CN110313099B - 对电池进行充电的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种对包括多个电池单体的电池进行充电的方法，该方法包括：分别以多个C‑速率对多个电池单体充电；计算多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化和多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化的斜率；以及在其中多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电。
Description
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年11月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0150907号的优先权和权益，通过引用将该专利申请的全部内容结合在此。
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种对电池进行充电的方法和设备。
背景技术
近来，人们对能量存储技术越来越感兴趣。其中，能够容易充电/放电的可再充电电池的开发已成为兴趣的焦点。因为可再充电电池具有可减少化石燃料使用的主要优点和完全不产生由于能量的使用而导致的副产品，所以可再充电电池作为改善环境友好性和能量效率的新能源受到关注。
在现在广泛使用的可再充电电池之中，与相关技术中的使用含水电解质溶液的诸如Ni-MH电池、Ni-Cd电池和硫酸铅电池之类的可再充电电池相比，锂离子电池由于具有更高的工作电压和高得多的能量密度的优点而在各领域中引起关注。
随着诸如移动电话或膝上型计算机之类的便携式电子设备的发展，对作为便携式电子设备的能源的可再充电电池的需求急剧增加。近年来，已经实现使用可再充电电池作为混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)的电源。因此，已对能够满足各种需求的可再充电电池进行了大量研究，特别是，对具有高能量密度、高放电电压和高输出的锂可再充电电池的需求正在增加。
用在电动车辆等中的锂可再充电电池需要具有高能量密度和能够在短时间内表现出高输出的特性，并且需要在短时间内利用大电流对电池进行反复充电和放电的苛刻条件下可用10年或更长时间，使得不可避免地要求锂可再充电电池的输出特性和长寿命特性远优于相关技术中的小型锂可再充电电池的输出特性和长期寿命特性。
特别是，快速充电往往取决于负极的性质。因此，必须防止负极的过度充电，降低负极的电阻并且增加充电状态，从而防止在负极的表面上发生锂金属的沉淀。因而，需要开发在快速充电环境下防止负极特性劣化并且加速锂离子在活性材料中扩散的电解质。
特别是，顾名思义使用锂(Li)的电池的锂可再充电电池具有很高的能量密度且并较轻，但是缺点在于锂可再充电电池可容易形成枝晶，因而是危险的。具体来说，通过在对电池进行充电时从正极释放的Li离子移动至负极的过程，电力得到存储。在该过程中，在充电的初始阶段从正极释放的Li离子通过电解质进入负极，并且在材料之间的界面处发生极化现象，这导致了过电压。此时，如果与流动的电流量相比，可移动的离子不足，则锂离子由于过电压而沉淀。锂沉淀不仅由锂离子的移动引起，而且还由电阻引起，离子的移动与电极的孔隙率等密切相关。孔隙率越高，Li离子的迁移率越大，但电接触表面的高度减小，使得需要适当调节孔隙率(porosity)，但很难适当调节孔隙率。特别是，存在高孔隙率自然导致低能量密度的问题。由于该原因，将使用Li金属(Li-metal)作为负极的可再充电电池商业化的第一次尝试由于安全性问题而失败。
此外，由于已沉淀的锂金属周围的副反应而导致大量副产物累积，并且循环(cycle)性能劣化，在严重的情况下，副产物可冲破隔膜，从而引起微小短路(short)，并且导致***等。
因而，许多研究人员已经设计出一种抑制这种Li镀敷(Li-plating)的方法，但是在目前需要越来越高的能量密度的情况下还没有获得令人满意的结果。
特别是，当在需要快速充电的可再充电电池中离子电导率降低时，由于与流动的电流量相比离子不足，导致在负极处产生过电压，结果，负极表面上的Li镀敷可恶化。因此，需要一种在不引起Li镀敷的情况下实现快速充电的技术。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供一种具有缩短充电时间的优点的对电池进行充电的方法和设备。
本发明还致力于提供一种具有在抑制电池的Li镀敷的同时缩短充电时间的优点的对电池进行充电的方法和设备。
