CN113964401B - 一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法 - Google Patents

一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，根据电池的标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax计算充电倍率更新量k；当电池端电压大于电池充电截止电压时进入恒压充电阶段，否则进入恒流充电阶段；在恒流充电阶段通过采集同一充电倍率下相等时间间隔的三个数据点，判断电池容量与充电电压的微分曲线dQ/dV的变化，当dQ/dV减小时，表明电池内部反应加剧，需要减小充电倍率，当dQ/dV增大时，表明电池内部反应变缓慢，则需要增加充电倍率，并且充电倍率以充电倍率更新量k作为每次增加或者减小的量。本发明根据电池容量和充电电压的微分曲线dQ/dV的变化情况，动态调整充电倍率C的大小，在保证充电效率的同时，提高了电池的寿命。

Description

一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法
技术领域
本发明涉及锂电池充电技术领域，特别是涉及一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法。
背景技术
随着电动汽车保有量的快速增长，充电桩数量也大幅度增长，但仍然不满足日益增涨的充电需求。因此，发展大功率、大电流充电，缩短充电时长对于电动汽车的发展至关重要。但大电流快速充电会引发电池内部严重的极化现象，电池极化会抬高电池端电压，造成电池充不满电，延长充电时间，严重极化还会引起电池严重发热和负极表面锂结晶等，影响电池安全和使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，包括以下步骤：
S1：确定待充电电池的标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax，并根据标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax计算充电倍率更新量k，则k＝(Cmax-C0)/N，其中，N为正整数；N用于划分等级，从而确定更新量k的大小，N值越大各个电流充电倍率之间的差异越小。
S2：电池充电开始前，判断电池端电压：若电池端电压大于或等于电池规定的充电截止电压，则直接进入步骤S7的恒压充电阶段，若电池端电压小于电池规定的充电截止电压，则进入步骤S3；
S3：电池充电开始，首先以充电倍率C＝C0作为初始充电倍率对电池进行恒流充电，且充电过程中记录相等时间间隔的三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V，分别记为(Qn-2，Vn-2)、(Qn-1，Vn-1)、(Qn，Vn)，其中，Qn-2、Qn-1、Qn分别为n-2、n-1、n三个数据点的电池容量，Vn-2、Vn-1、Vn分别为n-2、n-1、n三个数据点的充电电压，n表示采样点的编号，由于整个充电过程中，采集的数据比较多，因此，为了表示出通用性采用n-2、n-1、n表示连续相邻的三个采样点。
S4：根据步骤S3中三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V值计算电池容量与充电电压的微分dQ/dV，则
数据点n-2和n-1之间的dQ/dV为：
数据点n-1和n之间的dQ/dV为：
并判断相邻两个数据点之间的微分dQ/dV的大小，
当时，则进入步骤S5；
当时，则进入步骤S6；
S5：判断充电倍率C是否为最大充电倍率Cmax，若C＝Cmax则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＜Cmax，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率增加充电倍率更新量k，即C＝C+k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S6：判断充电倍率C是否为标准充电倍率C0，若C＝C0则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＞C0，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率减少充电倍率更新量k，即C＝C-k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S7：进入恒压充电阶段，直到充电电流小于1/20C停止充电。
作为优选，N为2、4、5或8。N取能够除尽的整数，保证k的正确性。
与现有技术相比，本发明的充电方法最终形成的充电曲线虽然也具有阶段性，但是本发明的充电方法不需要在前期对电池进行充放电测试获得电池的性能，或者根据电池的模型进行充放电，本发明的充电方法根据磷酸铁锂电池的材料固有特性，无需前期数据，直接通过电池充放电过程中实时采集数据即可完成。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，同时采用恒压充电和恒流充电对锂电池进行充电，并且在恒流充电阶段，根据电池容量和充电电压的微分曲线dQ/dV的变化情况，动态调整充电倍率C的大小，在保证充电效率的同时，提高了电池的寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是锂以电化学法插入到石墨中形成阶化物的示意图。
