CN116746020A - 增加电池电芯的放电容量的方法和适用于这种方法的充电系统 - Google Patents

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Abstract

一种增加设有充电/放电端子的电池电芯的放电容量(Qdisch)的方法，能够利用流动的充电电流向端子施加充电电压，所述方法包括：所述电池电芯的多个充电循环，所述充电循环中的各个充电循环包括以下步骤：‑施加多个恒定电压级Vj，其中Vj+1>Vj，j＝1、2、…、k，各个电压级包括间歇的nj个电压平台；‑在电压级内的两个相继的电压平台之间，使所述充电电流静置(I＝0A)达静置时段公式(I)，‑在电压级Vj内的两个相继的电流静置时间公式(II)和公式(III)之间，并且在待定的电压平台内，检测从初始值公式(IV)下降的流动的脉冲状电流达到最终值公式(v)，其中公式(VI)，‑结束所述待定的电压平台，以使所述流动的脉冲状电流下降至零达静置时间公式(VII)，并且所述电压偏离Vj，‑在经过了静置时间公式(VIII)之后，将所述电压施加回至Vj。‑当公式(VIX)p＝nj达到阈值公式(X)时，启动从电压级Vj到下一级Vj+1的转变，‑将下一级Vj+1计算为＝Vj+DV(j)，其中DV(j)与电流变化公式(XI)p＝nj相关，‑在预定极限温度下监测所述电池电芯的温度，‑继续进行所述充电循环，直到放电容量达到大于所述额定容量的预定目标容量。

Description

增加电池电芯的放电容量的方法和适用于这种方法的充电 系统
本专利申请要求于2020年10月26日提交的新加坡专利申请No.10202010561W的优先权。
技术领域
本发明涉及增加电池电芯(battery cell)的放电容量的方法。本发明还涉及适用于这种方法的充电系统。
背景技术
与运行于环境温度下的其它可再充电电池(诸如基于碱性电解质和酸性电解质的电池)相比，锂离子电池(lithium-ion battery，LIB)在能量密度(Ed)、功率密度(Pd)、寿命期限、运行温度范围、缺乏记忆效应、越来越低的成本以及可回收性方面显示出最佳的组合性能。
LIB市场呈指数级扩展，以涵盖三个主要应用：a)移动电子设备(mobileelectronics，ME)(手机、手持设备、膝上型个人计算机、……)；b)电动车(electromobility，EM)(电动自行车、电动汽车、电动公共汽车、无人机、航天器、船舶、……)；以及c)固定储能系统(energy storage system，ESS)(发电厂、建筑物/住宅、清洁能源(太阳能、风能、……)、工业、电信、……)。
LIB增长最快的细分市场是电动车市场。
在电动车方面，能量密度与任何电动车辆(electric vehicle，EV)的运行时间和行驶里程有关。当使用固定重量(kg)和体积(l)的电池组时，更高的Ed提供更长的行驶里程。
LIB的能量密度自其商业化以来一直稳定提高。然而，近年来显示，Ed的增长减慢，并且在电芯级具有约250Wh/kg和700Wh/l的平台(plateau)。
由于Ed和Pd的限制，因此，目前主要由LIB供电的EV具有每次充满电约250km至650km的行驶里程以及超过60min的完全充电时间。
目前的内燃汽车可以在5min至10min内加满油箱并提供高达900km的行驶里程。
为了确保EV在即将到来的能源转型被公众成功接受，如今最重要的选择是快速充电。目前用于EV的快速充电站在60min以下提供有限的充电量，这是因为：1)过热(达到安全温度极限)，和/或2)过充电(达到安全电压极限)。
在Journal of Energy Storage 6(2016)125-141中公开了用于锂离子电池的常见充电方法，如现有技术图1所示。
除“电压轨迹”方法之外，所有其它LIB充电方法都在充电过程的至少一个步骤中施加恒定电流和/或恒定电压。
当将这些方法用于在不到60分钟内对LIB进行0至100％完全充电(快速充电)时，既没有迹象表明电芯的循环寿命，也没有迹象表明电芯的温度曲线。没有迹象表明这些方法适用于任何电池的化学成分。
