CN114171811A - 一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途，所述的方法包括以下步骤：(Ⅰ)获取电池性能信息；(Ⅱ)获取电池开始充电时的初始信息，并设定电池结束充电时的终止信息；(Ⅲ)将充电过程划分为至少两个充电周期；(Ⅳ)确定各充电周期的充电时间，并计算出各充电周期的充电电流；(Ⅴ)对电池进行充电。本发明不仅能够提高充电速度，还能够避免电池析锂现象，提高了充电过程中的安全性和稳定性。

Description

一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电池的充电，尤其涉及一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途。

背景技术

目前，使用最为广泛的充电技术为恒流恒压充电，即对电池以恒定电流充电至截止电压后，再在截止电压下进行恒压充电。但由于电池本身存在一定内阻，恒流恒压充电会使电池极化不断累积。电池极化是指电池有电流通过，使电池偏离平衡电极电位的现象，电池极化会影响电池的充电速度。因此，在以恒定电流充电的过程中，电池的极化积累现象越来越严重，降低了电池的充电速度。

CN111025161A公开了一种锂电池恒流恒压充电量估计方法及终端，其中该充电量估计方法针对锂电池的恒流恒压充电方案进行充电量估计，通过计时获取恒流充电时长、恒压充电时长及一个在恒压充电阶段特定时刻的瞬时电流采样即可估计恒流恒压充电量。

CN107980191A公开了一种充电控制方法，应用于电子装置中，所述方法包括步骤：确定电子装置的电池的充电路径阻抗电路的阻值；在电池处于恒流充电阶段时，获取恒流充电阶段的充电电流；根据充电路径阻抗电路的阻值以及恒流充电阶段的充电电流计算得出充电路径阻抗电路的分压；以及将触发电池从恒流充电阶段切换到恒压充电阶段的恒压临界电压调整为初始的恒压临界电压与所述充电路径阻抗电路的分压之和。

CN107808987A公开了一种二次电池充电方法，所述方法包括以下步骤：步骤一，对二次电池恒流充电到限制电压V_Z，其中，V_Z大于公知恒流充电限制电压V₀；步骤二，对步骤一中的二次电池以电压V_Z进行恒压充电，恒压充电电流降低到终止电流I_Z时停止充电，其中，终止电流I_Z大于公知恒压充电终止电流I₀。

现有的恒压充电方法容易造成电池极化，进而降低了电池的充电速度，因此，若要提高电池充电速率，在充电过程中避免电池极化积累的非常重要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途，不仅能够提高充电速度，还能够避免电池析锂现象，提高了充电过程中的安全性和稳定性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种阶梯式充电方法，所述的方法包括以下步骤：

(Ⅰ)获取电池性能信息；

(Ⅱ)获取电池开始充电时的初始信息，并设定电池结束充电时的终止信息；

(Ⅲ)将充电过程划分为至少两个充电周期；

(Ⅳ)确定各充电周期的充电时间，并计算出各充电周期的充电电流；

(Ⅴ)对电池进行充电。

本发明提供的阶梯式充电方法中，对电池进行周期性充电，在不损失电池容量的前提下，不仅能够提高充电速度，还能够避免电池析锂现象，提高了充电过程中的安全性和稳定性，有效延长了电池的使用寿命。

作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的电池性能信息包括充电上限电流、嵌锂平台最低值和充电限制电压。

本发明中电池负极中主要包括石墨材料(石墨质量比≥75％)，锂离子在石墨层间扩散的动力学特征影响电池的倍率性能，具体表现为石墨负极的嵌锂状态的高低。本发明中上面所述嵌锂平台最低值是指开始形成二阶石墨层间化合物(GICs，Graphiteintercalation compounds)的电位，通常指石墨对锂电位在0.13V至0.12V之间。

作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅱ)中，所述的初始信息包括初始电荷状态，所述的终止信息包括充电截止电荷状态，通过所述的充电截止电荷状态与初始电荷状态确定总充电量。

作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)中还包括确定各充电周期终止时的电荷状态，并获取各充电周期开始时的电池温度。

需要说明的是，本发明中采用初始电荷状态与充电截止电荷状态计算出所需的充电量，再进行各充电周期的充电量的分配，对电池进行周期性的充电。充电时电池温度随着电池发热量的增大而提升，当电池温度过高时会缩减电池寿命，当电池温度过低时，电池容易析锂，充电时电池温度的变化对导致相同电流电压下的电荷状态出现偏离，最佳充电的环境温度为20～55℃。

作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)还包括将充电过程分为第一充电阶段与第二充电阶段，在所述第一充电阶段中，电池的电荷状态低于所述嵌锂平台最低值，在所述第二充电阶段中，电池的电荷状态高于所述嵌锂平台最低值，并低于或等于充电截止电荷状态。

