CN114336825A - 一种电池充电的控制方法、控制装置以及充电设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种电池充电的控制方法、控制装置以及充电设备，电池的充电过程包括具有第一充电倍率的第一恒电流充电阶段和具有第二充电倍率的第二恒电流充电阶段，控制方法包括：获取负极极片中硅元素在负极活性材料的重量百分比，负极活性材料克容量与硅在负极活性材料的百分含量满足模型(1)；根据负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC；控制充电模块按第一恒电流充电阶段对电池进行充电；当电池的电量达到预设充电状态的SOC时，控制充电模块按第二恒电流充电阶段对电池进行充电，直至电池的充电状态SOC为100％。通过上述方式，本申请实施例能够提升电池的循环充电次数以及改善电池的膨胀率。

Description

一种电池充电的控制方法、控制装置以及充电设备

技术领域

本申请实施例涉及储能技术领域，特别涉及一种电池充电的控制方法、控制装置以及充电设备。

背景技术

电池是一种将外界的能量转化为电能并储存于其内部，以在需要的时刻对外部用电设备(例如便携式电子设备等)进行供电的装置。电池广泛地应用于日常生活中，为人们的日常生活提供了极大的便捷度和丰富度。而锂电池因为其优异的电池循环次数以及能量密度成为市场的主流。

本申请的申请人在实现本申请的过程中，发现：目前，随着5G的普及，更高性能的移动设备对电池容量以及充电速率的提升，现有的锂电池能量密度已经开发到极致，而锂电池中石墨的克容量也基本接近理论值，因此在石墨体系下的锂电池已经无法满足当今社会的需求，迫切需要一款能量密度更大的电池。

发明内容

鉴于上述问题，本申请实施例提供了一种电池充电的控制方法、控制装置以及充电设备，改善了上述问题。

本申请提供了一种电池充电的控制方法，所述电池包括负极极片，所述负极极片上设置有负极活性层，所述负极活性层包含负极活性材料，所述负极活性材料含有硅元素。

所述电池的充电过程包括第一恒电流充电阶段和第二恒电流充电阶段，所述的第一恒电流充电阶段具有第一充电倍率，所述的第二恒电流充电阶段具有第二充电倍率，所述第一充电倍率大于所述第二充电倍率，所述控制方法包括：获取所述负极极片中硅元素在所述负极活性材料的重量百分比，所述负极活性材料的克容量与硅元素在负极活性材料的重量百分含量满足模型(1)。根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC。控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电；当所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC时，控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％。其中，所述模型(1)为：X＝a(1-Z)+bZ，340mAh/g≤a≤357mAh/g，3000mAh/g≤b≤4200mAh/g；所述模型(2)为：Y＝-0.0005X+1.1651,357＜X≤800，Y＝-0.0002X+0.9547,800＜X≤3500；X为负极活性材料的克容量，单位为mAh/g，Z为硅元素占负极活性材料的重量百分比，Y为预设充电状态的SOC，即为第二恒电流充电阶段开始时,电池的充电状态SOC。

可选的，所述电池的充电过程包括过渡充电阶段，所述过渡充电阶段的充电倍率大于所述第二充电倍率。所述控制方法还包括：在所述第二恒电流充电阶段之前，控制充电模块按过渡充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC值。

可选的，所述过渡充电阶段的数量为多个，多个所述过渡充电阶段的充电倍率各不相同。

可选的，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小逐渐减小。

可选的，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小逐渐增大。

可选的，所述过渡充电阶段包括第三恒电流充电阶段，所述的第三恒电流充电阶段具有第三充电倍率，且所述的第三充电倍率大于所述第二充电倍率。

可选的，所述第一充电倍率小于或等于电池最大充电倍率。

可选的，所述硅元素占负极活性材料重量百分比为Z，其中，0＜Z≤85％。

本申请还提供一种电池充电的控制装置，包括：获取模块，获取负极极片中硅元素占负极活性材料的重量百分比。计算模块，用于根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC。第一控制模块，用于控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC。第二控制模块，用于控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％。

本申请还提供一种充电设备实施例，包括：充电模块，用于与电池连接。至少一个处理器，以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述任一项所述的方法。

本申请实施例的有益效果是：通过在电芯的负极极片中加入硅材料提高电芯的能量密度，获取所述电池的预设充电状态，然后以所述第一恒电流阶段对所述电池进行充电直至所述电池达到预设充电状态，接着控制充电模块按照第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，从而减少所述电池充电过程中电芯中的硅材料因为过嵌锂离子发生颗粒破损现象，提高了所述电池的寿命。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请实施例电池充电的控制方法提供的整体步骤示意图；