图2是锂插入石墨过程中电位与组分的曲线(低压区)(P)的示意图。
图3是磷酸铁锂/石墨电池容量增量曲线。
图4是电池容量和充电电压的dQ/dV微分曲线示意图。
图5是本发明充电方法的流程示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，锂的插层是分阶段进行的，分为6阶段，5个相变，分别是稀释阶段I’、阶段IV、阶段III、液体型阶段2L、阶段II和阶段I。在稀释阶段I’中，锂随机占据石墨烯层之间的可用位置；IV、III阶段，锂继续插入石墨烯层分别转变为IV、III阶化合物；在液体型阶段2L，形成成分LiC18的化合物，锂原子在层内没有大范围的有序排列；在II阶段，2L阶化合物转变为II阶化合物，形成高度有序排列的LiC12化合物。在I阶段，II阶化合物转变为形成I阶化合物，形成LiC6化合物。恒电流法将石墨进行电化学还原插入锂过程中，电位与组分的变化，明显的电压平台表明两相区的存在。
锂在插入石墨中，充放电电压比较平稳，可逆插入石墨层之间的反应主要发生在0.2V以下，如图2所示，锂在石墨中发生插入的充电曲线，有三个明显的电压平台，分别对应三个相变过程：稀释I’阶转变为IV阶化合物，2L阶转变为II阶化合物，II阶转变为I阶化合物。
容量增量曲线相比充放电电压曲线能更好地反映出锂离子在不同电压平台的脱嵌能力，能够综合反映出电池正极和负极材料的容量匹配关系。正极活性材料电化学反应界面发生FePO4与LiFePO4两相的转化过程，只有一个充放电平台，而石墨负极在充放电过程中存在五个相变过程，对应五个充放电平台，五个平台实际上对应石墨电极的五个相变过程，对应IC曲线上产生五个峰。
如图3所示是磷酸铁锂/石墨电池的恒流小倍率充电的容量增量曲线，充电时，⑤峰以前少量锂随机占据石墨烯层的可用位置，形成稀I’阶化合物；从⑤峰开始，随着锂的嵌入形成IV阶化合物，负极主要存在I’和IV阶化合物；④峰主要存在IV和III阶化合物；③峰主要存在III和2L阶化合物；②峰，主要存在2L和II阶化合物；①峰主要存在II和I阶化合物。
dQ/dV曲线反应了电池的脱嵌锂能力，dQ/dV＝(dQ/dt)/(dV/dt)，恒流充电时，(dQ/dt)不变，容量增量曲线的变化表示电压变化情况，当dQ/dV增加时，表示电池内部dV/dt变化减小，即电池内部反应变缓慢；当dQ/dV较小时，表示电池内部dV/dt变化增大，即电池内部反应加剧；为了减小电池内部的极化电压，同时提高电池充电效率，在dQ/dV上升阶段适当减小充电倍率，dQ/dV下降阶段适当增大充电倍率，提高电池充电效率。
因此，根据上述分析，如图5所示，本发明的一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，包括以下步骤：
S1：确定待充电电池的标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax，并根据标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax计算充电倍率更新量k，则k＝(Cmax-C0)/N；
S2：电池充电开始前，判断电池端电压：若电池端电压大于或等于电池规定的充电截止电压，则直接进入步骤S7的恒压充电阶段，若电池端电压小于电池规定的充电截止电压，则进入步骤S3；
S3：电池充电开始，首先以充电倍率C＝C0作为初始充电倍率对电池进行恒流充电，且充电过程中记录相等时间间隔的三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V，分别记为(Qn-2，Vn-2)、(Qn-1，Vn-1)、(Qn，Vn)，其中，Qn-2、Qn-1、Qn分别为n-2、n-1、n三个数据点的电池容量，Vn-2、Vn-1、Vn分别为n-2、n-1、n三个数据点的充电电压；
S4：根据步骤S3中三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V值计算电池容量与充电电压的微分dQ/dV，则
数据点n-2和n-1之间的dQ/dV为：
数据点n-1和n之间的dQ/dV为：
并判断相邻两个数据点之间的微分dQ/dV的大小，
当时，则进入步骤S5；
当时，则进入步骤S6；
S5：判断充电倍率C是否为最大充电倍率Cmax，若C＝Cmax则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＜Cmax，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率增加充电倍率更新量k，即C＝C+k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S6：判断充电倍率C是否为标准充电倍率C0，若C＝C0则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＞C0，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率减少充电倍率更新量k，即C＝C-k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S7：进入恒压充电阶段，直到充电电流小于1/20C停止充电。