参照现有技术图2，典型的CCCV(恒定电流-恒定电压)充电和恒定电流放电曲线，在恒定电流步骤期间，电压从其初始值增加至设定电压值(高达4.4V)。在恒定电压步骤(高达4.4V)期间，电流下降至设定值(此处为0.05C或C/20)。
在静置时间(rest time)期间，电流为零，并且电压下降以达到开路电压(open-circuit voltage，OCV)。
在CC放电期间，电流固定，并且电压下降至极限(此处为2.5V)。
在随后的静置时间期间，电流为零，并且电压增加至新的OCV值。
参照以多级恒流充电曲线(Multistage constant current，MSCC)为特征的现有技术图3，已向电芯相继施加了两个充电电流I1和I2(其中，通常I1>I2)。
施加I1直到电压达到第一值V1。然后，施加I2直到电压达到值V2，依此类推。
可以施加其它电流Ij，直到达到电压Vj，其中，V1>V2>V3>……Vj>Vj+1。
当达到目标容量或者达到电压上限或者达到温度极限时，MSCC充电过程结束。
CCCV和MSCC是如今锂离子电池中最流行的充电方法。如果完全充电时间超过2小时，则CCCV和MSCC是简单且方便的方法。
CCCV和MSCC两者都基于施加一个或若干个充电恒定电流(constant current，CC)直至预设电压极限，然后通过施加恒定电压(constant voltage，CV)进行CCCV。
CCCV和MSCC两者实际上都不能被用于在不到一个小时内对电池进行充电，这是因为：1)生成过多的热；2)阳极侧上的锂金属镀敷，这可能产生内部短路和热失控事件；3)由于加速老化而缩短电池寿命。
而且，当用于对串联连接的电池电芯进行充电时，CCCV需要电芯平衡，如例如在Amin等人的论文“Implementation of a LiFePO4 battery charger for cell balancingapplication”/Journal of Mechatronics,Electrical Power,and VehicularTechnology 9(2018)81-88中所讨论的。
高功率应用所需的有源电芯平衡具有平衡速度慢并因此耗时、开关结构复杂的缺点，它还需要用于开关操作的先进控制技术。
在发布于eTransportation 1(2019)100011的论文“Lithium-ion battery fastcharging:a review”中对快速充电(Fast charging，FC)协议进行了综述。对于充电时间<1h的快速充电，发现了快速充电的问题：热生成、锂镀敷、材料劣化、tch(ΔSOC<100％)内的有限电荷吸收、循环寿命缩短、安全性、以及热失控。
Journal of Energy Storage 29(2020)101342中的论文陈述了快速充电中的CCCV限制，并且公开了当总充电时间(Total Charge Time，TCT)＝CCCT+CVCT减少时，循环寿命减少。
如在eTransportation 1(2019)100011中所陈述的，迄今为止，尚不存在可靠的机载方法来检测关键劣化现象(诸如锂镀敷或机械破裂)的发生。用于基于特征电压平台来检测锂镀敷的技术对于在线应用是有希望的，但是尚未报道完全可靠的方法来区分锂剥离与其它平台诱导现象，或在未观察到平台的情况下检测镀敷。
许多关于快速充电协议的研究都是经验或实验性质的，因此它们的性能仅在电芯化学成分(chemistry)、形状因子、以及运行条件的有限范围内进行了评估。这些结果不能容易地扩展至其它电芯类型或环境温度，正如由不同作者报道的经常矛盾的发现所支持的那样。
电池电芯的额定容量通常是通过利用CCCV工艺对电池电芯充电然后非常缓慢地放电(通常为10hs)来确定的。
目前，世界范围内实施了许多研究项目来增加LIB的容量。这些项目投入了大量预算，而现有电池的实际容量尚未得到探索。
