CN112713323B - 一种锂离子电池快速充电方法和锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池快速充电方法和锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种锂离子电池快速充电方法和锂离子电池。一种锂离子电池快速充电方法包括：检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态，极限荷电状态为在第一电流下对锂离子电池充电，锂离子电池开始析锂的荷电状态；根据第一电流和极限荷电状态得到对应关系；根据对应关系制定充电流程；根据充电流程对锂离子电池充电。通过检测预设条件下与第一电流对应的极限荷电状态，只需要进行一次实验，就可以得到不同充电电流与其对应的极限荷电状态的对应关系，根据对应关系进行充电，可以防止充电电流过大引起的析锂。

Description

一种锂离子电池快速充电方法和锂离子电池
技术领域
本申请涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池快速充电方法和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为当前应用最为广泛的二次电池，存在着无可替代的优势。锂离子电池的充电过程主要是锂离子在正极的脱出及负极的嵌入，此过程速率受诸多电化学过程速率的影响。以普遍使用的石墨负极体系来说，在温度较低或充电电流过大时，负极极化较大，此时在负极表面发生析锂现象，这不仅影响电池的充电效率且具有极大的安全风险。相关技术中，多步多阶段快充方法虽然应用较为方便，但在方法制定阶段需要通过大量实验来确定分多少个阶段、每个阶段的充电电流，对于高容量的大型锂离子电池来说实验耗时长且成本高，实用性较差。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种锂离子电池快速充电方法，能够只进行一次实验，得到快速充电时的充电电流变化关系，进行快速充电且不会发生析锂。
根据本申请的第一方面实施例的一种锂离子电池快速充电方法，包括：检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态，所述极限荷电状态为在所述第一电流下对所述锂离子电池充电，所述锂离子电池开始析锂的荷电状态；根据所述第一电流和所述极限荷电状态得到对应关系；根据所述对应关系制定充电流程；根据所述充电流程对所述锂离子电池充电。
根据本申请实施例的一种锂离子电池快速充电方法，至少具有如下有益效果：通过检测预设条件下与第一电流对应的极限荷电状态，只需要进行一次实验，就可以得到不同充电电流与其对应的极限荷电状态的对应关系，根据对应关系进行充电，可以防止充电电流过大引起的析锂。
根据本申请的一些实施例，所述检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态的步骤，具体为：检测所述锂离子电池在第一温度和第一健康状态条件下，与第一电流对应的极限荷电状态。
根据本申请的一些实施例，所述检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态的步骤，具体为：根据第一电流条件下，所述锂离子电池的负极电位为零时的荷电状态，确定所述极限荷电状态。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述第一电流和所述极限荷电状态得到对应关系的步骤，具体为：根据所述第一电流和所述极限荷电状态，计算初始充电电流，根据所述初始充电电流，得到所述对应关系。
根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池为三电极电池。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述对应关系制定充电流程的步骤，具体为：判断所述锂离子电池的充电条件，根据所述充电条件确定所述对应关系，根据所述对应关系制定充电流程。
根据本申请的一些实施例，所述充电条件包括电池的温度、健康状态和荷电状态。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述充电流程对所述锂离子电池充电的步骤，具体为：若充电电流大小小于预设阈值，停止对所述锂离子电池充电。
根据本申请的第二方面实施例的一种锂离子电池快速充电方法，包括上述第一方面的一种锂离子电池快速充电方法。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：
图1为本申请实施例一种锂离子电池快速充电方法的流程图；
图2为本申请实施例荷电状态与负极电位关系的曲线图；
图3为本申请实施例理想状态下充电电流与时间的曲线图；
图4为本申请实施例充电电流与极限荷电状态的曲线图；
图5为本申请实施例充电的具体流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
术语解释：
荷电状态(State Of Charge，SOC)：电池当前电量与电池满充电量的比值，范围为0-100％。
健康状态(State Of Health，SOH)：电池当前最大放电量与新电池最大放电量的比值，范围为0-100％。
电池管理***(Battery Management System，BMS)：用于检测电池的当前状态，并根据检测结果调整充放电电流，防止电池过放或过充。
一些实施例，参照图1，本申请提出一种锂离子电池快速充电方法，包括：
