CN111987377A - 电池的快充方法、电池管理系统以及电池的快充装置 - Google Patents

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CN111987377A CN202010762061.7A CN202010762061A CN111987377A CN 111987377 A CN111987377 A CN 111987377A CN 202010762061 A CN202010762061 A CN 202010762061A CN 111987377 A CN111987377 A CN 111987377A
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Abstract

本发明公开了一种电池的快充方法、电池管理系统以及电池的快充装置，电池的快充方法包括以下步骤：获取电池的充电电压曲线，对电池的正负极电势进行重构，以获得正负极平衡电势曲线；根据充电电压曲线获取电池充电时的瞬间压升及电池充电完成时的瞬间压降，并根据瞬间压升和瞬间压降，采用电池老化模型计算电池在任意使用状态下的正负极电阻；根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流；根据电池在任意使用状态下的最大安全充电电流对电池进行充电。这样设置能够防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。

Description

电池的快充方法、电池管理系统以及电池的快充装置
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其是涉及一种电池的快充方法、电池管理系统以及电池的快充装置。
背景技术
近年来，随着智能手机、笔记本电脑等便携电子设备的广泛普及以及新能源汽车、电动(自行)车等移动交通工具的迅猛发展，锂离子电池的各种性能受到越来越多的重视。其中，电池的快充性能逐渐成为各种用电设备的标准配置。
相关技术中，电池快充过程中，电池容易析锂。现有防止电池析锂的方案有两种：一种方案是通过引入参比电极的方法直接测量负极电位，该方法需要改造电池结构，以便参比电极的安放，这样会带来生产工艺的变更，增加电池的生产成本。
另一种方案是通过P2D(赝二维)电化学模型计算负极电位，具体地，根据负极过电势观测值大小及预先设定好的析锂电势警戒阈值对充电电流进行在线动态控制，对电流进行在线控制的过程，就是运用模型不断计算、刷新负极过电势观测值的过程。但是电化学模型计算量大、耗时长，使得该方案无法在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出了一种电池的快充方法，该电池的快充方法能够防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
本发明进一步地提出了一种计算机可读存储介质。
本发明进一步地提出了一种电池管理系统。
本发明进一步地提出了一种电池的快充装置。
根据本发明的电池的快充方法包括以下步骤：获取所述电池的充电电压曲线，并根据所述充电电压曲线，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，以获得所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线；根据所述充电电压曲线获取所述电池充电时的瞬间压升及所述电池充电完成时的瞬间压降，并根据所述瞬间压升和所述瞬间压降，采用电池老化模型计算所述电池在任意使用状态下的正负极电阻；根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流；根据所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流对所述电池进行充电。
根据本发明的电池的快充方法，能够防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
在本发明的一些实施例中，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，包括：获取所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并根据所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，以获取所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系；对所述充电电压曲线进行微分分析处理，以获得正负极电势的特征信号；根据所述正负极电势的特征信号以及所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系重构所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
在本发明的一些实施例中，所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系根据以下公式表达：
Figure RE-GDA0002730694580000021
其中，
Figure RE-GDA0002730694580000022
为所述全电池电动势曲线，
Figure RE-GDA0002730694580000023
为所述电池出厂时的正极电势平衡曲线，
Figure RE-GDA0002730694580000024
为所述电池出厂时的负极平衡电势曲线，x为全电池的SOC，y为所述电池的正极材料中锂离子的计量比，z为所述电池的负极材料中锂离子的计量比。