优选地，在所述第一充电阶段中，各充电周期的充电电流递增，在所述第二充电阶段中，各充电周期的充电电流递减。

需要说明的是，本发明中在充电的过程中，为了保证电池不会发生析晶现象，并防止正极结构被破坏，需要逐步降低充电电流或者功率，因此将整个充电过程分为电流递增的第一充电阶段，与电流递减的第二充电阶段，能够避免电池极化的累积，防止电池偏离平衡电极电位。

作为本发明一个优选技术方案，各充电周期内的充电电流和充电时间通过以下公式计算：

所述第一充电阶段过程中，确定各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_i-第i充电周期内的充电电流，1≤i≤n，i为整数，n为第一充电阶段内的电池充电周期数，n为整数；

SOC_i-第i-1充电周期终止时的电荷状态，1≤i≤n，i为整数，其中SOC₁为第0充电周期终止时的电荷状态，即指电池尚未充电时的初始电荷状态；

SOC_平-所述嵌锂平台最低值；

T_i-第i充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_i-第i充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₁、B₁、C₁和D₁分别为大于或等于0的常数，A₁与B₁分别为SOC系数，C₁为温度系数，D₁为时间系数；

所述第二充电阶段过程中，确定各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_k-第k充电周期内的充电电流，n+1≤k≤N，k为整数，N-总电池充电周期数，N为整数；

SOC_k-第k-1充电周期终止时的电荷状态，n+1≤k≤N，k为整数；

T_k-第k充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_k-第k充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₂、B₂、C₂和D₂分别为大于或等于0的常数，A₂与B₂分别为SOC系数，C₂为温度系数，D₂为时间系数。

作为本发明一个优选技术方案，所述第一充电阶段过程中，I_i＜I_i+1，所述第二充电阶段过程中，I_k+1＜I_k＜I_n，充电过程中

I_n小于电池的充电上限电流。

需要说明的是，在第一充电阶段中，一个充电周期的充电电流大于前一充电周期的充电电流，在第二充电阶段中，一个充电周期的充电电流小于前一充电周期的充电电流。在第一充电阶段中最后一个充电周期结束时的电荷状态，即为第二充电阶段中第一个充电周期开始时的电荷状态。第一充电阶段中第一个充电周期的电荷状态SOC₀，即为电池初始电荷状态，第二充电阶段的最后一个周期结束时的电荷状态SOC_N，即为充电截止电荷状态。

本发明中计算出的各充电周期内的充电时间在一般为30s～1000s之间，能够有效提高充电速度。

作为本发明一个优选技术方案，所述各充电周期内对电池进行恒流充电。

第二方面，本发明提供了一种充电装置，所述的充电装置包括电性连接的控制模块与充电模块，所述的控制模块用于储存执行命令，所述充电装置充电过程中，所述的控制模块控制所述充电模块执行第一方面所述的方法。

本发明提供的充电装置在使用过程中，在控制模块内输入电池性能信息、初始信息、终止信息，并设定充电周期数以及各充电周期的荷电状态、与电池温度等信息，再设定各充电周期的充电时间，计算出各充电周期的充电电流，储存执行命令，控制充电模块以计算出的充电电流与充电时间，对电池进行阶梯式的充电操作。

第三方面，本发明一种第二方面所述的充电装置的用途，所述的充电装置用于对锂电池进行阶梯式充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种阶梯式充电方法与充电装置及其用途，电池进行周期性充电，在不损失电池容量的前提下，不仅能够提高充电速度，还能够避免电池析锂现象，提高了充电过程中的安全性和稳定性，有效延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的阶梯式充电方法的流程图。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种阶梯式充电方法，如图1所示，所述的方法包括以下步骤：

(Ⅰ)获取电池性能信息，所述的电池性能信息包括充电上限电流、嵌锂平台最低值和充电限制电压；

(Ⅱ)获取电池开始充电时的初始信息，并设定电池结束充电时的终止信息，所述的初始信息包括初始电荷状态SOC₀，所述的终止信息包括充电截止电荷状态SOC_N，通过所述的充电截止电荷状态与初始电荷状态确定总充电量；

(Ⅲ)将充电过程划分为第一充电阶段与第二充电阶段，总共至少两个充电周期，并确定各充电周期终止时的电荷状态，获取各充电周期开始时的电池温度，最佳充电的环境温度为20～55℃，在所述第一充电阶段中，电池的电荷状态低于所述嵌锂平台最低值，所述第二充电阶段中，电池的电荷状态高于所述嵌锂平台最低值，并低于或等于充电截止电荷状态，在所述第一充电阶段中，各充电周期内的充电电流递增，在所述第二充电阶段中，各充电周期内的充电电流递减；