110，检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态；
120，根据第一电流和极限荷电状态得到对应关系；
130，根据对应关系制定充电流程；
140，根据充电流程对锂离子电池充电。
示意性示例，锂离子电池在进行恒流充电的过程中，当电池的荷电状态不断增大时，嵌入负极的锂离子数量不断增加，负极接收锂离子嵌入的速率会相应减小，若此时充电电流大小依然保持不变，负极则无法快速及时的完成嵌锂，从而导致析锂，影响电池的使用。本申请的极限荷电状态为在特定大小的恒流充电电流充电的情况下，锂离子电池刚开始析锂时电池的荷电状态。不同大小的恒流充电电流，其极限荷电状态也不同，通过检测在预设条件，与第一电流对应的极限荷电状态，通过计算，可以得到不同充电电流大小与其对应的极限荷电状态之间的对应关系，从而制定在充电时不会使电池产生析锂的充电流程，通过电池管理***执行对应的充电流程，对锂离子电池进行充电，从而完成安全的快速充电。本申请只需要检测在预设条件下，其中一组充电电流与其对应的极限荷电状态，就可以得到不同充电电流下，与其对应的不同极限荷电状态的关系曲线，减少前期检测的试验次数，方便制定对应的充电流程。
一些实施例，检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态的步骤，具体为：检测锂离子电池在第一温度和第一健康状态条件下，与第一电流对应的极限荷电状态。
锂离子电池在刚出厂与使用一段时间后其健康状态会发生改变，影响其最大放电量，且锂离子电池在不同的温度条件下，其容量也不同，因而与其对应的极限荷电状态也不同。通过检测在特定的预设条件下锂离子电池的温度与健康状态，并得到对应关系，根据此对应关系制定的充电流程更加准确，通过检测电池充电时的温度与健康状态再对锂离子电池充电，对锂离子电池的充电保护效果更佳。在一些其它实施例中，也可以只根据当前的电池温度或者其健康状态，得到与其的对应关系，相应的充电流程也会产生改变。
一些实施例，检测锂离子电池在预设条件下，与第一电流对应的极限荷电状态的步骤，具体为：根据第一电流条件下，锂离子电池的负极电位为零时的荷电状态，确定极限荷电状态。示例，检测极限荷电状态的方式为，当锂离子电池开始析锂时，其负极的电位能达到，甚至低于析锂电位，此时会在负极表面发生析锂现象，因此在负极电位为零时的荷电状态，即为锂离子电池将要析锂的极限荷电状态。参照图2，为在恒流充电的情况下，锂离子电池的SOC与负极电位之间的关系曲线，当负极电位Va为0时，对应的SOC即为SOC极限。
一些实施例，根据第一电流和极限荷电状态得到对应关系的步骤，具体为：根据第一电流和极限荷电状态，计算初始充电电流，根据初始充电电流，得到对应关系。具体示例，根据现有研究可得，锂离子电池在充电过程中存在最佳充电曲线，参照图3，对于温度为T，健康状态为SOH的锂离子电池，其最佳充电电流I与时间t满足：
I＝I0e-at(a＞0) (1)
式(1)中I为t时刻的最佳充电电流，I0为初始充电电流，a为充电接收系数，I0与a仅与充电时的温度T、健康状态SOH、电池的类型、结构参数有关，其中充电可接受区为在特定时间，充电电流允许的大小范围，在充电可接受区内充电，电池不会因电流过大产生析锂，在充电不可接受区内充电时，会使电池过充，影响电池寿命。
按照式(1)的最佳充电曲线，得到电池充电时，电池最佳充电电量Q与时间t的关系：
Figure GDA0002974194800000041
当t趋近于正无穷时，此时的电池充电电量为电芯的满充电量Q0，
Figure GDA0002974194800000042
在t时刻，当充电电流为I时，电池的荷电状态为在电流I下不发生析锂的极限荷电状态SOC极限，此时SOC极限满足：
Figure GDA0002974194800000043
因此只需要测得I0，即可得到充电电流与极限荷电状态的对应关系。
下面以一个具体实施例，详细描述得到对应关系的步骤。在25℃、SOH为100％的条件下，以2C的充电电流测得的极限荷电状态为40％，即在此条件下，2C的充电电流最大可将电池充电至满充状态的40％，若继续使用2C大小的充电电流进行充电，电池会产生析锂。将I等于2C，SOC极限等于40％带入(4)式，计算可得I0为10/3C。
Figure GDA0002974194800000051
从而得到充电电流I与极限荷电状态SOC极限的关系，当BMS检测到在当前的充电电流大小下已达到电池的极限荷电状态，此时会减小充电电流，继续进行充电，根据此方式进行不断减小充电电流大小，直至电池充满。
通过改变电池的健康状态SOH，测得不同健康状态下SOC极限与充电电流I的关系。参照图4，为不同健康状态SOH下，充电电流与极限荷电状态之间的关系，其中BOL表示SOH为100％状态下的关系曲线，MOL表示SOH为0-100％状态之间的关系曲线，其之间的关系可以通过多次试验得到。
一些实施例，锂离子电池为三电极电池。当检测特定温度和特定SOH条件下的极限荷电状态时，制作与锂离子电池相同参数、结构的三电极电池，通过引入参比电极，使用三电极体系可以同时测量极化电流和极化电位，且测量精度较高。三电极电池的制备过程具体如下：在装配工序中将卷好的裸电芯打开并将参比电极用隔膜与正负极隔开后置于裸电芯中，按后续工序继续完成电池的制备，得到带参比电极的同类型三电极锂离子电池。优选地，由于金属锂及镀锂铜需要在手套箱中封装，为了三电极电池制作方便，采用铜丝作为参比电极，将封装好的三电极电芯在测试前以10至50微安的电流镀锂4小时，以形成稳定的镀锂铜丝电极。在一些其他实施例中，也可以采用其它电池检测方法检测电池的极限荷电状态。