本发明的主要目的是通过提出一种将电池电芯的放电容量增加到超过其自身额定容量的新方法来提出这种昂贵趋势的替代方案，以获得增强型电池。
主要符号和定义
i、I＝电流强度(A、mA、……)
v、V＝电芯电压(以伏特V为单位)
Qch、qch＝充电容量(Ah、mAh、……)
Qdis、qdis＝放电容量(Ah、mAh、……)
Qnom＝电芯的标称容量(Ah、mAh、……)
C-rate＝相对于以小时计的充电时间的电流强度
1C-rate是在1h内实现Qnom所需的电流强度
2C-rate是在0.5h内实现Qnom所需的电流强度
0.5C-rate是在2h内实现Qnom所需的电流强度
SOC＝相对于Qnom的荷电状态(state of charge)(以％为单位)
SOH＝健康状态是电芯的相对于初始Qnom的实际完全容量
SOS＝安全状态，估计的热失控的风险
A＝电压的时间导数(以V.s-1为单位)
ts＝阶跃时间(以s为单位)
tch＝充电时间(以min为单位)
发明内容
利用一种增加电池电芯的放电容量(Qdisch)的方法达到获得增强型电池的目标，所述电池电芯具有额定容量并且设有充电/放电端子，能够利用流动的充电电流向所述充电/放电端子施加充电电压，所述方法包括以下步骤：
-对所述电池电芯实现多个充电循环，所述充电循环中的各个充电循环包括以下步骤：
-施加多个恒定电压级Vj，其中，Vj+1>Vj，j＝1、2、…、k，各个电压级包括间歇的nj个电压平台；
-在电压级内的两个相继的电压平台之间，使所述充电电流静置(I＝0A)达静置时段1≤p≤nj，
-在电压级Vj内的两个相继的电流静置时间与/>之间，并且在待定的(pending)电压平台内，检测从初始值/>下降的流动的脉冲状电流达到最终值/>其中，1≤p≤nj，
-结束所述待定的电压平台，以使所述流动的脉冲状电流下降至零达静置时间并且所述电压偏离Vj，
-在经过了所述静置时间之后，将所述电压施加回至Vj。
-当p＝nj达到阈值/>时，启动从电压级Vj到下一级Vj+1的转变，
-将所述下一级Vj+1计算为＝Vj+DV(j)，其中，DV(j)与电流变化 p＝nj相关，并且/>是以下参数的函数：i、V、/>T、SoC(荷电状态)、SOH(健康状态)，
-在预定极限温度下监测所述电池电芯的温度，
-继续进行所述充电循环，直到所述放电容量达到大于所述额定容量的预定目标容量。
该计算步骤实现了诸如电压上限和/或阶跃时间和/或电压阶跃转变的电压阶跃DV和/或ΔI/Δt之类的参数。
继续进行充电循环，直到达到以下条件中的任一条件：
-达到预设充电容量或荷电状态(SOC)，
-电芯温度超过预设极限值Tlim，以及
-电芯电压已经超过预设极限值Vlim。
本发明的方法还可以包括根据包括针对C-rate、电压以及充电时间的充电指令的输入来确定K值和电荷阶跃(charge step)的初始步骤，以及通过应用非线性电压方程并且使用K值和ΔC-rate来检测Cshift阈值的步骤，从而导致确定移位电压的步骤。
可以将该方法应用于串联和/或并联布置的电池电芯的组合。
本发明的方法还可以包括在所述电池电芯中收集与所述电池电芯的额定容量相关的数据的步骤，并且该收集步骤可以包括读取所述电池电芯上的QR码。
根据本发明的另一个方面，提出了一种用于对具有额定放电容量的电池电芯进行快速充电的系统，所述系统实现根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述系统包括电子转换器，所述电子转换器被连接至电源并且被设计用于向电池电芯的端子施加充电电压，所述电子转换器是由充电控制器来控制的，所述充电控制器被设计成处理电池电芯的流动电流以及电芯电压测量数据和充电指令数据，其特征在于，所述充电控制器还被设计成控制所述电子转换器以便继续进行多个充电循环，各个充电循环包括以下步骤：
-向所述电池电芯的端子施加多个恒定电压级Vj，其中，Vj+1>Vj，j＝1、2、…、k，各个电压级包括间歇的nj个电压平台；
-在电压级内的两个相继的电压平台之间，使所述充电电流静置(I＝0A)达静置时段1≤p≤nj，