在本发明的一些实施例中，所述正负极平衡电势曲线的获取通过一系列不同倍率的恒流充放电曲线计算得到，计算正负极平衡电势的方法为数学插值外推法：在相同所述SoC下，将不同倍率充放电曲线的电压外推至电流为零，且将不同倍率充电(放电)曲线的容量外推至电流为零，分别获得垂直方向和水平方向的外推结果，并根据不同的权重取所述垂直方向的所述外推结果和所述水平方向的所述外推结果的交集，分别获得正负极平衡电势。
在本发明的一些实施例中，所述电池在任意使用状态下的正负极电阻根据以下公式计算得到：
Figure RE-GDA0002730694580000025
Figure RE-GDA0002730694580000031
其中，
Figure RE-GDA0002730694580000032
和
Figure RE-GDA0002730694580000033
为所述电池在任意使用状态下的正负极电阻，fδ(t)为所述电池老化变化规律函数，
Figure RE-GDA0002730694580000034
为所述瞬间压升，
Figure RE-GDA0002730694580000035
为所述瞬间压降，I为所述电池的充电电流，
Figure RE-GDA0002730694580000036
为所述电池出厂时的总电阻，Rb(T,x1)为所述电池充电时任一SOC状态下的电阻，Rb(T,x2)为所述电池充电完成时的电阻。
在本发明的一些实施例中，根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流，包括：根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流；获取所述电池的充电截止电压，并根据所述充电截止电压、全电池电动势以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流；将所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流。
根据本发明的计算机可读存储介质，其上存储有电池的快充程序，该快充程序被处理器执行时实现上述的电池的快充方法。
根据本发明的计算机可读存储介质，存储的电池的快充程序被处理器执行时，在电池充电的过程中，可以防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
根据本发明的电池管理系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的电池的快充程序，所述处理器执行所述快充程序时，实现上述的电池的快充方法。
根据本发明的电池管理系统，在电池充电的过程中，可以防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
根据本发明的电池的快充装置包括：获取模块，用于获取所述电池的充电电压曲线；电极电势重构模块，用于根据所述充电电压曲线，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，以获得所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线；电池老化模型计算模块，用于根据所述充电电压曲线获取所述电池充电时的瞬间压升及所述电池充电完成时的瞬间压降，并根据所述瞬间压升和所述瞬间压降，采用电池老化模型计算所述电池在任意使用状态下的正负极电阻；充电控制模块，用于根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流，并根据所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流对所述电池进行充电。
根据本发明的电池的快充装置，通过获取模块、电极电势重构模块、电池老化模型计算模块和充电控制模块配合，在电池充电的过程中，可以防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
在本发明的一些实施例中，所述电极电势重构模块还用于，获取所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并根据所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，以获取所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系；对所述充电电压曲线进行微分分析处理，以获得正负极电势的特征信号；根据所述正负极电势的特征信号以及所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系重构所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
在本发明的一些实施例中，所述充电控制模块还用于，根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流；获取所述电池的充电截止电压，并根据所述充电截止电压、全电池电动势以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流；将所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的电池的快充方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的快充装置的方框图；
图3是根据本发明实施例的快充装置的电池管理系统的方框图；
图4是根据本发明实施例的快充方法的原理图；
图5是根据本发明实施例的由正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线的示意图；