本发明还致力于提供一种具有在防止电池的过电压的同时缩短充电时间的优点的对电池进行充电的方法和设备。
本发明还致力于提供一种具有改善的容量保持的对电池进行充电的方法和设备。
技术方案
本发明的一个示例性实施方式提供了一种对包括多个电池单体的电池进行充电的方法，所述方法包括：分别以多个C-速率(C-rate)对所述多个电池单体进行充电；计算所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化(dV/dQ)和所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化的斜率；以及在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电。
此外，在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电可包括：以脉冲(pulse)形式在所述区段中执行多次放电。
此外，以脉冲形式在所述区段中执行多次放电可包括：以脉冲形式在所述区段中执行比预先设定的预定次数多的次数的多次放电。
此外，所述方法可进一步包括：在所述区段之后以脉冲形式执行多次放电。
本发明的另一个示例性实施方式提供了一种对包括多个电池单体的电池进行充电的设备，其中对电池进行充电的所述设备配置为：分别以多个C-速率(C-rate)对所述多个电池单体进行充电，计算所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化(dV/dQ)和所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化的斜率，以及在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电。
此外，配置为在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电的对电池进行充电的所述设备可以是配置为以脉冲(pulse)形式在所述区段中执行多次放电的对电池进行充电的设备。
此外，配置为以脉冲形式在所述区段中执行多次放电的对电池进行充电的所述设备可以是以脉冲形式在所述区段中执行比预先设定的预定次数多的次数的多次放电的对电池进行充电的设备。
此外，所述设备可进一步配置为在所述区段之后以脉冲形式执行多次放电。
有益效果
根据本发明的示例性实施方式，提供了一种能够缩短充电时间的对电池进行充电的方法和设备。
此外，根据本发明的示例性实施方式，提供了一种能够在抑制电池的Li镀敷的同时缩短充电时间的对电池进行充电的方法和设备。
此外，根据本发明的示例性实施方式，提供了一种能够在防止电池的过电压的同时缩短充电时间的对电池进行充电的方法和设备。
此外，根据本发明的示例性实施方式，提供了一种具有改善的容量保持的对电池进行充电的方法和设备。
附图说明
图1是图解根据相关技术中的恒流恒压(CCCV)充电方法，充电电流与充电电压之间的关系的示图。
图2是图解在根据本发明一示例性实施方式的充电方法中，相对于充电状态的充电电压轮廓和电压变化的曲线图。
图3是图解在根据本发明一示例性实施方式的充电方法中，在敏感区段中相对于充电容量的充电电压轮廓的曲线图。
图4是图解在根据本发明另一示例性实施方式的充电方法中，在敏感区段之后相对于充电容量的充电电压轮廓的曲线图。
图5是图解在根据本发明一示例性实施方式的充电方法中，相对于循环次数的放电容量的曲线图。
图6是图解在根据本发明一示例性实施方式的充电方法中，相对于循环次数的能量保持的曲线图。
具体实施方式
相关技术中的电池充电方法包括：从充电的初始阶段到完成阶段以恒定电流对电池进行充电的恒流(CC)方法、从充电的初始阶段到完成阶段以恒定电压对电池进行充电的恒压(CV)方法、以及在充电的初始阶段以恒定电流对电池进行充电并且在充电结束时以恒定电压对电池进行充电的恒流(constant current mode)-恒压(constant voltage mode)充电方法(以下称为CCCV充电方法)。
恒流(CC)方法可指给电池提供恒流电力一直到预先确定的设定电压为止来对电池进行充电的方法。在执行恒流充电时，电池的电压可随电池的充电量(或充电值)而增加。就是说，随着充电进行，电池的电压可增加并且达到预先确定的设定电压，可基于作为充电对象的电池的充电值来设置设定电压。例如，在具有4.2V额定电压的锂离子电池中，当锂离子电池的充电值为20％时，可将3.9V设为设定电压。就是说，可基于电池的充电值来实现恒流充电的完成并且切换到下一步骤的充电方法。当执行多次恒流充电时，每次恒流充电可具有与其对应的设定电压。