直到所述放电容量达到大于所述额定容量的预定目标容量。
可以继续进行所述充电循环，直到达到以下条件中的任一条件：
-电芯温度超过预设极限值Tlim，以及
-电芯电压已经超过预设极限值Vlim。
在根据本发明的充电系统的具体实施方式中，该充电系统包括用于输入电池电芯或电池系统的额外充电请求的控制装置。
本发明的额外充电系统也可以通过读取附在电池上的QR码来实现自动化。
实现电压分级间歇脉冲充电方法的本发明的额外充电系统的主要特性是：
-总完全(100％ΔSOC)充电时间低于60min以及低于30min；
-VSIP在低于30min的时间内对电池进行完全充电(SOC＝100％)；
-如果ΔSOC<100％(部分充电，举例来说，如从20％到100％，ΔSOC＝80％)，则充电时间甚至更短；
-VSIP期间的电芯电压在LIB中可能超过4.5V，在碱性电芯中可能超过2V并且在铅酸电池中可能超过3V；
-在VSIP期间，电压和电流都不恒定达高于3min的时段。
-在VSIP期间，电芯温度Tcell与环境温度Tamb之间的温差仍保持在25℃以下(Tcell-Tamb<25℃)；
-VSIP运行参数能够根据电芯的SOC、SOH以及SOS调整；
-可以使用人工智能(artificial intelligence，AI，诸如机器学习、深度学习、……)来执行VSIP参数调整；
-将VSIP应用于单独的电池电芯以及串联和并联布置的电芯(电池模块、电池组、电源墙(power wall)、……)；
-两个相继的VSIP电流和电压曲线可以彼此不同。
VSIP是通用充电技术，适用于所有类型的可再充电电池，包括：铅酸电芯、碱性电芯、锂离子电芯、锂聚合物电芯以及固态锂电芯，并且适用于任何应用，包括但不限于，ME、EM以及ESS。
VSIP在60min以下和30分钟以下对电池进行完全充电(从0到100％ SOC)，同时保持电芯温度低于50℃(安全)并提供长的寿命期限。
VSIP可以适用于特定应用(应力测试)的电池质量控制(quality control，QC)。
由于VSIP是一种自适应(adapted)充电方法，因此，它在任何运行状况(功率曲线、温度、……)下都延长了电池的寿命期限。
VSIP相对于电池电芯的额定能量密度增加了这些电池电芯的能量密度。
尽管将VSIP设计用于快速充电，但它也适用于更长的充电时间tch>60min。
VSIP 100％ SOC充电低于20min是可能的，同时保持低温(<45℃)和长循环寿命(>1300#)。
部分充电(ΔSOC<100％)可在10min以下执行。
在VSIP充电的情况下，可以安全地达到4.5V以上的电压。
在VSIP充电期间，没有锂镀敷(lithium plating)的迹象。
利用VSIP充电，在ΔSOC≤100％的情况下可以实现超过1000次充电-放电循环。
可以将VSIP用于：1)电芯的质量控制；2)单个电芯以及串联和并联布置的电芯；3)储存容量提高。
可以将快速充电性能指标用作比较快速充电协议的度量。
而且，利用根据本发明的基于NLV的快速充电方法，不再需要为串联连接的电池电芯的充电提供电芯平衡，因为现在控制的是充电电压。因此，本发明的快速充电方法提供了电池电芯之间的内在平衡。
附图说明
例示现有技术的附图：
图1是现有技术充电方法的示意性描述；
图2例示了典型的CCCV充电和CC放电曲线；
图3例示了多级恒定电流充电曲线(MSCC)；
图4和图5示出了快速充电中的CCCV极限；
例示本发明的附图：
图6例示了在VSIP充电和CC放电循环期间的典型电压和电流曲线；
图7例示了在VSIP充电和CC放电期间的典型电压和电流曲线(此处，完全充电时间为26min)；
图8例示了在VSIP充电期间的典型电压和电流曲线；
图9例示了在具有多个电压级Vj的MVSC期间的典型电压曲线(此处，总充电时间约为35min)；
图10例示了在VSIP充电期间的详细的电压和电流曲线，示出了电压和电流的间歇性；
图11例示了在VSIP充电期间的详细电压和电流曲线，示出了静置时间；
