CN112366375A - 一种锂离子动力电池快速充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池充电技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池快速充电方法，包括获取电池的析锂临界电流，根据析锂临界电流获得参比电极和负极之间的析锂临界电压；划分SOC范围，在每个SOC范围设定充电倍率对电池进行充电，设定的充电倍率使得参比电极和负极之间的电压不超过析锂临界电压；在跨SOC范围时施加负脉冲，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电。本发明取得的有益效果是：提高了电池的充电速度，有效避免了电池充电过程中的负极析锂风险，延长了动力电池循环寿命；利用最大充电倍率确认方法，可以进一步分析不同健康状态下电池的最大充电倍率，持续优化快速充电曲线，延长锂离子电池系统的循环寿命。

Description

一种锂离子动力电池快速充电方法

技术领域

本发明涉及锂电池充电技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池快速充电方法。

背景技术

汽车电动化是锂离子电池需求的主要来源，电池充电性能的好坏直接影响到消费者对电动汽车的认可和接受程度，优化电池充电方法对于未来智能电池管理系统和智能电动汽车的发展具有重要意义。简单的锂离子电池充电方法有恒流充电法和恒压充电法，这两种充电方法效率低，不能满足现代电动汽车产业日期增长的需求。为加快充电速度、提高充电效率或最大化使用寿命，行业内已经尝试了多种锂离子电池充电方法，包括充电波形的改进、电池模型的耦合和交流充电，这些方法显著改善了锂离子电池充电。基于波形的充电方法在锂离子电池充电方面得到了广泛的研究，其中脉冲充电法是利用脉冲电流或脉冲电压在脉冲的剩余时间内实现离子的扩散和中和，可以显著缩短电池的充电时间。但是，在实际充电过程中，需要对脉冲充电电流进行严格控制，因为在大电流下会形成厚的SEI膜，导致电池阻抗的增加，加快了电池老化的速度，同时增加了负极析锂的风险。

如中国专利CN106712159B，公告日2020年06月26日，一种锂电池快速充电装置及方法，通过MCU主控系统控制电池保护模块、DC-DC升压模块、锂电池充电模块以及放电管理模块工作，自动判断外部电池的类型，选择不同的充电模式，可采用普通充电模式或快速充电模式，在快速充电模式下，根据锂电池内电压选择不同的充电电流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术中锂离子电池快速充电导致锂离子电池容易析锂的技术问题。提出了一种锂离子动力电池快速充电方法，本方法能够有效避免锂离子电池在充电过程中析锂，延长锂离子电池寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种锂离子动力电池快速充电方法，适用于含有参比电极的单电极软包锂离子电池，获取电池的析锂临界电流，根据析锂临界电流获得参比电极和负极之间的析锂临界电压；

划分SOC范围，在每个SOC范围设定充电倍率对电池进行充电，设定的充电倍率使得参比电极和负极之间的电压不超过析锂临界电压；

在跨SOC范围时施加负脉冲，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电。

确认不同SOC范围的负极析锂临界充电倍率，优化CC-CV充电曲线，增加一定幅度的负脉冲，目的是加快充电速率，同时减少大电流充电时负极片表面的析锂风险，减缓电池衰退，延长锂离子电池的循环寿命，降低电池控制系统成本。

作为优选，获取电池在不同SOC的最大充电倍率的方法包括：

设置n个SOC参考点S_i，升序排列S_i，其中i∈[1,n]，

设置n+1个电流充电倍率C_i，降序排列C_i，

当电池SOC处于0～S₁时，以电流充电倍率C₁充电至电池SOC达到S₁，

当电池SOC处于S_i～S_i+1时，以电流充电倍率C_i+1充电至电池SOC达到S_i+1，

当电池SOC处于S_n～1时，以电流充电倍率C_n+1充电至电池完全充满；

若在S_i～S_i+1充电过程中电池负极电压相对参比电极电压低于析锂临界电压，降低充电倍率。

通过设定多个SOC参考点和电流充电倍率，在不同SOC范围下充电，选择每个SOC范围内最合适的电流充电倍率。在充电过程中，若电池负极电压相对参比电极电压低于析锂临界电压时降低充电倍率。确认负极析锂临界倍率，降低了电池的析锂风险。

作为优选，降低充电倍率的方法包括：

计算参考值ρ：

其中，V为充电过程中电池电压，V_d为设定电压限值，降低后的充电倍率C_d为：

通过计算充电过程中的电池电压与设定的电压限值的差距参考值，计算该范围内原充电倍率与下一充电倍率的加权平均数作为新的充电倍率值，确认负极析锂临界倍率，降低了电池的析锂风险。

作为优选，检测充电前电池初始SOC的方法包括：

在SOC值上平均选取m个负脉冲测试点，在实验室条件下，对m个负脉冲测试点加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W_j，j∈[1,m]，

根据电池的SOC-OCV曲线，在SOC₀时施加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W′，选取W_j中与W′相似度最高的负脉冲测试点J，修正待充电电池的初始SOC值SOC₀’：

若SOC_J>SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1+ξ)

若SOC_J≤SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1-ξ)

