CN111710929A - 锂电池充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域,公开了一种锂电池充电方法,该锂电池充电方法包括：降阶恒流恒压充电策略，降阶恒流恒压充电策略包括多个充电阶段，每个充电阶段中电流均恒流；相邻的两个充电阶段中，前个充电阶段中的恒流大于下个充电阶段中的恒流；前个充电阶段的结束节点与下个充电阶段的起始节点间电压保持不变，电流递减；每个充电阶段中，结束节点的电压高于起始节点的电压。相邻两个充电阶段中，前一个充电阶段结束节点与下一个充电阶段起始节点间具有过渡阶段，过渡阶段能够令电池继续充电，以令电池更快充满，从而提高锂电池的充电速度。
Description
技术领域
本发明涉及电池的技术领域，尤其是涉及一种锂电池充电方法。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，电池在人们的生活中应用的越来越多，而锂电池就是其中的一种。
用户往往追求较短的充电时间，而常规的锂电池在充电时间上往往不能够满足用户需求。在锂电池的充电过程中，随着SOC(State of charge荷电状态)的增加，可接受充电倍率呈类指数降低，若采用较大恒定倍率电流充电，则在高SOC阶段锂电池存在析锂风险；若采用较小的恒定倍率电流充电，则会增加充电时间。
现有技术中的快充方法，大多利用降阶恒流充电策略进行充电，即在相邻两个充电阶段之间，充电倍率直接跳转。但是这种方式的充电速度往往还是不能够满足用户需求，因此，如何制定出一种充电速度大于现有技术中快充方法的锂电池快速充电的方法成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种锂电池充电方法，上述锂电池充电方法能够提高锂电池的充电速度，以更好地满足用户需求。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种锂电池充电方法，包括：降阶恒流恒压充电策略，所述降阶恒流恒压充电策略包括多个充电阶段，每一个充电阶段中的充电电流均为恒流；每相邻的两个充电阶段中，前一个充电阶段中的恒流大于下一个充电阶段中的恒流；在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，充电电压保持不变，充电电流递减；每一个充电阶段中，结束节点的电压高于起始节点的电压。
本发明提供的锂电池充电方法，每相邻的两个充电阶段中，在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，充电电压保持不变，充电电流递减，由于充电电流逐渐递减，则在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，还具有一个过渡阶段，该过渡阶段也能够令电池继续充电，以令电池更快地被充满，因此，本发明提供的锂电池充电方法能够提高锂电池的充电速度，以更好地满足用户需求。
附图说明
图1为现有技术中快充充电方法中充电过程曲线图；
图2为本发明实施例提供的锂电池充电方法中充电过程曲线图；
图3为现有技术的快充充电方法与本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电倍率变化对比图；
图4为现有技术的快充充电方法与本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电速度对比图；
图5为本发明实施例提供的锂电池充电方法流程图；
图6为本实施例提供的析锂曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供的锂电池充电方法，包括：降阶恒流恒压充电策略，所述降阶恒流恒压充电策略包括多个充电阶段，每一个充电阶段中的充电电流均为恒流；每相邻的两个充电阶段中，前一个充电阶段中的恒流大于下一个充电阶段中的恒流；在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，充电电压保持不变，充电电流递减；每一个充电阶段中，结束节点的电压高于起始节点的电压。