图12例示了在静置时间期间的电压和电流曲线，示出了电压降；
图13示出了在第j级处的电流曲线；
图14示出了在子阶跃(sub-step)j,p处的电流曲线；
图15示出了在跨许多循环的～17min中，在VSIP充电期间典型的DV(j)＝Vj+1–Vj对比时间曲线；
图16示出了在26mn内的VSIP充电期间的电压和所得容量；
图17示出了在26mn内的VSIP充电之后12Ah电芯的放电曲线；
图18例示了线性伏安法对比VSIP；
图19例示了可以彼此不同的两个相继的VSIP充电曲线；
图20例示了VSIP充电电压和电流曲线(60min)；
图21例示了VSIP充电电压和电流曲线(45min)；
图22例示了VSIP充电电压和电流曲线(30min)；
图23例示了VSIP充电电压和电流曲线(20min)；
图24例示了利用VSIP在～16min内进行的80％部分充电；
图25示出了在30min内在VSIP充电期间的温度曲线：LIB的质量控制(QC)的应力测试；
图26示出了良好质量电芯在20min内的VPC期间的温度曲线；
图27示出了VSIP提高了电芯的容量；
图28和图29示出了将VSIP应用于并联的多电芯系统电芯；
图30和图31示出了将VSIP应用于串联的多电芯系统电芯；
图32例示了循环性能指标；
图33是VSIP流程图：贝叶斯优化；
图34是实现本发明的增加放电容量的方法的快速充电系统的示意图；
图35示出了NLV增强型电池C-rate曲线与时间的关系；
图36示出了增强型电池V曲线与时间的关系；
图37示出了增强型放电曲线与时间的关系；
图38示出了增强型电池T曲线与时间的关系；
图39示出了NLV增强型电芯容量与循环次数的关系；
图40示出了在约30min内在NLV充电期间测得的4个串联电芯的电压曲线。
具体实施方式
为了利用基于人工智能(AI)的方法来对实现根据本发明的快速充电方法的控制器进行编程，提出了责任标准(duty criteria)的列表：
-固定充电时间tch
-在tch内到达目标容量
-保持温度受到控制(<60℃)
-实现目标循环次数
-确保电池安全
-提高容量
根据本发明的快速充电方法中的变量是：
-VSIP控制方程A＝ΔV/Δt＝f(i,V,Δi/Δt,T,SOC,SOH)
-充电电流极限
-用于下一电压阶跃(voltage step)的电流触发器
-静置时间
-温度极限
-电压极限
-目标容量极限
使用贝叶斯优化来调整非线性伏安法(Non Linear Voltammetry，NLV)变量。
在各个循环调整NLV变量，以满足以下标准：
参照图6和图7，在第一实施方式中，根据本发明的快速充电(VSIP)方法是在VSIP充电、CC放电循环内的充电序列期间来实现的。在这些曲线中，C-rate代表电池电芯中的电流。
如图8和图9所示，持续时间约为26min的VSIP充电序列包括多个增加的电压级，各个电压级V1、……、Vj、Vj+1、……、Vk包括恒定的电压平台。
如图10和图11所示，在VSIP充电序列中的各个电压平台期间，电压曲线是恒定的，并且在两个相继的平台之间降低至低恒定电压，而C-rate曲线包括在各个平台期间的降低和在两个平台之间的静置时段期间降低至零。
在静置时间期间，如示出详细的电流和电压曲线的图12所示，可以控制电压，以使具有如上所述计算的恒定负值。
如图13所示，电压级j包括响应于施加到电池电芯的端子的电压平台的电流脉冲1、2、3、……、nj。
在电压平台Vj期间，子阶跃j,p处的电流从降低至/>如图15所示。
对于利用根据本发明的快速充电方法操作的大量充电循环，在相继的电压级Vj、Vj+1内的相继的电压平台之间经历的电压变化ΔV总体上随时间减小，如图15所示。
如图16所示，在持续26min完全充电时间的电压充电VSIP序列期间，充电容量Qch连续增加，同时对应的电压曲线包括相继的电压级，各个电压级皆包括电压平台与静置时间。如图17所示，在随后的放电序列期间，放电容量Qdis随着施加到电池电芯的端子的电压而减小。