图2是本申请实施例电池充电的控制方法提供的一模型(2)示意图；

图3是本申请实施例电池充电的控制方法提供的另一模型(2)示意图；

图4是本申请另一实施例电池充电的控制方法提供步骤示意图；

图5是本申请实施例的控制装置示意图；

图6是本申请实施例充电设备的充电模块、处理器与存储器的连接关系示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

电池通常包括电芯，所述电芯包括负极极片、正极极片和隔膜，所述隔膜位于所述负极极片和正极极片之间，所述负极极片上设置有负极活性层，所述负极活性层包含负极活性材料，所述负极活性材料含有硅材料。

本申请实施例电池采用的是含硅负极的锂离子电池，而含有硅材料(常用的硅材料为硅碳、硅氧等)的锂电池对比纯石墨的锂电池，由于硅和石墨的嵌锂速度以及嵌锂状态的不同，因此，含硅负极的锂离子电池如果采用传统纯石墨锂离子电池的充电方式会造成硅过嵌锂离子，容易使电池在充电过程中发生膨胀、过热等现象，降低电池的循环次数。其中，对于电池的正极极片，采用的活性材料是LCO(钴酸锂)，LCO(钴酸锂)：CNT(碳纳米管)：SP(导电炭黑)：PVDF(聚四氟乙烯)＝96.2％：0.5％：0.3％：3.0％(重量比)，添加溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)，均匀涂覆在Al(铝)箔集流体上，然后把极片烘干，按照一定的压密进行冷压，分条后得到正极极片。本申请实施例中正极极片活性材料层的浆料为常规配方，包括但不限于LCO(钴酸锂)，LFP(磷酸铁锂)，NCM(镍钴锰三元材料)等系列。对于电池的负极极片，将石墨、含硅及硅基材料(不限于氧化亚硅，硅碳化合物，硅纳米颗粒以及硅合金等)为主的粉料混合均匀，制成浆料，其中活性物质占比96％，另加入，SBR(乳液型粘结力)类，PAA(溶液型粘结剂)系列粘结力含量在3.4％之间，另加入一定量的0.2％CS02(单壁碳纳米管)。不限于使用双层涂布方式或单层涂布方式，将阳极负极活性浆料均匀涂布在铜箔上，经烘干、冷压、分条处理后得到负极极片。

电芯的制备流程通常包括以下步骤：1.通过辊压，将锂层复合在阳极负极极片上。2.将阴极、隔离膜、补锂后的阳极负极按照一定方式卷绕或者叠片得到裸电芯。3.对裸电芯进行封装，真空烘干并注入电解液，并对电芯进行化成、容量处理后，得到成品电池。

考虑到解决上述含硅负极的锂离子电池采用石墨锂离子电池充电方式引发的问题，请参阅图1，本申请提供了一种电池充电的控制方法，所述电池的充电过程包括第一恒电流充电阶段和第二恒电流充电阶段，所述的第一恒电流充电阶段具有第一充电倍率，所述的第二恒电流充电阶段具有第二充电倍率，所述第一充电倍率大于所述第二充电倍率，所述电池充电的控制方法包括：

步骤S10：获取所述负极极片中硅元素占负极活性材料的重量百分比，负极活性材料的克容量与硅元素占负极活性材料的百分含量满足模型(1)；

硅在所述负极极片中的比例一定，即硅元素含量与负极活性材料的克容量呈正比例关系，满足模型(1)：X＝a(1-Z)+bZ，340mAh/g≤a≤357mAh/g，3000mAh/g≤b≤4200mAh/g，其中，X为负极活性材料的克容量，Z为硅元素占负极活性材料的重量百分比。但是所述电池在负极活性材料的克容量不同的情况下，所述电池的石墨材料嵌满锂离子时，所述电池的电量占所述电池的总电量不同。因此在本申请的实施例中，需要根据硅元素占所述负极活性材料的重量比例以及负极活性材料的克容量计算出不同情况下的SOC值，SOC为电池的容量与额定容量的百分比。

步骤S20：根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC；

请参阅图2和图3，当所述负极活性材料的克容量不同时，所述电池从电量为零变化到石墨全部嵌满锂离子的电量占所述电池的总电量不同，所述电池的石墨全部嵌满锂离子时称为充电容量截止SOC。充电容量截止SOC与所述负极活性材料的克容量呈反比对应关系，即预设计算模型(2)，所述预设计算模型(2)符合下述关系式：