(Ⅳ)确定所述第一充电阶段过程中各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_i-第i充电周期内的充电电流，1≤i≤n，i为整数，n为第一充电阶段内的电池充电周期数，n为整数；

SOC_i-第i-1充电周期终止时的电荷状态，1≤i≤n，i为整数，其中SOC₁为第0充电周期终止时的电荷状态，即指电池尚未充电时的初始电荷状态；

SOC_平-所述嵌锂平台最低值；

T_i-第i充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_i-第i充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₁、B₁、C₁和D₁分别为大于或等于0的常数，A₁与B₁分别为SOC系数，C₁为温度系数，D₁为时间系数；

再确定所述第二充电阶段过程中的各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_k-第k充电周期内的充电电流，n+1≤k≤N，k为整数，N-总电池充电周期数，N为整数；

SOC_k-第k-1充电周期终止时的电荷状态，n+1≤k≤N，k为整数；

T_k-第k充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_k-第k充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₂、B₂、C₂和D₂分别为大于或等于0的常数，A₂与B₂分别为SOC系数，C₂为温度系数，D₂为时间系数。

所述第一充电阶段过程中，I_i＜I_i+1，所述第二充电阶段过程中，I_k+1＜I_k＜I_n，充电过程中

I_n小于电池的充电上限电流；

(Ⅴ)根据充电时间与计算出的充电电流，对电池进行阶梯式充电。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种充电装置，所述的充电装置包括电性连接的控制模块与充电模块，所述的控制模块用于储存执行命令，所述充电装置充电过程中，所述的控制模块控制所述充电模块执行一个具体实施方式所述的方法。

本发明提供的充电装置在使用过程中，在控制模块内输入电池性能信息、初始信息、终止信息，并设定充电周期数以及各充电周期的荷电状态、与电池温度等信息，再设定各充电周期的充电时间，计算出各充电周期的充电电流，储存执行命令，控制充电模块以计算出的充电电流与充电时间，对电池进行阶梯式的充电操作。

实施例1

本实施例中提供了一种阶梯式充电方法，具体包括以下步骤：

(1)获取电池性能信息，所述的电池性能信息包括充电上限电流为500A、特征嵌锂平台最低值为23％SOC和充电限制电压为4.35V；

(2)获取电池尚未充电时的初始电荷状态SOC为0％，充电截止电荷状态SOC为80％，通过充电截止电荷状态与初始电荷状态确定总充电量80Ah；

(3)将充电过程划分为第一充电阶段与第二充电阶段，总共七个充电周期，第一充电阶段包括第一个充电周期、第二个充电周期与第三个充电周期，第二充电阶段包括第四个充电周期、第五个充电周期、第六个充电周期与第七个充电周期；

(4)确定所述第一充电阶段过程中各充电周期内的充电时间，并且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_i-第i充电周期内的充电电流，1≤i≤3，i为整数；

SOC_i-第i-1充电周期终止时的电荷状态，1≤i≤3，i为整数；

SOC_平-所述嵌锂平台最低值；

T_i-第i充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_i-第i充电周期内的充电时间(单位：s)；

获取电池尚未充电时的初始电荷状态，即第0充电周期终止时的电荷状态SOC₁＝0％，电池充电开始时的电池温度为T₁＝23℃；A₁＝446.1，B₁＝2943.9，C₁＝4651.2，D₁＝0.39636，选取t₁＝180S，计算得到，I₁＝60A；执行第一充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₂＝3％，温度为T₂＝25℃；选取t₂＝240S，计算得到，I₂＝150A；执行第二充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₃＝13％，温度为T₃＝30℃；选取t₃＝100S，计算得到，I₃＝360A；执行第三充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₄＝23％，温度为T₄＝35℃；第一充电阶段的充电时间为520s；

确定第二充电阶段过程中的各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_k-第k充电周期内的充电电流，4≤k≤7，k为整数；

SOC_k-第k-1充电周期终止时的电荷状态，4≤k≤7，k为整数；

T_k-第k充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_k-第k充电周期内的充电时间(单位：s)；

其中，A₂＝17055，B₂＝25564，C₂＝1652，D₂＝0.010493，选取t₄＝180S，计算得到，I₄＝340A；执行第四充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₅＝40％，温度为T₅＝45℃；选取t₅＝240S，计算得到，I₅＝300A；执行第五充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₆＝60％，温度为T₆＝50℃；选取t₆＝225S，计算得到，I₆＝240A；执行第六充电周期后，此时电池的电荷状态为SOC₇＝75％，温度为T₇＝55℃；选取t₇＝90S，计算得到，I₇＝200A；第七充电周期结束后SOC达到80％第二充电阶段的充电时间为735s；