根据本发明的VSIP快速充电方法明显不同于常规的线性伏安法(LinearVoltammetry，LV)方法，其中相应的截然不同的电压和电流曲线在图18中示出。如图19所示，一个充电/放电VSIP循环与另一充电/放电VSIP循环之间的相应电流和电压曲线可以不同。
当充电时间被修改(例如从60min、45min、30min到20min)时，也观察到电压和电流曲线的可变性(参照相应的图20、图21、图22和图23)。对于60min充电时间，充电序列包括4个电压级(图20)，而对于45min充电时间，充电序列包括8个电压级(图21)。对于30min充电时间，充电序列包括10个电压级(图22)，而对于20min充电时间，充电序列包括4个电压级(图23)。
如图24所示，根据本发明的VSIP充电方法允许在约16min内对锂离子电池组电芯进行80％的部分充电。
参照图25，在30min的VSIP充电期间，电芯A、B以及D的温度升高超过50℃的安全极限。这些电池电芯没有通过VSIP应力测试。只有电芯C通过了应力测试。这意味着所有LIB电芯不能进行快速充电。
因此，还可以将根据本发明的VSIP充电方法用作在快速充电系统中使用电芯之前的应力质量控制(quality control，QC)测试。
参照图26，在优质LIB电芯的充电序列期间，在约20min内达到完全充电，并且电芯的温度不超过32℃。
参照图27，通过调整VSIP参数，诸如电压上限、阶跃时间、电压阶跃转变的ΔV和ΔI/Δt，可以提高放电容量而不损害安全性和寿命期限。
根据本发明的VSIP充电方法可以被实现用于在约35min内对并联组装的4个LIB电芯进行充电，如具有CC放电的图28所示并且如图29所示，该图29是图28的VSIP充电序列期间的电压和电流曲线的详细视图。
参照图30和图31，根据本发明的VSIP充电方法也可以适用于在约35min内对串联的4个e-cig电芯进行充电。
如图40所示，与串联连接的4个电芯相对应并且在约30min的NLV充电期间测得的电压V1、V2、V3以及V4的曲线彼此非常接近，这避免了电芯平衡。
注意，在这种配置中，与CCCV相比，该充电方法是特别有利的，因为它不再需要耗时并且使用能量的有源电芯平衡。
如图32所示，充电和放电容量根据循环次数而发生改变。可以将快速充电循环性能指标Φ计算为：
其中
Φ＝归一化循环性能指标
i＝循环次数
ti＝在第i个循环的充电时间(hr)
＝在第i个循环的放电容量(Ah)
Qnom＝标称容量(Ah)
参照图33和图34，现在描述增强型电池快速充电系统的示例连同所实现的VSIP充电方法。该增强型电池快速充电系统30包括VSIP充电系统10，该VSIP充电系统包括功率电子转换器11，该功率电子转换器被设计用于处理由外部能量源E提供的电能并将可变电压V(t)供应给待充电的电池电芯B。应注意，该电池电芯B可以用串联和/或并联连接的电池电芯系统替换。
VSIP系统10还包括VSIP控制器1，该VSIP控制器被设计用于接收和处理：
-由被置于功率电子转换器11与电池电芯B之间的电流电路中的电流传感器13以及由被置于电池电芯B之上或之中的温度传感器12所提供的测量数据；
-从用户接口收集的指令数据，包括诸如预期C-rate、充电电压指令以及充电时间指令之类的输入。
用户接口6被设计成接收关于电池电芯B的额定容量值和目标容量值的信息以及来自物理或虚拟按钮32的“额外充电”信号作为输入。
还将VSIP控制器1设计成控制转换器10内的功率电子组件，以便根据VSIP方法生成充电电压曲线，直到满足用于结束9充电过程的终止标准中的至少一个终止标准。
增强型电池快速充电方法实现了VSIP方法100，其接收包括额定容量值20和目标容量值21在内的输入数据。
这些VSIP终止标准5包括：
-最小C-rate截止(cut-off)；
-超过安全电压；
-达到充电容量；
-超温。
根据可以由用户作为指令6输入的输入“C-rate”、“电压”以及“经过的充电时间”，VSIP控制器1首先确定初始K值和电荷阶跃。