此外，恒压(CV)方法可指当执行了紧邻的前面的恒流充电并且电池的电压达到设定电压时，在减小充电电流的同时对电池进行充电以便维持该设定电压的方法。例如，在具有4.2V额定电压的锂离子电池中，如果锂离子电池的电压由于紧邻的前面的恒流充电而达到4.35V的设定电压，则在恒压充电期间，可在减小充电电流的同时对电池进行充电，以便维持4.35V。
图1是图解根据相关技术中的CCCV充电方法，充电电流与充电电压之间的关系的示图。
如图1中所示，恒流(constant current mode)-恒压(constant voltage mode)充电方法(以下称为CCCV充电方法)是以最大电流对电池进行充电一直到达到预定电池电压为止，并且当达到预定电池电压时，在逐渐减小充电电流的同时对电池进行充电的方法。
在本申请中，“C”也被称为C-速率(C-rate)，是在对电池进行充电和放电时用来设定各种使用条件下的电流值并且预测或指示电池的可用时间的单位，通过将充电或放电电流除以电池的额定容量来计算基于充电/放电速率的充电/放电电流值。
此外，SOC指的是电池的充电状态(State Of Charge：SOC)。
此外，本发明涉及一种电池充电方法，并且电池是锂离子电池。
然而，可以以各种形式修改根据本发明的示例性实施方式，不应将本发明的范围解释为限于下面要描述的示例性实施方式。提供本发明的示例性实施方式是为了向本领域普通技术人员更完整地解释本发明。
在本发明的示例性实施方式中，电池指的是锂离子电池，当通过CC/CCCV方法以驱动电压(例如4.1V)对电池进行充电时，SOC在30分钟内达到50％。
本发明的示例性实施方式在执行CC充电之后使用CCCV充电方法，但是本发明不限于此，在此将省略CC充电方法的详细描述和CC充电方法以避免重复。
本发明的示例性实施方式使用分步充电方法，分步充电方法通过将充电方法分成预定数量的步骤(setp)并且针对电池的每一充电量应用适合的充电方法(例如，降低C-速率)来实现缩短充电时间，但是本发明不限于此，分步充电方法可使用相关技术，从而在此将省略其详细描述。
此外，根据本发明的示例性实施方式，在CCCV充电方法中，在SOC区段中划分出具有较大C-速率灵敏度的区域(以下称为敏感区段)，并且以脉冲(pulse)形式在敏感区段中执行多次短暂放电(反向脉冲，reverse pulse)，从而减少Li镀敷。
下文中，将详细描述通过在敏感区段中执行多次放电而能够减少Li镀敷的根据本发明的电池充电方法。
图2是图解在根据本发明示例性实施方式的充电方法中，相对于充电状态(SOC)的充电电压轮廓(Voltage)和电压变化(dV/dQ)的曲线图。
下文中，将参照图2更详细地描述根据本发明的电池充电方法。
参照图2，以多个C-速率(例如，2.5C、2.0C、1.0C、0.5C和0.2C)对电池进行CCCV充电，计算与多个C-速率对应的多个电池单体的电压变化(dV/dQ)和电压变化的斜率，并且根据SOC任意设定出多个预定的区段p1至p5。
在根据本发明的电池充电方法中，在多个C-速率中的每一个C-速率下电压变化(dV/dQ)之间具有斜率偏差的部分处，设定其中执行多次，即，执行比预先设定的预定次数多的次数(例如10次)的短暂放电的区段。
此外，在根据本发明的电池充电方法中，将其中在多个C-速率下电压变化(dV/dQ)之间的斜率偏差等于或大于预定基准值的区段(p2，SOC为5至25的区段)设定为敏感区段。在敏感区段中，充电受C-速率的影响最显著，因此在敏感区段中，以脉冲(pulse)形式执行多次，即，执行比预先设定的预定次数多的次数的短暂放电。由于相关技术可用于分步充电方法，因此在此将省略分步充电方法的详细描述。
下文中，将参照图3至图6详细描述在根据本发明示例性实施方式的充电方法中的敏感区段中的充电方法。
图3是图解在根据本发明一示例性实施方式的充电方法中，在敏感区段中相对于充电容量(Capacity，mAh)的充电电压轮廓(Voltage)的曲线图。
图4是图解在根据本发明另一示例性实施方式的充电方法中，在敏感区段之后相对于充电容量(Capacity，mAh)的充电电压轮廓(Voltage)的曲线图。
参照图3，根据本发明一示例性实施方式的充电方法以1C(例如，4850mA)将电池一直充电至截止电压(例如，4.1V)，在敏感区段中以脉冲(pulse)形式执行多次，例如10次短暂放电，并且以1C将电池一直放电至2.5V。
此外，参照图4，根据本发明另一示例性实施方式的充电方法以1C(例如，4850mA)将电池一直充电至截止电压(例如，4.1V)，在敏感区段之后的区段(例如，p4和p5：SOC为40至90的区段)中以脉冲(pulse)形式执行多次，例如10次短暂放电，并且以1C将电池一直放电至2.5V。
图5是图解在根据本发明示例性实施方式的充电方法中，相对于循环次数的放电容量的曲线图。