Y＝-0.0005X+1.1651(357＜X≤800)，Y＝-0.0002X+0.9547,(800＜X≤3500)；其中，Y为预设充电状态的SOC，即为第二恒电流充电阶段开始时,电池的充电状态SOC(即电池的容量与额定容量的百分比)。

步骤S30：控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电；

所述第一恒电流充电阶段采用第一恒定电流以第一倍率对所述电池进行充电，所述第一充电倍率大于所述第二充电倍率。

所述第一恒电流充电阶段采用第一倍率的恒定电对电流对所述电池进行充电，目的是在所述电池充电初始阶段，通过大倍率电流使所述负极的硅材料的电位快速下降，使得所述负极的硅材料的电位与石墨材料的电位大体一致，由于硅材料和石墨材料结构的差异，在同一电位下(不同的嵌锂态)，石墨由于有较多的嵌锂电位，而且层状结构，锂离子嵌入所需的动能较低，因此，锂离子会优先嵌入石墨中，直至石墨材料嵌满锂离子。

值得说明的是，所述第一充电倍率小于或等于电池最大充电倍率，硅元素占负极活性材料的重量百分比含量为Z，其中0＜Z≤85％。小于或等于电池最大充电倍率的第一充电倍率，是为了限制所述电池在大倍率充电倍率下的第一恒流充电阶段被击穿，提高了所述电池充电速度的同时，保障了所述电池在充电过程中的安全性。

在一些实施例中，请参阅图4，所述电池的充电过程包括过渡充电阶段，所述过渡充电阶段的充电倍率大于所述第二充电倍率。所述方法还包括：

步骤S31：在所述第二恒电流充电阶段之前，控制充电模块按过渡充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC值；

在一些实施例中，所述过渡充电阶段的数量为多个，多个所述过渡充电阶段的充电倍率各不相同。其中，所述多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小逐渐减小。值得说明的是，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小也可以是逐渐增大，多个所述过渡充电阶段的充电倍率变化具体视用户的需要自行设定。多个所述过渡充电阶段可以包括多个恒电流充电阶段。可以理解的是，若是设置过渡充电阶段，则多个所述过渡充电阶段必定包括至少一个恒电流充电阶段，多个所述过渡充电阶段以恒电流充电阶段作为开始。设置多个所述过渡充电阶段是为了在性能满足的基础上，满足客户的不同需求，例如：降低充电温升，根据充电时间的需求，在不同的SOC区间使用不同的充电倍率。

在另一些实施例中，所述过渡充电阶段包括第三恒电流充电阶段，所述第三恒电流充电阶段具有第三充电倍率，所述第三充电倍率大于所述第二充电倍率。

所述过渡充电阶段整个过程可以全程以第三恒电流充电阶段进行，直至电池的电量达到所述预设充电状态的SOC值。

步骤S40：当所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC时，控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％；

由于电池在所述第二恒电流充电阶段过程中，所述硅材料在所述第一恒电流充电阶段会存在部分锂离子嵌入硅材料中，并且因为所述第一恒电流充电阶段采用的充电倍率较大，因此所述负极极片的硅材料存在一定的膨胀应力，因此本阶段采用小于所述第一充电倍率的第二充电倍率的第二恒定电流进行充电，可以及时释放硅材料的膨胀应力，改善所述电池因为充电造成的硅颗粒损坏现象，提高所述电池的循环能力。

本申请不同实施例之间对所述电池执行步骤S10和步骤S20的流程是一样的，不同的是所述电池在执行完步骤S10和步骤S20后采用的充电流程不同，以下是对不同实施例所述电池在执行步骤S30至步骤S40采用不同充电流程的详细说明。各实施例和对比例充电流程及充电性能如下表1所示(为简便表达充电流程，表1中充电流程简写，相关符号含义如下：CC，Constant Current，表示恒电流充电阶段；CV即Constant Voltage，表示恒电压充电阶段)。

表1各实施例和对比例充电流程及充电性能

实施例1：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为2.9％，负极活性材料的克容量为460mAh/g，具体为，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为94％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.5C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为35min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为8％。所述电池在充满电量的过程中温度升高了15℃。

实施例2：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为2.9％，负极活性材料的克容量为460mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，先采用第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C。然后当SOC为80％时，所述电池切换到过渡充电阶段(步骤S31)，所述过渡充电阶段仅包括第三恒流充电阶段，所述第三恒流充电阶段采用的第三充电倍率为2C，所述电池在第三恒电流充电阶段充电过程中SOC持续增加。当SOC为94％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.5C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为45min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为8％。所述电池在充满电量的过程中温度升高了13℃。