倘若没有满足充电终止标准并且没有达到C-rate的预定阈值，VSIP控制器1通过在电荷阶跃持续时间内施加电压来启动充电序列2，并且测量作为流入电池电芯的电流的映射(image)的C-rate。
当电流达到预设的C-rate值时，VSIP控制器1切换(commute)到不向电池电芯施加电压的静置时段3。该静置时段的持续时间取决于在电流减小之前测得的C-rate。
如果Cshift达到所确定的阈值8，则VSIP控制器1计算为维持电池电芯的足够电荷所需的移位电压4。该计算基于使用K值和ΔC-rate的NLV方程。然后，施加所计算的移位电压，以将新的电压级施加至电池电芯。
在各个VSIP充电循环结束时进行确定或估计放电容量的步骤22。然后将放电容量的值与目标容量进行比较(步骤23)。只要放电容量没有达到目标容量，就会进行新的VSIP充电循环。当达到目标容量时，本发明的增强型电池充电方法结束。
参照图35至图39，为电动车辆(EV)应用设计的商用LIB在20分钟内利用NLV从0充电至100％ SOC，并以1C-rate放电至2.7V。
然后利用NLV对该电芯充电，其中目标容量比其初始额定容量高7％、10％、13％和27％。
以相同的1C-rate将电芯放电至2.7V，然后确定放电容量。
表1：增强容量测试期间的NLV测试数据
在NLV充电期间，C-rate、电压和温度曲线根据目标容量而变化，如表1所示。
在所有NLV测试中，放电容量与目标容量相同。
在NLV充电测试期间，温度保持低于50C。
相对于目标容量，利用NLV充电期间的最大C-rate几乎恒定。
在不改变其成分的情况下，对于同一电池电芯而言利用NLV充电实现了高达27％的容量增强。
当然，本发明不限于上述示例，在不脱离本发明的范围的情况下可以考虑其它实施方式。

Claims (12)

1.一种增加电池电芯的放电容量(Qdisch)的方法，所述电池电芯具有额定容量并且设有充电/放电端子，能够利用流动的充电电流向所述充电/放电端子施加充电电压，所述方法包括以下步骤：
-对所述电池电芯实现多个充电循环，所述充电循环中的各个充电循环包括以下步骤：
-施加多个恒定电压级Vj，其中，Vj+1>Vj，j＝1、2、…、k，各个电压级包括间歇的nj个电压平台；
-在电压级内的两个相继的电压平台之间，使所述充电电流静置(I＝0A)
达静置时段
-在电压级Vj内的两个相继的电流静置时间与/>之间，并且在待定的电压平台内，检测从初始值/>下降的所述流动的脉冲状电流达到最终值/>其中，1≤p≤nj，
-结束所述待定的电压平台，以使所述流动的脉冲状电流下降至零达静置时间并且所述电压偏离Vj，
-在经过了所述静置时间之后，将所述电压施加回至Vj，
-当p＝nj达到阈值/>时，启动从电压级Vj到下一级Vj+1的转变，
-将所述下一级Vj+1计算为＝Vj+ΔV(j)，其中，ΔV(j)与电流变化 p＝nj相关，并且/>是以下参数的函数：i、V、/>T、SoC(荷电状态)、
SOH(健康状态)，
-在预定极限温度下监测所述电池电芯的温度，
-继续进行所述充电循环，直到所述放电容量达到大于所述额定容量的预定目标容量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算步骤实现诸如电压上限、和/或阶跃时间、和/或电压阶跃转变的电压阶跃ΔV和/或ΔI/Δt之类的参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，继续进行所述充电循环，直到达到以下条件中的任一条件：
-达到预设充电容量或荷电状态(SOC)，
-电芯温度超过预设极限值Tlim，以及