图1为现有技术中快充充电方法中充电过程曲线图，图1中虚线曲线为析锂曲线，横坐标为充电时间，纵坐标为充电电流，请参考图1，现有技术中一般的快充方法，在相邻两个充电阶段之间，充电倍率直接跳转，也就是说，两个充电阶段之间没有任何过渡。
而本实施例提供的锂电池充电方法，在每相邻的两个充电阶段中，在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，充电电压保持不变，充电电流递减，图2为本发明实施例提供的锂电池充电方法中充电过程曲线图，请参考图2，图2中虚线曲线为析锂曲线，横坐标为充电时间，纵坐标为充电电流。由于充电电流逐渐递减，则在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，还具有一个过渡阶段，如图2中阴影部分所示。
图3为现有技术的快充充电方法与本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电倍率变化对比图，图3中横坐标为充电时间，纵坐标为充电倍率，虚线为现有技术的快充充电方法在多个充电阶段的充电倍率，实线为本发明实施例提供的锂电池充电方法在多个充电阶段的充电倍率，参考图3，可直观对比出两种充电方法的充电倍率改变的不同。
请参考图1和图2，可知图1中所有深色填充部分的面积之和为电池的总充电量；而图2中的电池的总充电量除了所有深色填充部分的面积之外，还多了过渡阶段的阴影部分的面积；若选取相同数值的横坐标对比图1和图2，会发现，图2中深色填充部分加上阴影部分的面积大于图1中深色填充部分的面积；也就是说，在充电时间相同的情况下，本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电量更多。
图4为现有技术的快充充电方法与本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电速度对比图；图4中纵坐标为充电时间，横坐标为电池总充电量，即荷电状态SOC，虚线曲线为现有技术的快充充电方法的SOC随充电时间变化的曲线图，实线曲线为本发明实施例提供的锂电池充电方法的SOC随充电时间变化的曲线图；参考图4，可直观对比出两种充电方法的充电速度。判断方式为：在两个曲线横坐标相同时，纵坐标越小说明充电速度越快；或者，在两个曲线纵坐标相同时，横坐标越大说明充电速度越快，可根据实际情况判断。参考图4，可明显看出在充电至60％SOC之前，两种充电方法的充电速度相差无几，而充电至60％SOC之后二者的充电速度开始有了差异，若想判断当充电至80％SOC时两种方法哪种充电更快时，可将横坐标锁定在80％处，然后对比两条曲线的纵坐标，可明显看出实线曲线的纵坐标小于虚线曲线的纵坐标，即本发明实施例提供的锂电池充电方法的充电速度更快。
因此，本发明实施例提供的锂电池充电方法能够在现有的快充充电技术上进一步提高锂电池的充电速度，以更好地满足用户需求。
图5为本发明实施例提供的锂电池充电方法流程图，参考图5，为描述地更加清楚，本发明实施例提供的锂电池充电方法的具体过程通过下列步骤来详细说明：
第一充电阶段(步骤1)：电池按照恒流I1进行充电，充电到电压为C1，按照电压C1进行恒压充电到电流下降到I2；
第二充电阶段(步骤2)：按照I2恒流充电，充电到电压C2，按照电压C1进行恒压充电到电流下降到I3；
……
最后一个充电阶段(步骤n-1)：按照In-1恒流充电，充电到电压Cn-1，按照电压Cn-1进行恒压充电到电流下降到In。
其中，其中I1＞I2＞……＞In,；C1＜C2＜……＜Cn-1；由步骤1到步骤n-1依次进行，直到In达到阈值。
作为一种可选的实施例，降阶恒流恒压充电策略包括如下步骤制定：在三电极电池的充电接受区内制定多种降阶恒流恒压充电策略，每一种降阶恒流恒压充电策略中电流的降阶策略不同于其他降阶恒流恒压充电策略；测定多种降阶恒流恒压充电策略对应的极化曲线，以选取最优充电策略。
多种降阶恒流恒压充电策略之间的区别在于：相邻两个充电阶段的恒流差值不同，例如：
在第一种策略中，I1＝10C，I2＝8.7C，I3＝6.8C……In＝0.55C；
在第二种策略中，I1＝10C，I2＝8.5C，I3＝6.9C……In＝0.46C；