图6是根据本发明实施例的电池出厂时和老化时的充电电压微分曲线示意图；
图7是根据本发明实施例的某一款电池最大充电电流与SoC的函数关系；
图8是根据本发明实施例的电池在图7所示的电流下充电时，充电容量与充电时间之间的函数关系。
附图标记：
快充装置10；
获取模块1；
电极电势重构模块2；
电池老化模型计算模块3；
充电控制模块4；
处理器1201；通信接口1202；存储器1203；通信总线1204。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的电池的快充方法。
如图1-图8所示，根据本发明实施例的快充方法包括以下步骤：
S301、获取电池的充电电压曲线，并根据充电电压曲线，采用电极电势重构算法对电池的正负极电势进行重构，从而可以获得电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
S302、根据充电电压曲线获取电池充电时的瞬间压升及电池充电完成时的瞬间压降，并根据瞬间压升和瞬间压降，采用电池老化模型计算电池在任意使用状态下的正负极电阻。
S303、根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流。
S304、根据电池在任意使用状态下的最大安全充电电流对电池进行充电。
其中，获得电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线后，通过电池老化模型计算电池在任意使用状态下的正负极电阻，然后计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流，然后根据电池在任意使用状态下的最大安全充电电流对电池进行充电，在电池充电的过程中，能够使电池快速充电完成，也能够防止电池析锂，与现有技术相比，本申请的快充方法不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
由此，本申请的快充方法不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
在本发明的一些实施例中，采用电极电势重构算法对电池的正负极电势进行重构包括：获取电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并根据电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，从而可以获取正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系。然后对充电电压曲线进行微分分析处理，以获得正负极电势的特征信号。电池老化后，然后根据正负极电势的特征信号以及正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系重构电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。如此设置能够获得电池在任意时刻的正负极平衡电势曲线。
在本发明的一些实施例中，如图5所示，正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系根据以下公式表达：
Figure RE-GDA0002730694580000061
其中，
Figure RE-GDA0002730694580000062
为全电池电动势曲线，
Figure RE-GDA0002730694580000063
为电池出厂时的正极电势平衡曲线，
Figure RE-GDA0002730694580000064
为电池出厂时的负极平衡电势曲线，x为全电池的SOC，y为电池的正极材料中锂离子的计量比，z为电池的负极材料中锂离子的计量比。
需要说明的是，x、y、z可以表示为：
Figure RE-GDA0002730694580000065
Figure RE-GDA0002730694580000066
其中，
Figure RE-GDA0002730694580000067
表示全电池最大(充/放电)容量，
Figure RE-GDA0002730694580000068
表示电池在任意时刻t时的实际充/放电容量，
Figure RE-GDA0002730694580000069
表示电池完成放电过程后正极剩余的锂离子的量，
Figure RE-GDA00027306945800000610
表示正极材料中锂离子的最大理论容量，
Figure RE-GDA00027306945800000611
表示完成充电过程后负极拥有的锂离子的量，
Figure RE-GDA00027306945800000612
为负极的容量。众所周知，锂离子电池在使用过程中会发生老化，造成电池容量下降。锂离子电池的容量损失
Figure RE-GDA0002730694580000071
可以表示为
Figure RE-GDA0002730694580000072
需要说明的是，通过对全电池小倍率充电电压曲线进行微分分析处理，获取负极电势的特征信号。如图6所示为全电池电压曲线的微分分析结果示意图，其中，位于下方的曲线为电池出厂时的充电电压微分曲线，位于上方的曲线为电池老化态时的微分曲线。微分曲线中的两个峰为石墨负极的特征信号，两个峰之间的距离
Figure RE-GDA0002730694580000073
分别对应于石墨负极在电池出厂时和老化态时的第二电压平台长度。石墨负极出厂时的容量记为
Figure RE-GDA0002730694580000074
则其老化后的容量
Figure RE-GDA0002730694580000075
为
Figure RE-GDA0002730694580000076
将公式