实施例3：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为2.9％，负极活性材料的克容量为460mAh/g时，与实施例2不同的是对所述电池采用如下流程充电，先采用第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C。然后当SOC为70％时，所述电池切入到过渡充电阶段(步骤S31)，所述过渡充电阶段的数量为多个，多个所述过渡充电阶段的充电倍率各不相同。在本实施例中，所述过渡充电阶段的数量为两个，分别为第三电恒流充电阶段和第四恒电流充电阶段，所述第三恒电流充电阶段采用第三倍率对所述电池进行充电，所述第四恒电流充电阶段采用第四倍率对电池进行充电。所述电池进入到所述过渡充电阶段时首先以第三恒电流充电阶段对所述电池进行充电，所述第三恒电流充电阶段采用的第三充电倍率为2C，所述电池在第三恒电流充电阶段充电过程中SOC持续增加。接着当SOC达到80％时切换到第四恒电流充电阶段，所述第四恒电流充电阶段采用的第四充电倍率为1.5C，所述电池在第四恒电流充电阶段充电过程中SOC持续增加。最后当SOC为达到94％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段，所述第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.5C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小剃度减小。所述电池充满电量的时间为50min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为8％。所述电池在充满电量的过程中温度升高了12℃。

实施例4：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为2.9％，负极活性材料的克容量为460mAh/g时，与实施例2不同的是对所述电池采用如下流程充电，先采用第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为1.5C。然后当SOC为50％时，所述电池切换到过渡充电阶段(步骤S31)，所述过渡充电阶段的数量为多个，多个所述过渡充电阶段的充电倍率各不相同。在本实施例中，所述过渡充电阶段的数量为两个，分别为第三电恒流充电阶段和第四恒电流充电阶段，所述第三恒电流充电阶段采用第三倍率对所述电池进行充电，所述第四恒电流充电阶段采用第四倍率对电池进行充电。所述电池进入到所述过渡充电阶段时首先以第三恒电流充电阶段对所述电池进行充电，所述第三恒电流充电阶段采用的第三充电倍率为2C，所述电池在第三恒电流充电阶段充电过程中SOC持续增加。接着当SOC达到80％时切换到第四恒电流充电阶段，所述第四恒电流充电阶段采用的第四充电倍率为3C，所述电池在第四恒电流充电阶段充电过程中SOC持续增加。最后当SOC为达到94％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段，所述第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.5C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小剃度增大。所述电池充满电量的时间为60min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为8％。所述电池在充满电量的过程中温度升高了10℃。

在性能满足基础上，有些客户为了降低充电温升，会在第二恒流阶段前增加多个不同倍率的恒流充电阶段(过渡充电阶段)，或者根据充电时间的需求，在不同的SOC区间使用不同的充电倍率，但是相同点在于，在切换至第二恒电流充电阶段时，SOC必须达到预设充电状态。参见实施例1至实施例3，当客户追求快速充满所述电池时，可以取消过渡充电阶段，即步骤S31，此时所述电池的充电速度最快，但是电池的充电温升也最高。客户也可以根据对所述电池在充电过程中的实际温升要求，在第一恒电流充电阶段(步骤S30)结束后加入过渡充电阶段(步骤S31)，并将所述过渡充电阶段划分为多个，并且多个所述过渡充电阶段的充电倍率依次递减。如果客户对所述电池的充电温升要求较高，参见实施例4，可以将所述过渡充电阶段划分为多个，并且多个所述过渡充电阶段的充电倍率依次升高。值得说明的是，多个所述过渡充电阶段的数量包括但不仅限于两个，客户可以根据更严格的温升需求添加所述过渡充电阶段的个数。

实施例5：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为4.7％，负极活性材料的克容量为530mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为90％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.5C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为40min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为8％。

实施例6：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为7.8％，负极活性材料的克容量为650mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为84％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.4C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为45min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为10％。

实施例7：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为11.7％，负极活性材料的克容量为800mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为77％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.4C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为47min，循环能力为1000圈，循环膨胀率为10％。

实施例8：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为16.9％，负极活性材料的克容量为1000mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为75％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.3C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为48min，循环能力为100圈，循环膨胀率为10％。

实施例9：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为42.9％，负极活性材料的克容量为2000mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为55％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.2C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为50min，循环能力为800圈，循环膨胀率为10％。