-电芯电压已经超过预设极限值Vlim。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括根据包括针对C-rate、电压以及充电时间的充电指令的输入来确定K值和电荷阶跃的初始步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括通过应用非线性电压方程并且使用K值和ΔC-rate来检测Cshift阈值的步骤，从而导致确定移位电压的步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法被应用于串联和/或并联布置的电池电芯的组合。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法被实现为对串联连接的多个电池电芯充电，其特征在于，所述方法提供所述电池电芯之间的内在平衡。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述电池电芯中收集与所述电池电芯的额定容量相关的数据的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述收集步骤包括读取所述电池电芯上的QR码。
10.一种用于增加电池电芯的放电容量(Qdisch)的系统，所述电池电芯具有额定容量并且设有充电/放电端子，能够利用流动的充电电流向所述充电/放电端子施加充电电压，所述系统实现根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述系统包括电子转换器，所述电子转换器被连接至电源并且被设计用于向电池电芯的所述端子施加充电电压，所述电子转换器是由充电控制器来控制的，所述充电控制器被设计成处理电池电芯的流动电流以及电芯电压测量数据和充电指令数据，其特征在于，所述充电控制器还被设计成控制所述电子转换器以便继续进行多个充电循环，各个充电循环包括以下步骤：
-向所述电池电芯的端子施加多个恒定电压级Vj，其中，Vj+1>Vj，j＝1、2、…、k，各个电压级包括间歇的nj个电压平台，
-在电压级内的两个相继的电压平台之间，使所述充电电流静置(I＝0A)达静置时段
直到所述放电容量达到大于所述额定容量的预定目标容量。
11.根据权利要求10所述的快速充电系统，其特征在于，继续进行所述充电循环，直到达到以下条件中的任一条件：
-电芯温度超过预设极限值Tlim，
-电芯电压已经超过预设极限值Vlim。
12.根据权利要求10或11所述的系统，所述系统被实现为对串联连接的电池电芯的系统进行充电，其中，所述充电控制器还被设计成提供所述电池电芯之间的内在平衡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9559543B2 (en) * 2013-07-19 2017-01-31 Apple Inc. Adaptive effective C-rate charging of batteries
KR102248599B1 (ko) * 2014-05-20 2021-05-06 삼성에스디아이 주식회사 배터리의 충전방법 및 이를 위한 배터리 관리 시스템
EP3164781B1 (en) * 2014-07-02 2020-03-11 Humavox Ltd. Cloud based power management system for electronic devices
US11088402B2 (en) * 2017-01-12 2021-08-10 StoreDot Ltd. Extending cycling lifetime of fast-charging lithium ion batteries
US11848427B2 (en) * 2017-12-07 2023-12-19 Yazami Ip Pte. Ltd. Non-linear voltammetry-based method for charging a battery and fast charging system implementing this method
CN108199109B (zh) * 2018-01-16 2020-10-02 上海应用技术大学 一种退役动力电池包梯次利用的筛选方法

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