CN116111219B - 电池无析锂快充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池无析锂快充方法，包括以下步骤：建立待测电池的电化学‑热耦合非均相模型；基于所述电化学‑热耦合非均相模型，在至少两个测试温度下进行仿真充电，获取每一测试温度下，多个设定荷电状态分别触发析锂时的第一充电数据；利用三电极测试法，获取与所述第一充电数据对应的第二充电数据；将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型；基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法。通过使用该方法，能够根据温度、荷电状态的变化调整充电电流，保持在接近边界电流且小于边界电流下对电池进行快速充电。

Description

电池无析锂快充方法

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种电池无析锂快充方法。

背景技术

锂离子电池在纯电动汽车中的应用越来越广泛，但是相比于传统的燃油车，里程焦虑、充电时间长等问题成为阻碍电动汽车发展的主要问题。因此，快速充电能力的提升成为电池厂商和整车厂的主要发展方向。现有的快充方法主要通过调整充电倍率，缩短充电时间。低温、大倍率充电会引起电池析锂，进而引起电池的容量与输出功率等性能加速衰减。并且，电池在快充过程中产生的大量热难以均匀有效地散去，也会引起衰减加速以及其他安全问题。

在发明专利CN112054568A中公开了一种快速充电的方法，其通过确定电池不同SOC下的最大充电倍率，获取最佳充电曲线，让充电电流尽量的靠近最佳充电曲线，以保证电池充电时不发生析锂，不危害电池的使用寿命。但是，该方法中并未考虑温度因素。且利用该方法确定快充策略时，需要对每一使用环境下分别测试，工作量大，测试成本高。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种电池无析锂快充方法，通过使用该方法，能够根据温度、荷电状态的变化调整充电电流，保持在无析锂状态下利用最大充电电流对电池进行充电，从而实现在不危害电池使用寿命的情况下对电池进行快速充电。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池无析锂快充方法，包括以下步骤：

建立待测电池的电化学-热耦合非均相模型；

基于所述电化学-热耦合非均相模型，在至少两个测试温度下进行仿真充电，获取每一测试温度下，多个设定荷电状态分别触发析锂时的第一充电数据；

利用三电极测试法，获取与所述第一充电数据对应的第二充电数据；

将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型；

基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法。

通过获取目标模型，利用目标模型可预测任意温度下的触发析锂电流曲线，从而在充电过程中，可根据温度、荷电状态的变化调整充电电流，使充电电流尽量靠近边界电流但小于边界电流，保证电池在安全的析锂边界内以最大充电电流进行充电，实现电池无析锂快充。

在本申请中利用不同测试温度下的多组充电数据对标，对模型进行参数辨识，得到关于电池析锂的目标模型，保证了目标模型在温度测试范围内都满足精度要求，且该过程不需要进行全温度下的测试，减少了测试次数，降低了测试成本。

其中，待测电池析锂的电化学-热耦合非均相模型包括电化学模型、热模型、析锂模型。对本领域技术人员而言，根据本申请的目的，可利用现有的关系式建立上述模型。如根据液相物质守恒方程、固相物质守恒方程、液相电荷守恒方程、固相电荷守恒方程、电荷守恒方程、电极反应动力学方程等建立电化学模型。根据能量守恒方程建立热模型。根据析锂反应动力学方程建立析锂模型。

获取第一充电数据的具体过程为：在一个预设的测试温度下，利用电化学-热耦合非均相模型进行仿真充电，使其在设定荷电状态时触发析锂，得到该仿真充电过程中电压随时间变化曲线，即电压-时间数据。具体的，如先用第一电流从0%SOC充电至10%SOC正好触发析锂，用第二电流从10%SOC充电至20%SOC正好触发析锂，依次变更充电电流，使其在每一设定荷电状态时触发析锂，得到该仿真充电过程中全电池电压随时间变化曲线（全电池电压-时间数据），和该仿真充电过程中负极电压随时间变化曲线（负极电压-时间数据）。否则，就调整充电电流，重新进行仿真充电。