(Ⅴ)根据充电时间与计算出的充电电流，对电池进行阶梯式充电。

本实施例中由充电开始至充电结束总用时间为1255s。

对比例1

本对比提供了一种电池充电方法，采用恒流恒压的充电方式对电池进行充电，其中的电池与实施例1提供的电池完全相同，充电方法具体包括以下步骤：

(1)获取电池性能信息，所述的电池性能信息包括充电上限电流为500A和充电限制电压为4.35V；

(2)获取电池开始充电时的初始电荷状态SOC＝0％，充电截止电荷状态SOC＝80％，通过充电截止电荷状态与初始电荷状态确定总充电量80Ah；

(3)以恒定电流150A充电至电池电荷状态SOC＝80％。

本对比例中由充电开始至充电结束总用时间为1920s。

采用本对比例1中提供的方法对电池持续充电1255s(即和实施例1相同的充电时间)时，电池的电荷状态SOC＝52％，低于实施例1中的80％。

本发明中首先获取电池性能信息、初始信息、终止信息，并设定充电周期数以及各充电周期的荷电状态、与环境温度等信息，计算出各充电周期的充电电流以及充电时间，通过计算结果对电池进行阶梯式的充电。由实施例1与对比例1可知，本发明提供的方法在不损失电池容量的前提下，相比于传统的恒流恒压充电，能够缩短35％的充电时间，电池的充电速度提高了53％，同时，本发明的充电方法还能够避免电池析锂现象，提高了充电过程中的安全性和稳定性，有效延长了电池的使用寿命。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种阶梯式充电方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(Ⅰ)获取电池性能信息；

(Ⅱ)获取电池开始充电时的初始信息，并设定电池结束充电时的终止信息；

(Ⅲ)将充电过程划分为至少两个充电周期；

(Ⅳ)确定各充电周期的充电时间，并计算出各充电周期的充电电流；

(Ⅴ)对电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的电池性能信息包括充电上限电流、嵌锂平台最低值和充电限制电压。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，所述的初始信息包括初始电荷状态，所述的终止信息包括充电截止电荷状态，通过所述的充电截止电荷状态与初始电荷状态确定总充电量。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中还包括确定各充电周期终止时的电荷状态，并获取各充电周期开始时的电池温度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)还包括将充电过程分为第一充电阶段与第二充电阶段，在所述第一充电阶段中，电池的电荷状态低于所述嵌锂平台最低值，在所述第二充电阶段中，电池的电荷状态高于所述嵌锂平台最低值，并低于或等于充电截止电荷状态；

优选地，在所述第一充电阶段中，各充电周期的充电电流递增，在所述第二充电阶段中，各充电周期的充电电流递减。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，各充电周期内的充电电流和充电时间通过以下公式计算：

所述第一充电阶段过程中，确定各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_i-第i充电周期内的充电电流，1≤i≤n，i为整数，n为第一充电阶段内的电池充电周期数，n为整数；

SOC_i-第i-1充电周期终止时的电荷状态，1≤i≤n，i为整数；其中SOC₁为第0充电周期终止时的电荷状态，即指电池尚未充电时的初始电荷状态；

SOC_平-所述嵌锂平台最低值；

T_i-第i充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_i-第i充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₁、B₁、C₁和D₁分别为大于或等于0的常数，A₁与B₁分别为SOC系数，C₁为温度系数，D₁为时间系数；

所述第二充电阶段过程中，确定各充电周期内的充电时间，且各充电周期内的充电电流通过以下公式计算：

其中，I_k-第k充电周期内的充电电流，n+1≤k≤N，k为整数，N-总电池充电周期数，N为整数；

SOC_k-第k-1充电周期终止时的电荷状态，n+1≤k≤N，k为整数；

T_k-第k充电周期开始时的电池温度(单位：℃)

t_k-第k充电周期内的充电时间(单位：s)；

A₂、B₂、C₂和D₂分别为大于或等于0的常数，A₂与B₂分别为SOC系数，C₂为温度系数，D₂为时间系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一充电阶段过程中，I_i＜I_i+1，所述第二充电阶段过程中，I_k+1＜I_k＜I_n，充电过程中

I_n小于电池的充电上限电流。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述各充电周期内对电池进行恒流充电。

9.一种充电装置，其特征在于，所述的充电装置包括电性连接的控制模块与充电模块，所述的控制模块用于储存执行命令，所述充电装置充电过程中，所述的控制模块控制所述充电模块执行权利要求1-8任一项所述的方法。

10.一种权利要求9所述的充电装置的用途，其特征在于，所述的充电装置用于对锂电池进行阶梯式充电。

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