Figure RE-GDA0002730694580000077
带入公式
Figure RE-GDA0002730694580000078
可以计算得到电芯老化后的锂离子计量比z(t)：
Figure RE-GDA0002730694580000079
根据电池初始态时得到的电极平衡电势曲线
Figure RE-GDA00027306945800000710
与z之间的关系，以及电池老化后更新的z(t)值，重构任意老化时间t后的负极平衡电势曲线
Figure RE-GDA00027306945800000711
需要注意的是，根据公式
Figure RE-GDA00027306945800000712
z(t)是x的函数，因此
Figure RE-GDA00027306945800000713
可以转化成x的函数，即
Figure RE-GDA00027306945800000714
如果考虑特定温度下的负极平衡电势曲线，则其可以表示为
Figure RE-GDA00027306945800000715
在本发明的一些实施例中，正负极平衡电势曲线的获取通过一系列不同倍率的恒流充放电曲线计算得到，计算正负极平衡电势的方法为数学插值外推法：在相同SoC下，将不同倍率充放电曲线的电压外推至电流为零，并且将不同倍率充放电曲线的容量外推至电流为零，然后分别获得垂直方向和水平方向的外推结果，并根据不同的权重取垂直方向的外推结果和水平方向的外推结果的交集，从而可以分别获得正负极平衡电势。
在本发明的一些实施例中，电池在任意使用状态下的正负极电阻根据以下公式计算得到：
Figure RE-GDA00027306945800000716
Figure RE-GDA00027306945800000717
其中，
Figure RE-GDA00027306945800000718
和
Figure RE-GDA00027306945800000719
为电池在任意使用状态下的正负极电阻，fδ(t)为电池老化变化规律函数，
Figure RE-GDA00027306945800000720
为瞬间压升，
Figure RE-GDA00027306945800000721
为瞬间压降，I为电池的充电电流，
Figure RE-GDA00027306945800000722
为电池出厂时的总电阻，Rb(T,x1)为电池充电时任一SOC状态下的电阻，Rb(T,x2)为电池充电完成时的电阻。
需要说明的是，正、负极及(R+,R-)及全电池(Rb)的电阻是温度T、SOC(注：SoC表示为x)和时间t的函数，可以分别表示为：
Figure RE-GDA0002730694580000081
(注： R-(T,x,t)，R+(T,x,t)，Rb(T,x,t)可以是数学表达式，也可以是表格)。将负极电阻
Figure RE-GDA0002730694580000082
与总电阻
Figure RE-GDA0002730694580000083
的比值定义为δ，0≤δ≤1，通过公式
Figure RE-GDA0002730694580000084
计算得到负极电阻为
Figure RE-GDA0002730694580000085
正极电阻为
Figure RE-GDA0002730694580000086
Figure RE-GDA0002730694580000087
的求解：电池出厂时的总电阻可以通过实验测得，记为
Figure RE-GDA0002730694580000088
只是温度T和SoC 的函数，可以表示为
Figure RE-GDA0002730694580000089
当电池经历任意时间t的老化后，总电阻
Figure RE-GDA00027306945800000810
增大，增大的系数记为ε，即
Figure RE-GDA00027306945800000811
ε的求解：电池在任意SoC(设：x＝x1)状态下进行充电时，会得到一个瞬间压升
Figure RE-GDA00027306945800000812
根据该压升及充电电流I可以计算得到电池在该SoC状态下的电阻，即
Figure RE-GDA00027306945800000813
电池充电至任意SoC状态后(设：x＝x2)停止充电，会得到一个瞬间压降
Figure RE-GDA00027306945800000814
根据该压降及充电电流I可以计算得到电池在该SoC状态下的电阻，即
Figure RE-GDA00027306945800000815
从电池出厂时总电阻的表达式
Figure RE-GDA00027306945800000816
中找到x＝x1及x＝x2时对应的电阻值：
Figure RE-GDA00027306945800000817
Figure RE-GDA00027306945800000818
则ε可通过以下方法得到：
Figure RE-GDA00027306945800000819
δ的求解：电池老化后，正、负极电阻的变化规律是不一致的，因此δ不是一个常数，δ是一个与电池老化机理密切相关的参数。通过电化学机理模型/经验模型可以计算δ随老化的变化规律为δ＝fδ(t)，结合公式
Figure RE-GDA00027306945800000820
Figure RE-GDA00027306945800000821
δ＝fδ(t)可以得到负极电阻的最终表达式
Figure RE-GDA00027306945800000822
结合公式
Figure RE-GDA00027306945800000823
δ＝fδ(t)可以得到正极电阻的最终表达式
Figure RE-GDA00027306945800000824