也就是说，多种降阶恒流恒压充电策略的“降阶”方式不同，即，多种降阶恒流恒压充电策略中相同的两个相邻充电阶段的恒流的差值不一定是相同的，比如上述的第一种策略的I1＝10C，I2＝8.7C，二者差值1.3C；而上述的第二种策略中的I1＝10C，I2＝8.5C，二者差值1.5C。另外，在同一降阶恒流恒压充电策略中，相邻两个充电阶段间的电流差无需相同，也无需形成等差数列，根据析锂曲线合理设定相邻两个充电阶段间的电流差即可，一般多为随着充电时间的增加，充电电流的减小幅度慢慢变小。
作为一种可选的实施例，选取最优充电策略具体包括：选用第一充电电流对所述三电极电池充电第一时间；搁置第二时间；记录下搁置节点的欧姆电压；计算出搁置节点的欧姆电阻；如此反复直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％；得到欧姆电阻随荷电状态变化的曲线。
欧姆电阻的计算公式为：
R欧姆＝U欧姆/Ia； (1)
在公式(1)中：U欧姆为第一充电电流下的欧姆电压；
Ia为第一充电电流；
R欧姆为欧姆电阻。
选取最优充电策略还包括以下步骤：
选用第二充电电流对所述三电极电池充电，直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％，得到开路电压随荷电状态变化的曲线；
按降阶恒流恒压充电策略进行充电，直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％，得到端电压随荷电状态变化的曲线、电流随荷电状态变化的曲线
根据相同荷电状态下的端电压、开路电压、电流和欧姆电阻，计算该荷电状态的极化电压，得到极化电压随荷电状态变化的曲线即为极化曲线；
极化最小的降阶恒流恒压充电策略为最优充电策略。
极化电压的计算公式为：
U极化＝U端-UOCV-Ib*R欧姆； (2)
在公式(2)中：U极化为极化电压；
U端为端电压；
UOCV为开路电压；
Ib为降阶恒流恒压充电电流。
本实施例中，只需记录每次搁置节点的欧姆电压即可通过公式计算(1)出每个节点的欧姆电阻，计算十分简单。得到欧姆电阻的数值后，将记录的端电压、开路电压以及降阶恒流恒压充电电流一并带入公式(2)以计算出每个节点的极化电压，将多个节点的极化电压值在极化电压值-SOC坐标系(即横坐标为荷电状态，纵坐标为极化电压值；或者纵坐标为荷电状态，横坐标为极化电压值)中互相连接即可形成出极化曲线。每种充电策略都如此进行极化电压曲线的绘制，对比所有极化曲线，选取极化最小的策略作为最优充电策略，以进一步提高电池性能、加快充电速度。
作为一种可选的实施例，所述第一充电电流范围为0.1-0.5C，所述第一时间范围为10-120s，所述第二时间范围3-10min，所述第二充电电流范围为0.01-0.1C。
作为一种可选的实施例，充电接受区的获得步骤包括：
将三电极电池定容，以确定电池容量；
将空电状态的三电极电池安装在测试柜上，并使用电位记录装置监控充电过程中三电极电池的负极和参比电极之间的电位变化；
选用第一充电倍率对三电极电池进行充电，当负极与参比电极的电位差降低至0mV时，切换至第二充电倍率充电，第二充电倍率小于第一充电倍率，当负极与参比电极的电位差再次降低至0mV时，继续减小充电倍率充电，如此反复直到充电截止时，记录三电极电池的电位及充电时间；
将测试电流和充电时间拟合，以得三电极电池的最优充电曲线，即为所述析锂曲线，根据所述析锂曲线以下区域为充电接受区。
图6为本实施例提供的析锂曲线图，图6中虚线为析锂曲线，横坐标为充电时间，纵坐标为充电电流，在图6坐标系中，以析锂曲线为分界线，靠近原点的部分为充电接受区，远离原点的一侧为充电不接受区。
其中，电位记录装置可以为多通道记录仪，在此不做具体限定。
作为一种可选的实施例，三电极电池的获取步骤包括：选取制备好的电池极片以及表面氧化层处理后的铜丝；在叠片过程中将使用隔膜包裹好的铜丝叠放在软包电芯中心位置处；将组装好的电芯依次进行化成、定容、焊极耳、镀锂的工艺处理以制备成三电极电池。
本实施例中，为保证三电极电池的性能，应保证负极和参比电极的电位差为0-0.03V的范围。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种锂电池充电方法，其特征在于，包括：
