CN113258151A - 一种避免析锂的锂离子电池充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种避免析锂的锂离子电池充电方法，包括以下步骤：1)采用预设电流进行电池充电，并进行实时在线的电池阻抗测量，得到在频率集f不同频率下不同的SOC对应的电池阻抗；2)提取频率集f下的电池阻抗Z的阻抗特征，并以此阻抗特征作为判断是否析锂的依据；3)根据阻抗特征在频率集f下的变化趋势进行判断，若发生析锂，则减小充电电流，否则继续以预设电流进行充电；4)重复执行步骤2)和3)，直至收到充电中止或结束指令。与现有技术相比，本发明具有实施方便高效、实现全生命周期的无析锂充电等优点，对于缓解充电诱发的析锂所导致的电池寿命衰减和安全问题具有重要意义。

Description

一种避免析锂的锂离子电池充电方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车、消费电子产品等电池管理领域，尤其是涉及一种避免析锂的锂离子电池充电方法。
背景技术
锂离子电池因其高比能量、环保、无记忆效应等优点在交通工具、消费电子产品中大量采用。目前广泛使用的以石墨为负极材料的锂离子电池在大倍率或者低温充电时极易导致析锂，进而诱发锂枝晶的发生，轻者造成电池寿命下降，重者造成内短路导致热失控。事故分析表明，多数电动汽车的自燃事故发生在充电过程中。因此，在充电过程中避免析锂的发生对于提升电池寿命和安全性具有重要意义。
发明专利CN110350259B公开了一种低温下电池充电技术，提出利用超声波检测方法判断电池内部是否发生有气体产生，从而来决定充电电流是否需要调整。但是该技术需要用到超声波传感器导致系统实现成本高，无法在车载、移动电子产品应用的问题。
发明专利CN107834630B公开了一种降低析锂的充电方法，通过判断脉动电流充电过程中的充电量是否大于离线标定的引发析锂的充电量进行对比来判断该脉动电流下是否会发生析锂。该方法需要离线标定引起析锂的充电量，使得离线标定工作量大。而且在电池使用过程中，内部特性的变化也会使得离线标定的值不再适用于老化后的电池，导致该方法的失效。
与之类似，发明专利CN109037811B、CN107104249B、CN105866695B、CN106099230B、CN105870525B、CN105428741B、CN102810700B分别公开了一种避免析锂的充电方法，通过离线确定的析锂边界来调整充电电流，同样存在离线标定工作量大且对老化后的电池适用性差的问题。
发明专利CN109143083B公开了一种基于数据驱动方法的充电过程中的析锂判定方法，需要离线对神经网络模型进行训练，具有离线标定工作量大的缺点，而且也存在对老化后的电池适用性差的问题。
发明专利CN106450536B公开了一种基于电池电化学机理模型估计负极电位来实现充电电流调整的避免析锂的充电方法，该方法需要对包含众多电化学参数和复杂模型结构的机理模型进行参数辨识才能估计负极电位，一方面加重了控制器的计算资源消耗，另一方面充电过程中平稳的充电电流也使得复杂模型的参数辨识面临困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种避免析锂的锂离子电池充电方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种避免析锂的锂离子电池充电方法，包括以下步骤：
1)采用预设电流进行电池充电，并进行实时在线的电池阻抗测量，得到在频率集f不同频率下不同的SOC对应的电池阻抗；
2)提取频率集f下的电池阻抗Z的阻抗特征，并以此阻抗特征作为判断是否析锂的依据；
3)根据阻抗特征在频率集f下的变化趋势进行判断，若发生析锂，则减小充电电流，否则继续以预设电流进行充电；
4)重复执行步骤2)和3)，直至收到充电中止或结束指令。
所述的步骤1)中，进行实时在线的电池阻抗测量具体为：
通过在充电电流上施加微弱扰动信号，在测量得到电池响应电压后，利用傅里叶变换获小波变换方法获得频率集f下对应的电池阻抗Z。
所述的微弱扰动信号具体为单一频率的正弦类信号，或者为包含多个频率成分的合成信号。
所述的步骤2)中，阻抗特征具体为电池阻抗Z的实部或虚部。
所述的步骤3)中，判断是否发生析锂的方法为：
获取频率集f下的电池阻抗Z的实部或虚部随SOC的变化图，在该变画图中，以SOC为横轴，电池阻抗Z的实部或虚部的值为纵轴，对于在设定频率f1对应的实部或虚部随SOC的变化曲线中，若从设定的SOC值开始，电池阻抗Z的实部或虚部的值出现快速下降的趋势，则判定该电池发生了析锂，否则电池未发生析锂。
所述的设定频率f1的取值范围不大于10Hz。
所述的设定频率f1取值为10Hz、5Hz或1Hz。
选择设定的SOC值具体为：
在阻抗谱随SOC的变化曲线中，选择中频圆弧最小对应的SOC值为设定的SOC值。
所述的设定的SOC值为50％。
所述的步骤4)中，当电池达到充电截止电压后则中止或结束充电过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明提出的避免析锂的锂离子电池充电方法以阻抗实部或虚部的变化趋势突变来作为析锂的判定依据，相比于现有技术，测量阻抗频率点少且无须使用等效电路模型对获取的不同频率阻抗进行拟合，具有实施方便、高效的优点。
二、本发明提出的避免析锂的锂离子电池充电方法不依赖于离线繁复的标定工作，降低了离线标定工作量，同时对老化后的电池仍有很好的适用性，确保在电池全生命周期内都可实现无析锂的充电。
附图说明
图1为本发明的总体流程框图。
图2为未充电时动力电池不同荷电状态下的电化学阻抗谱的变化。
图3为未充电时动力电池特定频率下的阻抗随荷电状态的变化。
图4为实施例充电过程中未发生析锂时的阻抗实部变化。
图5为实施例充电过程中发生析锂时的阻抗实部变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种避免析锂的锂离子电池充电方法，用以在电池充电过程中避免发生析锂，包括以下步骤：
1)采用预设电流进行电池充电，并进行实时在线的特征阻抗测量；
2)提取频率集f下的电池阻抗Z的实部，并与析锂的阻抗特征进行比较；
3)根据比较结果进行判断，若呈现析锂特征，即表明发生析锂，则减小充电电流，否则表明未发生析锂，继续以预设电流进行充电；
4)重复执行步骤2)和3)，直至收到充电中止或结束指令。
步骤1)中，进行实时在线的阻抗测量具体是通过在充电电流上施加微弱扰动信号，在测量电池响应电压后，利用傅里叶变换或小波变换方法实现，本例中，叠加在充电电流上用于测量阻抗的微弱扰动信号可以为单一频率的正弦类信号，也可以为包含多个频率成分的合成信号。
步骤2)中，本发明判断是否发生析锂的阻抗特征为阻抗实部或阻抗虚部随着充电的进行在设定的SOC处(本例中取值50％)是否发生了快速减小趋势。
步骤4)中，由于电池达到充电截止电压或者其它原因则可以中止或结束充电过程。
本发明的实现原理如下：
在充电过程中，电池的荷电状态(state of charge，SOC)会不断增加，本发明利用电化学工作站，在不同SOC下对一个2.75Ah的18650三元锂离子电池进行交流阻抗测量，得到如图2所示的动力电池不同荷电状态下的电化学阻抗谱的变化情况，可以看到，电池不同频率下的阻抗随着SOC的变化具有明显的规律性，在SOC为50％时，对应曲线的中频圆弧最小，则将该SOC值作为析锂判断的设定的SOC，将不同频率的阻抗提取出来可以得到图3，由图3可知，小于等于10Hz的阻抗实部将随着SOC的增加呈现先减小再增加的趋势。
车载充电机可通过控制策略更新和系统带宽重新设计，在充电时可产生包含丰富谐波成分的扰动信号，对于电动汽车应用场景，在电池充电时，利用车载充电机在充电电流上叠加多频率正弦合成后的扰动信号，与充电直流分量共同注入到动力电池中，当然，此扰动信号也可以为方波或阶跃信号等，相比较而言，多频率正弦合成的扰动信号更易保证扰动中感兴趣频率成分的信噪比，有利于更加精确地计算得到电池阻抗，对电池施加充电电流，并在充电电流上叠加由不同频率信号合成的微弱扰动以获取充电过程中不同频率阻抗的变化情况。
如图4所示，在未发生析锂时，不同频率下的阻抗实部在充电过程中呈现平缓变化的趋势，且1Hz曲线下对应阻抗实部呈现先减小再增加的趋势，该趋势与图3所示的规律相似。图5所示为充电过程中在50％SOC处发生析锂时的阻抗实部变化，可以看到在1Hz、5Hz和10Hz曲线对应的阻抗实部在析锂后发生了明显变化，由此本发明将阻抗实部(或虚部)突变减小的特征作为析锂的判断依据，可通过对实部随时间变化求差分的方式实现析锂的判断。
在充电过程中，如果实时测量得到的阻抗实部(或虚部)出现了突变减小的趋势，则可认为充电过程中发生了析锂，此时应当减小充电电流。