在本发明的一些实施例中，根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流包括：根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的正负极最大安全充电电流。获取电池的充电截止电压，并根据充电截止电压、全电池电动势以及电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大允许充电电流。将电池在任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与电池在任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为电池在任意使用状态下的最大安全充电电流。
需要说明的是，以负极为例进行说明，计算负极最大安全充电电流
Figure RE-GDA0002730694580000091
电池充电时，由于极化的存在，负极电势V-(T,x,t)会偏离其负极平衡电势
Figure RE-GDA0002730694580000092
负极电势偏离负极平衡电势的偏离程度用负极过电势η-(T,x,t)表示：
Figure RE-GDA0002730694580000093
Figure RE-GDA0002730694580000094
负极过电势是充电电流和负极电阻的乘积，可以表示为η-(T,x,t)＝ IR-(T,x,t)，将公式
Figure RE-GDA0002730694580000095
带入公式η-(T,x,t)＝IR-(T,x,t)并转换形式后得到公式
Figure RE-GDA0002730694580000096
从公式
Figure RE-GDA0002730694580000097
中可以得出负极电位越低，充电电流越大，但负极电位应高于析锂电位，即：V-(T,x,t)≥0，因此负极的最大安全充电电流为
Figure RE-GDA0002730694580000098
考虑充电截止电压的影响：电池充电时，全电池的电压等于正负极电势的差值，即Vb＝V+-V-，而
Figure RE-GDA0002730694580000099
因此
Figure RE-GDA00027306945800000910
对于任意一款电池都有一个确定的充电截止电压，充电截止电压记为Vcut-off，电池的充电电压Vb不能超过电池的充电截止电压，因此，
Figure RE-GDA00027306945800000911
充电电流需满足
Figure RE-GDA00027306945800000912
因此，只考虑充电截止电压时，最大允许的充电电流为：
Figure RE-GDA00027306945800000913
Figure RE-GDA00027306945800000914
的计算：
Figure RE-GDA00027306945800000915
的计算有三种方法，第一种是通过施加极小充电电流(倍率不高于0.1C) 对电池进行充电获取。第二种是通过电化学机理模型/经验模型计算得到。第三种是通过小倍率充电曲线计算得到。第三种方法的计算思路如下：
Figure RE-GDA00027306945800000916
电池实际充电的电流既要满足负极不析锂，又要满足充电电压不能高于充电截止电压，因此实际充电电流是公式
Figure RE-GDA0002730694580000101
和
Figure RE-GDA0002730694580000102
计算得到的电流的最小值，即
Figure RE-GDA0002730694580000103
需要说明的是，本申请的快充方法对电池充电时，无需引入参比电极，不需要改造电池的结构。本申请所采用模型不涉及高阶偏微分方程，计算简单、快速，可以实现实时、在线计算电池的电极电势曲线，从而获得电池的最大安全充电电流。
下面详细了解本发明的具体实施例。
针对某款刚出厂的电池，采用本申请的快充方法计算电池的最大安全充电电流。如图7所示，是由本申请的快充方法计算得到的电池最大充电电流与SoC的函数关系。具体方案如下：
步骤1、根据出厂电池的正负极平衡电势曲线构建该电池的全电池电动势曲线，获取正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系。
步骤1.1、拆解出厂电池，制作分别以正负极为工作电极，以金属锂为对电极的半电池数枚。将制备的半电池分别在不同温度下进行测试，每一温度条件下测试若干枚半电池，以保证测试结果的可重复性。所有的半电池均进行1-2圈的小电流活化，然后按照以下测试流程对半电池进行表征：
测试流程A：分别选取0.05C,0.1C,0.2C,0.3C,0.5C,0.75C,1.0C,1.5C,2.0C对电池进行恒流充电，直至各自充电至充电截止电压。半电池在每一种电流条件下充电结束后，均静置若干分钟，然后进行放电过程。对应于不同的充电电流，放电电流均设为0.5C 恒流放电，直至各自放电至截止电压。每一次放电结束后，半电池也静置若干分钟。
测试流程B：所有半电池均采用0.2C恒流充电，充电至充电截止电压后，在各自的截止电压下进行恒压充电，直至电流降至0.02C。每一次充电结束后，半电池均静置若干分钟，然后进行放电过程：放电的倍率分别选取0.05C,0.1C,0.2C,0.3C,0.5C,0.75C, 1.0C,1.5C,2.0C进行恒流放电，直至放电至截止电压。每一次放电结束后，半电池也要静置若干分钟。
测试流程C：根据测试流程A和B得到的表征数据，分别计算每个电极在不同温度下的正负极平衡电势。计算正负极平衡电势的方法为数学插值外推法：即在相同SoC下，将不同倍率充放电曲线的电压外推至电流为零，以及将不同倍率充放电曲线的容量外推至电流为0，分别获得垂直方向的外推结果和水平方向的外推结果，并根据不同的权重取垂直方向的外推结果和水平方向的外推结果的交集，从而分别获得正负极平衡电势。