实施例10：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为53.2％，负极活性材料的克容量为2400mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为47％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.2C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为51min，循环能力为800圈，循环膨胀率为10.5％。

实施例11：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为63.6％，负极活性材料的克容量为2800mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为39％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.2C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为52min，循环能力为800圈，循环膨胀率为12％。

实施例12：

请参阅表1，当负极活性材料中硅元素的含量为81.8％，负极活性材料的克容量为3500mAh/g时，与实施例1不同的是对所述电池采用如下流程充电，所述电池先以第一恒电流充电阶段对电池进行充电(步骤S30)，第一恒电流充电阶段采用的第一充电倍率为3C，然后当SOC为30％(预设充电状态)时，切换至第二恒电流充电阶段(步骤S40)，第二恒电流充电阶段采用的第二充电倍率为0.1C，直至SOC为100％(电池处于满充状态)。在本实施例中，所述电池充满电量的时间为55min，循环能力为800圈，循环膨胀率为15％。

对比本申请的实施例，电池采用传统的充电流程进行充电一般是先以一定倍率恒电流充电，达到截止电压后进行恒压充电，直至达到满充状态。具体请参阅下述对比例。

对比例1：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例1相同，与实施例1不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，当所述电池的电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为800圈，循环膨胀率为10％。

对比例2：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例1、实施例2和实施例3相同，与实施例1、实施例2、实施例3或实施例4不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电至4.25V，然后以4.25V恒电压充电至电流为2C，接着以2C的充电倍率充电至截止电压4.45V，最后以4.45V恒电压充电至满充(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为45min，循环能力为800圈，循环膨胀率为10％。

对比例3：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例4相同，与实施例1不同的是，所述电池的充电流程为：先以1.5C的倍率进行恒电流充电，当所述电池的电压达到4.05V时，切换至以2C的倍率对所述电池进行恒电流充电直至所述电池的电压达到4.25V，切换至以3C的倍率对所述电池进行充电至所述电池的截止电压4.45V，最后以4.45V恒电压充电，直至所述电池满电(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间58min，循环能力为700圈，循环膨胀率为8.5％。在本对比例中，所述电池与实施例4一样都是一开始采用小倍率恒电流对电池进行充电，虽然所述电池在本对比例的充电时间相较于实施例4的充电时间缩短了，但是所述电池的电芯的循环能力和循环膨胀率均发生了恶化。

对比例4：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例5相同，与实施例5不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为700圈，循环膨胀率为12％。

对比例5：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例6相同，与实施例6不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为700圈，循环膨胀率为14％。

对比例6：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例7相同，与实施例7不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为600圈，循环膨胀率为15％。

对比例7：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例8相同，与实施例8不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为600圈，循环膨胀率为16％。

对比例8：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例9相同，与实施例9不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为67min，循环能力为400圈，循环膨胀率为16％。

对比例9：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例10相同，与实施例10不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为45min，循环能力为600圈，循环膨胀率为15％。

对比例10：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例11相同，与实施例11不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为47min，循环能力为600圈，循环膨胀率为17％。

对比例11：

请参阅表1，在本对比例中，所述电池负极活性材料中硅元素的含量与负极活性材料的克容量均与实施例10相同，与实施例10不同的是，所述电池的充电流程为：先以3C的倍率进行恒电流充电，然后当电池电压达到截止电压(4.45V)时，切换至以4.45V恒压充电，直至充满(此时电流为0.025C)。在本对比例中，所述电池充满电量的时间为48min，循环能力为500圈，循环膨胀率为17％。

综上比较上述相应的实施例和对比例可以发现，采用本申请电池充电的控制方法的电池，相较于对比传统电池充电的控制方法的电池，所述电池的充电速度、循环能力以及循环膨胀系数都获得了改善，在提高了所述电池充电速度的同时提高了所述电池的使用寿命。

本申请实施例中，所述电池的部分重要指标测试方法如下：

性能测试：对制备的电芯进行容量，析锂以及不同充电制度流程的循环测试，对比得到最优的充电制度。

电芯额定容量测试：

在25℃下，以0.2C恒定电流将锂离子电池充电至设计截止电压4.45V，然后以4.45V的恒定电压充电至电流为0.05C，静置5min，然后再以1C的恒定电流放电至不同截止电压X(X＝2.5,3.0,3.2,3.4)V，静置2min，取此时的放电容量为电芯的额定容量。