其中，SOC₀为待充电电池在开路电压下计算得到的SOC值，SOC_J为负脉冲测试点J对应的SOC值，ξ为设置修正单位。

若带充电的电池是以完全放电的，则可将电池从0％的SOC以电流充电倍率C₁充电至电池SOC达到S₁；当该充电电池未完全充电，需要准确读取该电池的初始SOC值。传统的获取电池SOC值方法为计算出的电池在开路电压下的SOC值并不精确，通过对比试驾预设负脉冲的方法获取电压变化曲线以修正电池在开路电压下的SOC值，得到准确的带充电电池的初始SOC值。

作为优选，施加的预设负脉冲时长为t，记录的电压变化曲线W_j、电压变化曲线W′的时长为3t。

作为优选，电池为单电极叠片结构，电池内部靠近负极极耳处设有参比电极，参比电极为化学还原钛酸锂材料；电池的组装过程包括：电池注液封口后施加外压，常温下活化电池，静置至电池达到平衡。

作为优选，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电的截止电流为0.1C。

本发明的有益效果是：(1)提高了电池的充电速度，有效避免了电池充电过程中的负极析锂风险，延长了动力电池循环寿命；(2)利用最大充电倍率确认方法，可以进一步分析不同健康状态下电池的最大充电倍率，持续优化快速充电曲线，延长锂离子电池系统的循环寿命。

附图说明

图1为实施例一的一种锂离子动力电池快速充电方法流程图。

图2为实施例一的充电倍率与电池SOC曲线图。

图3为实施例一的优化后的充电曲线中电流与SOC关系曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种锂离子动力电池快速充电方法，如图1所示，包括：

获取电池的析锂临界电流，根据析锂临界电流获得参比电极和负极之间的析锂临界电压；

划分SOC范围，在每个SOC范围设定充电倍率对电池进行充电，设定的充电倍率使得参比电极和负极之间的电压不超过析锂临界电压；

在跨SOC范围时施加负脉冲，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电。

设置n个SOC参考点S_i，升序排列S_i，其中n＝4，i∈[1,4]，即设置4个SOC参考点，分别为20％、40％、60％、80％；

设置n+1个电流充电倍率C_i，降序排列C_i，即设置5个电流充电倍率，分别为6C、4C、3C、1C、0.6C。

从0％SOC开始，以6C倍率充电直至负极电位相对与参比电极电位低于1.55V或电池SOC达到20％，接着将充电倍率降调整为4C继续按照上述方法进行充电，直至负极电位相对与参比电极电位低于1.55V或者电池SOC达到40％，依次类推，直至电池完全充满至100％SOC；其中1.55V为参比电极和负极之间的析锂临界电压。

需要注意的是，在上述充电步骤中，若是第一步先达到电压限制条件而未达到目标SOC，则降低充电倍率，直至满足在充到目标SOC时负极电位保持在1.55V以上，其他步骤也依次类推。

降低充电倍率的方法包括：

计算参考值ρ：

其中，V为充电过程中电池电压，V_d为析锂临界电压，降低后的电流充电倍率C_d为：

如在0～20％SOC的充电过程中，以6C的电流充电倍率充电时检测到负极相对钛酸锂参比电极电压降低到析锂临界电压1.55V以下时，降低电流充电倍率至5C进行充电。

如图2所示，通过上述操作可以得到在负极不析锂的前提下，电池在不同SOC的最大充电倍率。

电池在不同SOC下的最大充电倍率与充电时间如表1所示。

表1电池在不同SOC下的最大充电倍率与充电时间表

最大充电倍率(C)	SOC(％)	充电时间(min)
			5	0～20	2.4
4	21～40	3
			3	41～60	4
1	61～80	12
			0.6	81～100	20

表1

由表1可以看出，按照上述充电方法，在保证负极没有出现析锂的前提下总充电时间仅用了41.4分钟，充电速度比常规的1C充电提高了31％，并且在21.4分钟内可以充电至80％，这一在充电时间可以有效提高汽车客户体验感。

若待充电电池为完全放电，其SOC值不为0时，需检测其初始SOC值。

检测充电前电池初始SOC的方法包括：

在SOC值上平均选取m个负脉冲测试点，在实验室条件下，对m个负脉冲测试点加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W_j，j∈[1,m]，

根据电池的SOC-OCV曲线，在SOC₀时施加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W′，选取W_j中与W′相似度最高的负脉冲测试点J，修正待充电电池的初始SOC值SOC₀’：

若SOC_J>SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1+ξ)

若SOC_J≤SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1-ξ)

其中，SOC₀为待充电电池在开路电压下计算得到的SOC值，SOC_J为负脉冲测试点J对应的SOC值，ξ为设置修正单位，其中ξ＝3％。

本实施例考虑待充电在完全放电的情况下，电池初始SOC值为0。

电池根据上述测试的数据，建立优化的CC-CV充电曲线，如图3所示，在充电初期施加一个略高于充电上限的电压，例如4.3V，时间持续为10-20秒，目的在于加快恒流充电阶段，优化初期电流分布，然后按照表1中所列的最大充电倍率在不同SOC范围内进行充电。