图6是图解在根据本发明示例性实施方式的充电方法中，相对于循环次数的能量保持(Energy Retention)的曲线图。
参照图5和图6，可以看出，根据本发明一示例性实施方式的充电方法在敏感区段中执行多次短暂放电，使得与比较例相比能量保持增加。此外，可以看出，根据本发明另一示例性实施方式的充电方法在敏感区段之后的区段中执行多次短暂放电，使得与比较例相比能量保持增加。
此外，根据本发明一示例性实施方式的充电方法和根据本发明另一示例性实施方式的充电方法在以高C-速率(例如，1C)对电池进行充电时执行多次放电，从而减轻充电时的过电压。此外，根据本发明一示例性实施方式的充电方法和根据本发明另一示例性实施方式的充电方法，通过执行多次放电可预期到抑制Li镀敷的效果。
因而，可以看出，与比较例相比，根据本发明一示例性实施方式的充电方法和根据本发明另一示例性实施方式的充电方法，能量保持增加。
此外，根据本发明示例性实施方式的电池充电设备以多个C-速率(例如，2.5C、2.0C、1.0C、0.5C和0.2C)对电池进行CCCV充电，计算与多个C-速率对应的多个电池单体的电压变化(dV/dQ)和电压变化的斜率，并且根据充电状态(SOC)任意设定多个预定的区段(p1至p5)。
此外，根据本发明示例性实施方式的电池充电设备在多个C-速率中的每一个C-速率下电压变化(dV/dQ)之间具有斜率偏差的部分处，设定其中执行多次，即，执行比预定次数多的次数的短暂放电的区段。
此外，根据本发明示例性实施方式的电池充电设备将其中在多个C-速率下电压变化(dV/dQ)之间的斜率偏差等于或大于预定基准值的区段(p2，SOC为5至25的区段)设定为敏感区段。在敏感区段中，充电受C-速率的影响最显著，因此在敏感区段中，执行多次，即，执行比预定次数多的次数的短暂放电。
此外，根据本发明示例性实施方式的电池充电设备以1C(例如，4850mA)将电池一直充电至截止电压(例如，4.1V)，在敏感区段中执行多次，例如10次短暂放电，并且以1C将电池一直放电至2.5V。
此外，根据本发明示例性实施方式的电池充电设备以1C(例如，4850mA)将电池一直充电至截止电压(例如，4.1V)，在敏感区段之后的区段(例如，p4和p5：SOC为40至90的区段)中执行多次，例如10次短暂放电，并且以1C将电池一直放电至2.5V。
Claims (8)
1.一种对包括多个电池单体的电池进行充电的方法，所述方法包括：
分别以多个C-速率对所述多个电池单体进行充电；
在所述多个C-速率中的每一个C-速率下，计算所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化和所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化的斜率；以及
在所述多个C-速率中的每一个C-速率下，在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电包括：
以脉冲形式在所述区段中执行多次放电。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
以脉冲形式在所述区段中执行多次放电包括：
以脉冲形式在所述区段中执行比预先设定的预定次数多的次数的多次放电。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
在所述区段之后以脉冲形式执行多次放电。
5.一种对包括多个电池单体的电池进行充电的设备，其中所述设备配置为：
分别以多个C-速率对所述多个电池单体进行充电，
在所述多个C-速率中的每一个C-速率下，计算所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化和所述多个电池单体中的每一个电池单体的电压变化的斜率，以及
在所述多个C-速率中的每一个C-速率下，在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电。
6.根据权利要求5所述的设备，其中配置为在其中所述多个电池单体的电压变化的斜率之间的偏差等于或大于预定基准值的区段中执行多次放电的对电池进行充电的所述设备是：
配置为以脉冲形式在所述区段中执行多次放电的对电池进行充电的设备。
7.根据权利要求6所述的设备，其中配置为以脉冲形式在所述区段中执行多次放电的对电池进行充电的所述设备是：
以脉冲形式在所述区段中执行比预先设定的预定次数多的次数的多次放电的对电池进行充电的设备。
8.根据权利要求7所述的设备，其中对电池进行充电的所述设备进一步配置为：
在所述区段之后以脉冲形式执行多次放电。
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