步骤1.2、对出厂前的全电池进行表征测试，测试步骤同步骤1.1，最终获得全电池充放电状态下的电动势曲线。
步骤1.3、分别对步骤1.1和步骤1.2得到的平衡电势曲线进行微分分析，通过对比分析，找出全电池电动势曲线中含有的正负极电势的特征，并根据这些特征计算在全电池中，正负极实际分别利用的电压区间，得到正负极平衡电势与全电池电动势的关系(如图5所示)。
步骤2、根据全电池小倍率充电电压曲线中的正负极电势的特征信号以及所述正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系重构电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
由于电池在使用过程中会发生老化，在全电池中正负极实际使用的电压区间会随着时间发生变化，即正负极平衡电势曲线会发生变化，重新构造正负极平衡电势曲线的步骤如下：
步骤2.1、对电池施加一个小电流进行充电，该电流一般小于1C。通过对该充电电压曲线进行微分分析，提取该充电电压曲线中包含的正负极电势的特征信号。
步骤2.2、根据步骤1中确立的全电池电动势曲线与正负极平衡电势曲线之间的关系，以及步骤2.1中获取的正负极电势的特征信号，重新计算正负极实际使用的电压区间，并根据该电压区间以及步骤1.1获取的正负极平衡电势曲线，重新构造当下正负极的平衡电势曲线。
步骤3、根据电池老化模型计算正负极的电阻。
步骤3.1、获取电池出厂前的正负极电阻的比值。通过步骤1.1中半电池的表征步骤得到不同倍率的充放电曲线以及平衡电势曲线，计算正负极在各种电流条件下的电阻，计算方法为：
Figure RE-GDA0002730694580000111
其中，V(SoC,I)为不同充放电倍率下得到的电压曲线，Ve(x)为相应的电极平衡电势曲线。通过上式的计算分别得到正负极的电阻与电流以及SoC的关系图R～(I,x)，根据上述方法得到的正负极电阻阻值计算负极电阻与总电阻的比值
Figure RE-GDA0002730694580000112
步骤3.2、建立描述δ变化的老化模型。老化模型基于负极SEI膜生长、正极结构退化、正极溶解、过渡金属锂离子在负极的沉积等一系列老化机理，通过电子隧穿理论、溶剂扩散理论、固相溶解动力学方程、离子扩散理论等，建立δ与老化时间、温度、电流、SoC区间等变量的函数关系δ～fδ(x,T,I,t…)。
步骤4.根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线以及由电池老化模型计算得到的正负极电阻，计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流。
通过步骤2得到的负极平衡电势曲线以及步骤3得到的负极电阻，计算电池最大安全充电电流。图7表示温度为25℃根据本技术方案计算得到的某款电池在出厂时最大充电电流与SoC的函数关系。当充电电流高于此电流边界时，负极电势会低于析锂电位从而导致负极析锂。
图8表示电池在图7所示的电流下充电时，充电容量与充电时间之间的函数关系。采用本申请的快充方法，电池可以在19分钟内完成充电90％，且电池不会发生析锂。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有电池的快充程序，该快充程序被处理器执行时实现上述实施例的电池的快充方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，快充程序被处理器执行时，在电池充电的过程中，可以防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
为了实现上述实施例，如图3所示，本发明还提出一种电池管理系统，包括存储器1203、处理器1201及存储在存储器1203上并可在处理器1201上运行的电池的快充程序，处理器1201执行快充程序时，实现上述实施例的电池的快充方法。
根据本发明的电池管理系统，在电池充电的过程中，可以防止电池析锂，不需要对电池的结构进行更改，避免带来电池生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
如图3所示，该电池管理系统可以包括至少一个处理器1201，至少一个通信接口1202，至少一个存储器1203和至少一个通信总线1204；在本发明的实施例中，处理器1201、通信接口1202、存储器1203、通信总线1204的数量为至少一个，且处理器1201、通信接口1202、存储器1203通过通信总线1204完成相互间的通信。
其中，存储器1203可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read －Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read－Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read－Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器1203用于存储程序，所述处理器1201在接收到执行指令后，执行所述程序，实现上述实施例描述的快充方法的步骤。
处理器1201可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表) 包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM 或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列 (PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