同时为降低每一步高倍率充电带来的析锂风险，在电池达到20％SOC、40％SOC、60％SOC、80％SOC时增加2C负脉冲。在充电至电压达到4.2V后保持恒压充电，截止电流为0.1C。搁置10分钟后，以1C进行放电至2.8V，搁置10分钟，循环300周。为了增加对比性，以常规1C倍率CC-CV充电曲线做为参照组，保持其他条件不变的前提下，循环300周。与1C常规充电曲线相比，采用优化后的快速充电方式，电池的容量保持率和电池温度曲线如表2所示。

表2两种充电方式循环结果对比

表2

由表2可得，快速充电方法下的电池在循环过程中电池表面温度升高约2.1℃，循环300周后，容量保持率约为83.9％，1C常规充电电池的容量保持率为82.7％，电池表面温升为2.9℃。这一结果说明本发明提出的充电方法显著缩短了锂离子电池的充电时间，同时避免了析锂风险，延长锂离子电池循环寿命，节省了电池系统计算和控制成本。

其中，使用的充电电池为含有参比电极的单电极软包锂离子电。电池的构建方法包括：电池为单电极叠片结构，即正负极极片各有一片，参比电极为化学还原钛酸锂。参比电极先放入隔膜袋再置入软包锂离子电池内部靠近负极极耳处，由于此处的电流密度最大，因此此处析锂电位最为敏感。单电极电池的正极片由质量比88-92％的层状过渡金属氧化物NCM、4-7％的聚偏氟乙烯粘结剂和1-5％的导电碳黑，或者碳纳米管、导电石墨、导电碳纤维及科琴黑中一种或多种，混合均匀后涂在厚度为10-25微米厚的铝箔上制备而成。负极片由质量比90-95％的硅碳复合材料、3-7％的羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶粘结剂和1-3％的导电碳黑(或者碳纳米管、导电石墨、导电碳纤维及科琴黑中一种或多种)混合均匀后涂在厚度为6-15μm的铜箔上制备得到。电池组装过程在氩气氛的手套箱内进行，电池注液封口后，通过夹具施加一定的外压(10-25Psi)使得电池内部具有良好的接触性，常温下以0.1C倍率在2.8-4.2V电压范围内循环3周进行活化，常温下在完全放电态下，即开路电压2.8V，静置8-12小时使电池达到平衡。

Claims (7)

1.一种锂离子动力电池快速充电方法，适用于含有参比电极的单电极软包锂离子电池，其特征在于，

获取电池的析锂临界电流，根据析锂临界电流获得参比电极和负极之间的析锂临界电压；划分SOC范围，在每个SOC范围设定充电倍率对电池进行充电，设定的充电倍率使得参比电极和负极之间的电压不超过析锂临界电压；

在跨SOC范围时施加负脉冲，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电。

2.根据权利要求1中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，获取电池在不同SOC的最大充电倍率的方法包括：

设置n个SOC参考点S_i，升序排列S_i，其中i∈[1，n]，

设置n+1个电流充电倍率C_i，降序排列C_i，

当电池SOC处于0～S₁时，以电流充电倍率C₁充电至电池SOC达到S₁，

当电池SOC处于S_i～S_i+1时，以电流充电倍率C_i+1充电至电池SOC达到S_i+1，

当电池SOC处于S_n～1时，以电流充电倍率C_n+1充电至电池完全充满；

若在S_i～S_i+1充电过程中电池负极电压相对参比电极电压低于析锂临界电压，降低电流充电倍率。

3.根据权利要求2中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，所述降低电流充电倍率的方法包括：

计算参考值ρ：

其中，V为充电过程中电池电压，V_d为析锂临界电压，降低后的电流充电倍率C_d为：

4.根据权利要求1中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，所述检测充电前电池初始SOC的方法包括：

在SOC值上平均选取m个负脉冲测试点，在实验室条件下，对m个负脉冲测试点加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W_j，j∈[1，m]，

根据电池的SOC-OCV曲线，在SOC₀时施加预设负脉冲，记录电压变化曲线，记为W′，

选取W_j中与W′相似度最高的负脉冲测试点J，修正待充电电池的初始SOC值SOC₀’：

若SOC_J＞SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1+ξ)

若SOC_J≤SOC₀，SOC₀’＝SOC_J(1-ξ)

其中，SOC₀为待充电电池在开路电压下计算得到的SOC值，SOC_J为负脉冲测试点J对应的SOC值，ξ为设置修正单位。

5.根据权利要求4中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，所述施加的预设负脉冲时长为t，记录的电压变化曲线W_j、电压变化曲线W′的时长为3t。

6.根据权利要求1中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，所述电池为单电极叠片结构，电池内部靠近负极极耳处设有参比电极，所述参比电极为化学还原钛酸锂材料；电池的组装过程包括：电池注液封口后施加外压，常温下活化电池，静置至电池达到平衡。

7.根据权利要求1中所述的一种锂离子动力电池快速充电方法，其特征在于，充电至电压达到电压最大值后保持恒压充电的截止电流为0.1C。

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