Claims (10)

1.一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用预设电流进行电池充电，并进行实时在线的电池阻抗测量，得到在频率集f不同频率下不同的SOC对应的电池阻抗；
2)提取频率集f下的电池阻抗Z的阻抗特征，并以此阻抗特征作为判断是否析锂的依据；
3)根据阻抗特征在频率集f下的变化趋势进行判断，若发生析锂，则减小充电电流，否则继续以预设电流进行充电；
4)重复执行步骤2)和3)，直至收到充电中止或结束指令。
2.根据权利要求1所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的步骤1)中，进行实时在线的电池阻抗测量具体为：
通过在充电电流上施加微弱扰动信号，在测量得到电池响应电压后，利用傅里叶变换获小波变换方法获得频率集f下对应的电池阻抗Z。
3.根据权利要求2所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的微弱扰动信号具体为单一频率的正弦类信号，或者为包含多个频率成分的合成信号。
4.根据权利要求1所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的步骤2)中，阻抗特征具体为电池阻抗Z的实部或虚部。
5.根据权利要求4所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的步骤3)中，判断是否发生析锂的方法为：
获取频率集f下的电池阻抗Z的实部或虚部随SOC的变化图，在该变画图中，以SOC为横轴，电池阻抗Z的实部或虚部的值为纵轴，对于在设定频率f1对应的实部或虚部随SOC的变化曲线中，若从设定的SOC值开始，电池阻抗Z的实部或虚部的值出现快速下降的趋势，则判定该电池发生了析锂，否则电池未发生析锂。
6.根据权利要求5所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的设定频率f1的取值范围不大于10Hz。
7.根据权利要求6所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的设定频率f1取值为10Hz、5Hz或1Hz。
8.根据权利要求5所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，选择设定的SOC值具体为：
在阻抗谱随SOC的变化曲线中，选择中频圆弧最小对应的SOC值为设定的SOC值。
9.根据权利要求8所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，
所述的设定的SOC值为50％。
10.根据权利要求1所述的一种避免析锂的锂离子电池充电方法，其特征在于，所述的步骤4)中，当电池达到充电截止电压后则中止或结束充电过程。
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