为参比电极制作与待测电池具有相同材料和工艺参数的三电极电池，待测电池健康状态为0，即电池已达到寿命终止状态；采用拆解的方式对待测电池进行材料和工艺参数的分析，为正负极极片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、电解液配比、电芯长宽高及层数信息，并对三电极电池进行测试分析，测试温度范围-20～45℃、充电电流倍率0.1～2C、不同荷电状态范围(间隔5％)内三电极电池的负极电位；将上述所得材料和工艺参数输入基于电化学模型的商业软件C，并通过三电极测试所得-20～45℃温度下，间隔5％SOC范围内电池端电压与负极电位数据对电化学模型进行标定，标定误差5％；通过C软件对模型进行参数化扫描，得到电池-10～55℃温度下、间隔10％SOC范围与当负极电位等于0.05V时的最大充电电流Imax间的关系；

得到上述关系后，按照如下步骤对电池进行充电：通过BMS判断当前电池荷电状态SOC、温度T、健康状态SOH，查表得到电池最大充电电流Imax，对电池进行充电，判断适时充电过程中电池的SOC状态是否达到最大电流谱中的SOC分段设定值，如未达到，继续按当前电流充电，直至达到分段设定值后，查表得到下一阶段最大充电电流，直至SOC达到100％后停止充电。

实施例3

采用铜丝作为参比电极制作与待测电池具有相同材料和工艺参数的三电极电池，待测电池健康状态为0.5，即电池剩余寿命剩余50％；采用拆解的方式对待测电池进行材料和工艺参数的分析，为正负极极片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、电解液配比、电芯长宽高及层数信息，并对三电极电池进行测试分析，测试温度范围0～55℃、充电电流倍率1～4C、不同荷电状态范围(间隔15％)内三电极电池的负极电位；将上述所得材料和工艺参数输入基于电化学模型的商业软件C，并通过三电极测试所得0～55℃温度下，间隔15％SOC范围内电池端电压与负极电位数据对电化学模型进行标定，标定误差1％；通过C软件对模型进行参数化扫描，得到电池-10～40℃温度下、间隔3％SOC范围与当负极电位等于0.1V时的最大充电电流Imax间的关系；

得到上述关系后，按照如下步骤对电池进行充电：通过BMS判断当前电池荷电状态SOC、温度T、健康状态SOH，查表得到电池最大充电电流Imax，对电池进行充电，判断适时充电过程中电池的SOC状态是否达到最大电流谱中的SOC分段设定值，如未达到，继续按当前电流充电，直至达到分段设定值后，查表得到下一阶段最大充电电流，直至SOC达到100％后停止充电。

本发明实施例2和3中电池端电压与正负极电位的仿真与试验结果同样实现了精准的负极电位预测。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于预防析锂的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)制作与待测电池具有相同材料和工艺参数的三电极电池；

(2)对所述三电极电池进行测试分析，分别测试其在不同温度T、不同充电电流I、不同荷电状态SOC和不同健康状态SOH下对应的负极电位V^-；

(3)将所述待测电池的材料和工艺参数输入基于电化学模型的商业软件，得到电化学模型，通过三电极测试结果对所述电化学模型进行标定，并采用电化学模型的商业软件进行参数化扫描，得到电池最大充电电流谱图；

(4)使用充电策略通过对所得最大电流谱图进行插值查表的方式对电池进行充电；

所述充电策略步骤为：通过BMS判断当前电池荷电状态SOC、温度T、健康状态SOH，查表得到电池最大充电电流Imax，对电池进行充电，判断实时充电过程中电池的SOC状态是否达到最大电流谱中的SOC分段设定值，如未达到，继续按当前电流充电，直至达到分段设定值后，查表得到下一阶段最大充电电流，直至SOC达到100％后停止充电。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述三电极电池的参比电极包括金属锂片、镀锂铜丝或铜丝。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的温度范围为-20～55℃。

4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态范围为0～100％。

5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态测试间隔不大于15％。

6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的荷电状态测试间隔为3％～10％。

7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)对所述三电极电池进行测试分析的健康状态范围为0～1。

8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，步骤(3)通过三电极测试结果对所述电化学模型进行标定为：步骤(2)所述三电极测试结果应至少包含不同温度下，不同SOC范围内电池端电压与负极电位数据，且这些数据与基于电化学模型的商业软件所仿真出的数据间误差什么数据不大于5％。

9.如权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述电池最大充电电流谱图为不同温度、不同荷电状态、不同健康状态与发生析锂时最大充电电流Imax间的关系。

10.如权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述发生析锂时最大充电电流Imax通过负极电位进行判断，当负极电位大于xV时认为发生析锂，所0≤x≤0.1。

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