循环测试：

在25℃下，以0.5C恒定电流将锂离子电池充电至4.45V，静置5min，然后0.2C放电，标定电芯容量后，然后按照不同的充电制制度进行充电以此为一个循环，第二次放电容量相比标定的放电容量为容量衰减，依照上述循环，循环到电芯容量衰减至80％截止。此外，在每100圈会测试电芯的厚度。

电芯厚度测试：使用专用测试设备，测试每100圈的电芯厚度/初始的电芯厚度，即为电芯的厚度增长和膨胀水平。

应当说明的是，一般充放电电流的大小常用充放电倍率C来表示，即：充放电倍率＝充放电电流/额定容量。例如：额定容量为100Ah的电池用20A充放电时，其充放电倍率为0.2C，如果用100A充放电，则其充放电倍率则是1C。

在本申请实施例中，通过在电芯的负极极片中加入硅材料提高电芯的能量密度，获取所述电池的预设充电状态，然后以所述第一恒电流阶段对所述电池进行充电直至所述电池达到预设充电状态，接着控制充电模块按照第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，从而减少所述电池充电过程中电芯中的硅材料因为过嵌锂离子发生颗粒破损现象，提高了所述电池的寿命。

本申请还提供一种电池充电的控制装置100，包括：获取模块200、计算模块300、第一控制模块400以及第二控制模块500。所述获取模块200用于获取所述负极极片中硅元素在负极活性材料的重量百分比，所述计算模块300用于根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC，所述第一控制模块400用于控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态。所述第二控制模块500用于控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％。

本申请还提供一种充电设备实施例，包括：充电模块1、至少一个处理器2，以及，与所述至少一个处理器2通信连接的存储器3。所述充电模块1用于与电池连接，所述存储器3存储有可被所述至少一个处理器2执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器2执行，以使所述至少一个处理器2能够执行如上述任一实施例所述的控制方法。

需要说明的是，本申请的说明书及其附图中给出了本申请的较佳的实施例，但是，本申请可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本申请内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本申请说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池充电的控制方法，所述电池包括负极极片，所述负极极片上设置有负极活性层，所述负极活性层包含负极活性材料，所述负极活性材料含有硅元素，其特征在于，

所述电池的充电过程包括第一恒电流充电阶段和第二恒电流充电阶段，所述的第一恒电流充电阶段具有第一充电倍率，所述的第二恒电流充电阶段具有第二充电倍率，所述第一充电倍率大于所述第二充电倍率；

所述控制方法包括：

获取所述负极极片中所述硅元素占所述负极活性材料的重量百分比，所述负极活性材料的克容量与所述硅元素占负极活性材料的百分含量满足模型(1)；

根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC；

控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电；

当所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC时，控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％；

其中，所述模型(1)为：X＝a(1-Z)+bZ，340mAh/g≤a≤357mAh/g，3000mAh/g≤b≤4200mAh/g；所述模型(2)为：Y＝-0.0005X+1.1651,357＜X≤800，Y＝-0.0002X+0.9547,800＜X≤3500；X为所述负极活性材料的克容量，单位为mAh/g，Z为所述硅元素占所述负极活性材料的重量百分比，Y为预设充电状态的SOC，即为第二恒电流充电阶段开始时,电池的充电状态SOC。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，

所述电池的充电过程包括过渡充电阶段，所述过渡充电阶段的充电倍率大于所述第二充电倍率；

所述控制方法还包括：在所述第二恒电流充电阶段之前，控制充电模块按过渡充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

所述过渡充电阶段的数量为多个，多个所述过渡充电阶段的充电倍率各不相同。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小逐渐减小。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，多个所述过渡充电阶段的充电倍率大小逐渐增大。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，

所述过渡充电阶段包括第三恒电流充电阶段，所述的第三恒电流充电阶段具有第三充电倍率，且所述的第三充电倍率大于所述第二充电倍率。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，

所述第一充电倍率小于或等于电池最大充电倍率。

8.如权利要求1所述的控制方法，所述硅元素占所述负极活性材料的重量百分比为Z，其中0＜Z≤85％。

9.一种电池充电的控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，获取负极极片中硅元素占负极活性材料的重量百分比；

计算模块，用于根据所述负极活性材料的克容量，并且结合预设计算模型(2)，计算预设充电状态的SOC；

第一控制模块，用于控制充电模块按第一恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的电量达到所述预设充电状态的SOC；

第二控制模块，用于控制所述充电模块按第二恒电流充电阶段对所述电池进行充电，直至所述电池的充电状态SOC为100％。

10.一种充电设备，其特征在于，包括：

充电模块，用于与电池连接；

至少一个处理器，以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-8任一项所述的方法。

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