如图2所示，根据本发明实施例的电池的快充装置包括：获取模块1、电极电势重构模块2、电池老化模型计算模块3和充电控制模块4。获取模块1用于获取电池的充电电压曲线，从而实现电池的充电电压曲线的获取。电极电势重构模块2用于根据充电电压曲线，采用电极电势重构算法对电池的正负极电势进行重构，从而可以获得电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。电池老化模型计算模块3用于根据充电电压曲线获取电池充电时的瞬间压升及电池充电完成时的瞬间压降，并且电池老化模型计算模块3根据瞬间压升和瞬间压降，采用电池老化模型计算电池在任意使用状态下的正负极电阻。充电控制模块4用于根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大安全充电电流，并且充电控制模块4根据电池在任意使用状态下的最大安全充电电流对电池进行充电。
其中，通过获取模块1、电极电势重构模块2、电池老化模型计算模块3和充电控制模块4配合工作，在电池充电的过程中，能够保证以最大安全充电电流对电池进行充电，可以防止电池析锂，与现有技术相比，不需要对电池的结构进行更改，避免带来电池生产工艺的变更，防止增加电池的生产成本，并且，不需要复杂的计算，可以在实际应用中实时在线计算电池快充的电流。
在本发明的一些实施例中，电极电势重构模块2还可以用于，获取电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并且电极电势重构模块2根据电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，从而可以获取正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系。电极电势重构模块2还可以对充电电压曲线进行微分分析处理，从而可以获得正负极电势的特征信号。电极电势重构模块2根据正负极电势的特征信号以及正负极平衡电势曲线与全电池电动势曲线之间的关系重构电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线，这样设置能够实现重构电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线的工作效果。
在本发明的一些实施例中，充电控制模块4还可以用于，根据电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的正负极最大安全充电电流。
充电控制模块4还可以获取电池的充电截止电压，并根据充电截止电压、全电池电动势以及电池在任意使用状态下的正负极电阻计算电池在任意使用状态下的最大允许充电电流。
充电控制模块4还可以将电池在任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与电池在任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为电池在任意使用状态下的最大安全充电电流。如此设置能够保证最大安全充电电流不高于电池的最大允许充电电流，在电池充电过程中，可以更好地防止电池析锂。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种电池的快充方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述电池的充电电压曲线，并根据所述充电电压曲线，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，以获得所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线；
根据所述充电电压曲线获取所述电池充电时的瞬间压升及所述电池充电完成时的瞬间压降，并根据所述瞬间压升和所述瞬间压降，采用电池老化模型计算所述电池在任意使用状态下的正负极电阻；
根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流；
根据所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流对所述电池进行充电。
2.如权利要求1所述的电池的快充方法，其特征在于，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，包括：
获取所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并根据所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，以获取所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系；
对所述充电电压曲线进行微分分析处理，以获得正负极电势的特征信号；
根据所述正负极电势的特征信号以及所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系重构所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
3.如权利要求2所述的电池的快充方法，其特征在于，所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系根据以下公式表达：
Figure RE-FDA0002730694570000011
其中，
Figure RE-FDA0002730694570000012
为所述全电池电动势曲线，
Figure RE-FDA0002730694570000013
为所述电池出厂时的正极电势平衡曲线，
Figure RE-FDA0002730694570000014