根据上述充电方法结合实际数据进行说明，如图4所示，以电池在充电时的充电电压和电池容量局部的7个数据点为例进行说明，分别记为1、2、3、4、5、6、7，则其对应的电池容量分别记为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7，充电电压分别记为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7，则充电方法包括以下步骤：
确定待充电电池的标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax，并根据标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax计算充电倍率更新量k，本实施例中N取5，则k＝(Cmax-C0)/5；
电池充电开始前，判断电池端电压：若电池端电压大于或等于电池规定的充电截止电压，则直接进入恒压充电阶段，若电池端电压小于电池规定的充电截止电压，则进入恒流充电阶段；
恒流充电阶段：
电池充电开始，首先以充电倍率C＝C0作为初始充电倍率对电池进行恒流充电，并且在充电过程中等时间间隔的采集数据点，假设，数据点1、2、3的充电倍率为C1，则记录三个数据点1、2、3的电池容量Q和充电电压V，分别记为(Q1，V1)、(Q2，V2)、(Q3，V3)；
根据三个数据点1、2、3的电池容量Q和充电电压V值计算电池容量与充电电压的微分dQ/dV，则
数据点1和2之间的dQ/dV为：
数据点2和3之间的dQ/dV为：
根据图4中曲线可知，可知dQ/dV在减小，电池内部反应加剧，为了避免电池反应过度，从而影响寿命，需要适当减小充电倍率；此时，还需要判断充电倍率C1是否为标准充电倍率C0，若C1＝C0则充电倍率保持不变进入下一阶段充电；若C1＞C0，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率减少充电倍率更新量k，即C2＝C1-k，然后以充电倍率C2进行下一阶段充电；
以充电倍率C2充电时，对应的三个数据点分别为3、4、5的电池容量Q和充电电压V，分别记为(Q3，V3)、(Q4，V4)、(Q5，V5)；
根据三个数据点3、4、5的电池容量Q和充电电压V值计算电池容量与充电电压的微分dQ/dV，则
数据点3和4之间的dQ/dV为：
数据点4和5之间的dQ/dV为：
根据图4中曲线可知，可知dQ/dV在增大，电池内部dV/dt变化减小，即电池内部反应变缓慢，为提高充电效率，需要适当增加充电倍率；此时，还需要判断充电倍率C2是否为最大充电倍率Cmax，若C2＝＝Cmax则充电倍率保持不变进入下一阶段充电；若C2＜Cmax，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率增加充电倍率更新量k，即C3＝C2+k，然后以充电倍率C3进行下一阶段充电。
以充电倍率C3充电时，对应的三个数据点分别为5、6、7，并记录三个数据点的电池容量Q和充电电压V，然后根据步骤S4中的公式进行判断，实现充电倍率的循环调整，在保证充电效率的同时，提高了电池的寿命。当电池端电压大于电池规定的充电截止电压，进入恒压充电阶段，直到充电电流小于1/20C停止充电，从而完成整个电池的一次充电。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：确定待充电电池的标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax，并根据标准充电倍率C0和最大充电倍率Cmax计算充电倍率更新量k，则k＝(Cmax-C0)/N，其中，N为正整数；
S2：电池充电开始前，判断电池端电压：若电池端电压大于或等于电池规定的充电截止电压，则直接进入步骤S7的恒压充电阶段，若电池端电压小于电池规定的充电截止电压，则进入步骤S3；
S3：电池充电开始，首先以充电倍率C＝C0作为初始充电倍率对电池进行恒流充电，且充电过程中记录相等时间间隔的三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V，分别记为(Qn-2，Vn-2)、(Qn-1，Vn-1)、(Qn，Vn)，其中，Qn-2、Qn-1、Qn分别为n-2、n-1、n三个数据点的电池容量，Vn-2、Vn-1、Vn分别为n-2、n-1、n三个数据点的充电电压；
S4：根据步骤S3中三个数据点n-2、n-1、n的电池容量Q和充电电压V值计算电池容量与充电电压的微分dQ/dV，则
数据点n-2和n-1之间的dQ/dV为：
数据点n-1和n之间的dQ/dV为：
并判断相邻两个数据点之间的微分dQ/dV的大小，
当时，则进入步骤S5；
当时，则进入步骤S6；
S5：判断充电倍率C是否为最大充电倍率Cmax，若C＝Cmax则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＜Cmax，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率增加充电倍率更新量k，即C＝C+k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S6：判断充电倍率C是否为标准充电倍率C0，若C＝C0则充电倍率保持不变进入下一阶段充电，并返回步骤S2；若C＞C0，则更新下一阶段充电倍率，使下一阶段充电倍率减少充电倍率更新量k，即C＝C-k，然后进行下一阶段充电，并返回步骤S2；
S7：进入恒压充电阶段，直到充电电流小于1/20C停止充电。
2.如权利要求1所述的提升磷酸铁锂电池寿命的充电方法，其特征在于：N为2、4、5或8。
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