降阶恒流恒压充电策略，所述降阶恒流恒压充电策略包括多个充电阶段，每一个充电阶段中的充电电流均为恒流；
每相邻的两个充电阶段中，前一个充电阶段中的恒流大于下一个充电阶段中的恒流；在前一个充电阶段的结束节点与其下一个充电阶段的起始节点之间，充电电压保持不变，充电电流递减；
每一个充电阶段中，结束节点的电压高于起始节点的电压。
2.根据权利要求1所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述降阶恒流恒压充电策略包括如下步骤制定：
在三电极电池的充电接受区内制定多种降阶恒流恒压充电策略，每一种降阶恒流恒压充电策略中电流的降阶策略不同于其他降阶恒流恒压充电策略；
测定多种降阶恒流恒压充电策略对应的极化曲线，以选取最优充电策略。
3.根据权利要求2所述的锂电池充电方法，其特征在于，选取所述最优充电策略具体包括：
选用第一充电电流对所述三电极电池充电第一时间；
搁置第二时间；
记录下搁置节点的欧姆电压；
计算出搁置节点的欧姆电阻；
如此反复直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％；
得到欧姆电阻随荷电状态变化的曲线。
4.根据权利要求3所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述欧姆电阻的计算公式为：
R欧姆＝U欧姆/Ia；
其中，
Ia为第一充电电流；
U欧姆为第一充电电流下的欧姆电压；
R欧姆为欧姆电阻。
5.根据权利要求4所述的锂电池充电方法，其特征在于，选取所述最优充电策略具体包括：
选用第二充电电流对所述三电极电池充电，直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％，得到开路电压随荷电状态变化的曲线。
6.根据权利要求5所述的锂电池充电方法，其特征在于，选取所述最优充电策略具体包括：
按所述降阶恒流恒压充电策略进行充电，直到三电极电池的荷电状态由0％升至100％，得到端电压随荷电状态变化的曲线、电流随荷电状态变化的曲线；
根据相同荷电状态下的端电压、开路电压、电流和欧姆电阻，计算该荷电状态的极化电压，得到极化电压随荷电状态变化的曲线即为极化曲线；
极化最小的降阶恒流恒压充电策略为所述最优充电策略。
7.根据权利要求6所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述极化电压的计算公式为：
U极化＝U端-UOCV-Ib*R欧姆；
其中，U极化为极化电压；
U端为端电压；
UOCV为开路电压；
Ib为降阶恒流恒压充电电流。
8.根据权利要求7所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述第一充电电流范围为0.1-0.5C，所述第一时间范围为10-120s，所述第二时间范围为3-10min，所述第二充电电流范围为0.01-0.1C。
9.根据权利要求2所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述充电接受区的获得步骤包括：
将三电极电池定容，以确定电池容量；
将空电状态的三电极电池安装在测试柜上，并使用电位记录装置监控充电过程中三电极电池的负极和参比电极之间的电位变化；
选用第一充电倍率对三电极电池进行充电，当负极与参比电极的电位差降低至0mV时，切换至第二充电倍率充电，第二充电倍率小于第一充电倍率，当负极与参比电极的电位差再次降低至0mV时，继续减小充电倍率充电，如此反复直到充电截止时，记录三电极电池的电位及充电时间；
将测试电流和充电时间拟合，以得三电极电池的最优充电曲线，即为所述析锂曲线，根据所述析锂曲线以下区域为充电接受区。
10.根据权利要求2-8任一项所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述三电极电池的获取步骤包括：
选取制备好的电池极片以及表面氧化层处理后的铜丝；
在叠片过程中将使用隔膜包裹好的铜丝叠放在软包电芯中心位置处；
将组装好的电芯依次进行化成、定容、焊极耳、镀锂的工艺处理以制备成三电极电池。
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