为所述电池出厂时的负极平衡电势曲线，x为全电池的SOC，y为所述电池的正极材料中锂离子的计量比，z为所述电池的负极材料中锂离子的计量比。
4.如权利要求3所述的电池的快充方法，其特征在于，所述正负极平衡电势曲线的获取通过一系列不同倍率的恒流充电(放电)曲线计算得到，计算正负极平衡电势的方法为数学插值外推法：
在相同所述SoC下，将不同倍率充放电曲线的电压外推至电流为零，且将不同倍率充放电曲线的容量外推至电流为零，分别获得垂直方向和水平方向的外推结果，并根据不同的权重取所述垂直方向的所述外推结果和所述水平方向的所述外推结果的交集，分别获得正负极平衡电势。
5.如权利要求1-4中任一项所述的电池的快充方法，其特征在于，所述电池在任意使用状态下的正负极电阻根据以下公式计算得到：
Figure RE-FDA0002730694570000021
Figure RE-FDA0002730694570000022
其中，
Figure RE-FDA0002730694570000023
和
Figure RE-FDA0002730694570000024
为所述电池在任意使用状态下的正负极电阻，ft(t)为所述电池老化变化规律函数，
Figure RE-FDA0002730694570000025
为所述瞬间压升，
Figure RE-FDA0002730694570000026
为所述瞬间压降，I为所述电池的充电电流，
Figure RE-FDA0002730694570000027
为所述电池出厂时的总电阻，Rb(T,x1)为所述电池充电时任一SOC状态下的电阻，Rb(T,x2)为所述电池充电完成时的电阻。
6.如权利要求2所述的电池的快充方法，其特征在于，根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流，包括：
根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流；
获取所述电池的充电截止电压，并根据所述充电截止电压、全电池电动势以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流；
将所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为所所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有电池的快充程序，该快充程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的电池的快充方法。
8.一种电池管理系统，其特征在于，包括存储器(1203)、处理器(1201)及存储在存储器(1203)上并可在处理器(1201)上运行的电池的快充程序，所述处理器(1201)执行所述快充程序时，实现如权利要求1-6中任一项所述的电池的快充方法。
9.一种电池的快充装置(10)，其特征在于，包括：
获取模块(1)，用于获取所述电池的充电电压曲线；
电极电势重构模块(2)，用于根据所述充电电压曲线，采用电极电势重构算法对所述电池的正负极电势进行重构，以获得所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线；
电池老化模型计算模块(3)，用于根据所述充电电压曲线获取所述电池充电时的瞬间压升及所述电池充电完成时的瞬间压降，并根据所述瞬间压升和所述瞬间压降，采用电池老化模型计算所述电池在任意使用状态下的正负极电阻；
充电控制模块(4)，用于根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线和所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流，并根据所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流对所述电池进行充电。
10.如权利要求9所述的电池的快充装置(10)，其特征在于，所述电极电势重构模块(2)还用于，
获取所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线，并根据所述电池出厂时的正负极平衡电势曲线构建全电池电动势曲线，以获取所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系；
对所述充电电压曲线进行微分分析处理，以获得正负极电势的特征信号；
根据所述正负极电势的特征信号以及所述正负极平衡电势曲线与所述全电池电动势曲线之间的关系重构所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线。
11.如权利要求10所述的电池的快充装置(10)，其特征在于，所述充电控制模块(4)还用于，
根据所述电池在任意使用状态下的正负极平衡电势曲线计算所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度，并根据所述电池在任意使用状态下的正负极电势与正负极平衡电势之间的偏离程度以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流；
获取所述电池的充电截止电压，并根据所述充电截止电压、全电池电动势以及所述电池在任意使用状态下的正负极电阻计算所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流；
将所述电池在所述任意使用状态下的正负极最大安全充电电流与所述电池在所述任意使用状态下的最大允许充电电流中的最小值作为所述电池在所述任意使用状态下的最大安全充电电流。
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