一些实施例，根据对应关系制定充电流程的步骤，具体为：判断锂离子电池的充电条件，根据充电条件确定对应关系，根据对应关系制定充电流程。当锂离子电池需要充电时，BMS中存储有此锂离子电池通过预先检测得到的不同温度、不同健康状态下的充电电流与极限荷电状态之间的对应关系，BMS通过检测当前电池的充电条件，选择对应大小的充电电流，当在此充电电流大小下检测得到电池的荷电状态达到极限荷电状态，则减小充电电流大小，继续进行充电，根据此方式不断减小充电电流，直至电池充满。其每次电流减小的程度可以根据实际需求任意设置，幅度越小，越逼近最佳充电曲线。
一些实施例，充电条件包括电池的温度、健康状态和荷电状态。根据充电条件选择相对应的充电电流与极限荷电状态的对应关系，从而制定的充电流程更加逼近理想充电曲线。在一些其他实施例中，也可以只根据温度或者健康状态与当前的荷电状态选择对应关系。
一些实施例，根据充电流程对锂离子电池充电的步骤，具体为：若充电电流大小小于预设阈值，停止对锂离子电池充电。
示例，由上述公式计算的荷电状态与充电电流的关系为理论计算关系，记为SOC理论，在实际使用过程中，一般以电流恒流充电至某一截止电流时的充电电量Q'0来计算实际极限荷电状态，即：
Figure GDA0002974194800000061
其中ΔQ为电池理论充电电量与实际充电电量的差值，由式(6)可以得到，当Q0＞Q'0＞＞ΔQ时，如ΔQ<1％Q'0时，即可认为SOC实际≈SOC理论，因此，在此过程中要求计算SOC实际时，其判断为达到极限荷电状态时的充电截止电流越小越好，优选的，取SOC极限-SOC实际＝1％，作为实际的充电电流与极限荷电状态的对应关系。参照下表，为在25℃、SOH为100％的条件下，以2C的充电电流测得的极限荷电状态为40％时，实际荷电状态与极限荷电状态和充电电流的关系表：
充电电流I 10/3C 3C 8/3C 7/3C 2C 5/3C 4/3C 1C 2/3C 1/3C 0.05C
SOC<sub>极限</sub> 0 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 90％ 98.5％
SOC<sub>实际</sub> 0 9％ 19％ 29％ 39％ 49％ 59％ 69％ 79％ 89％ 97.5％
且设置当检测到充电电流小于预设阈值，本实施中为0.05C时，停止充电，保留充电冗余空间，防止电池过充。
下面以一个具体实施例，详细描述电池的BMS***的具体充电过程。参照图5，当电池开始充电时，BMS首先判断电池的温度、SOH、SOC，并根据预先设置的充电流程进行充电，选择好对应的充电电流后进行充电，并检测是否达到此电流大小下的极限荷电状态，若未达到，继续充电并实时检测，若达到极限荷电状态，则检测电流大小是否小于0.05C，若是则判断电池已充满，充电结束。若不是，则根据达到的SOC选择对应的充电电流继续充电，如此循环，直至电池电量充满。
一些实施例，本申请还提出一种锂离子电池，锂离子电池在充电时采用上述实施例中的锂离子电池快速充电方法，在快速充电的同时，防止锂离子电池析锂，增加了锂离子电池的使用寿命。
本申请的描述中，参考术语“一些实施例”、“示意性示例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (4)

1.一种锂离子电池快速充电方法，其特征在于，包括：
检测锂离子电池在第一温度和第一健康状态下，与第一电流对应的第一极限荷电状态；所述第一极限荷电状态为在所述第一电流下对所述锂离子电池充电，所述锂离子电池开始析锂的荷电状态；
将充电电流I等于第一电流，极限荷电状态SOC极限等于第一极限荷电状态带入下式，计算初始充电电流I0；
Figure FDA0003686973030000011
根据所述初始充电电流I0，得到充电电流I与极限荷电状态SOC极限的对应关系；
当锂离子电池需要充电时，BMS中存储有锂离子电池通过预先检测得到的不同温度、不同健康状态下的充电电流与极限荷电状态之间的对应关系；
BMS通过检测当前电池的充电条件，选择对应大小的充电电流；其中，所述充电条件包括电池的温度、健康状态和荷电状态；
当在此充电电流大小下检测得到电池的荷电状态达到极限荷电状态，则减小充电电流大小，继续进行充电，根据此方式不断减小充电电流，直至电池充满。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池快速充电方法，其特征在于，所述检测锂离子电池在第一温度和第一健康状态下，与第一电流对应的第一极限荷电状态的步骤，具体为：
根据第一电流条件下，所述锂离子电池的负极电位为零时的荷电状态，确定所述第一极限荷电状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池快速充电方法，其特征在于，所述锂离子电池为三电极电池。
4.一种锂离子电池，其特征在于，包括上述权利要求1至3任一项所述的一种锂离子电池快速充电方法。
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Address after: 518000 1-2 Floor, Building A, Xinwangda Industrial Park, No. 18 Tangjianan Road, Gongming Street, Guangming New District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee after: Xinwangda Power Technology Co.,Ltd.

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