以磷酸铁锂电池为例说明三电极测试法获取第二充电数据的步骤：在预设测试温度下，使用新威充放电设备分别连接电池正负极，使用测试仪(HIOKI)连接负极-参比电极和正-负极全电池；对电池进行0.33C恒流恒压充电至3.65V，以0.33C恒流放电至2.5V，循环3次；再以测试电流充电至3.65V，同步测试仪（HIOKI）监控负极-参比电极电位和正-负极全电池电压，获取负极电压-时间数据和全电池电压-时间数据。

无析锂最大充电电流MAP集合有不同温度下，不同荷电状态触发析锂时对应的边界电流。

上述触发析锂时，为负极电位刚好等于0时的状态，该状态下对应的电流为边界电流。

进一步的，基于所述电化学-热耦合非均相模型，在至少两个测试温度下进行仿真充电，获取每一测试温度下，多个设定荷电状态分别触发析锂时的第一充电数据，包括：

在温度测试范围内选取至少三个温度作为测试温度；

从0%SOC～100%SOC中选取多个荷电状态作为设定荷电状态；

基于所述电化学-热耦合非均相模型，依次在多个测试温度下，从0%SOC～100%SOC进行仿真充电，在仿真充电至每一所述设定荷电状态时，负极电位等于零，获取仿真充电的第一充电数据。

进一步的，将温度测试范围内的两个边界温度，和位于两个所述边界温度间的至少一内部温度作为测试温度。在实际应用中，一般选取-20℃-45℃作为温度测试范围。将该温度测试范围中的最低温度和最高温度作为边界温度，将最低温度和最高温度间的任意温度作为内部温度。将温度测试范围设置在-20℃-45℃，使其满足生活中可能达到的低温环境和高温环境，从而对电池的评价更为可靠。具体的，所述内部温度可选择两个边界温度的中间温度和几个比较特殊的温度，如0℃、25℃。优选的，可选取包括两个边界温度在内的四个测试温度。

进一步的，从0%SOC～100%SOC中等间隔选取多个荷电状态，作为设定荷电状态。根据对目标模型的精度要求确定间隔大小，控制设定荷电状态的数量。在对目标模型精度要求较高的情况下，增加设定荷电状态的数量。相反，在对目标模型精度要求较低的情况下，减少设定荷电状态的数量。

进一步的，充电数据至少包括全电池电压-时间数据。本申请中为测试充电过程中全电池电压随时间变化数据。通过仿真充电中获得的全电池电压-时间数据和三电极测试中获得的对应的全电池电压-时间数据进行对标，进而用于模型的参数辨识。

进一步优选的，充电数据还包括负极电压-时间数据或正极电压-时间数据中的至少一个。即，测试充电过程中负极电压或正极电压随时间变化数据。对于每一测试温度，均可利用多个数据进行对标，提高模型的可信度。

进一步的，利用三电极测试法，获取与所述第一充电数据对应的第二充电数据，包括：

与所述仿真充电在相同测试温度对待测电池从0%SOC～100%SOC进行充电；

由三电极测试法获取与所述第一充电数据在相同温度、相同荷电状态下触发析锂所对应的第二充电数据。

进一步的，将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型，包括：

分别在每一所述测试温度下，将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标；在对标误差大于预设误差时，对电化学-热耦合非均相模型进行参数辨识，直至每一所述测试温度下，对标误差均小于等于预设误差时，得到目标模型。

进一步优选的，分别在每一所述测试温度下，将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标；在对标误差大于预设误差时，对电化学-热耦合非均相模型进行参数辨识，直至每一所述测试温度下，对标误差均小于等于预设误差时，得到目标模型，包括：

由一所述测试温度下相对应的第一充电数据和第二充电数据计算RMSE；

将计算得到的RMSE与预设误差比较，在RMSE＞预设误差时，调整电化学-热耦合非均相模型的动力学参数，重新获取每一测试温度下的第一充电数据；

重复上述步骤，直至每一所述测试温度下计算的RMSE≤预设误差，得到目标模型。

上述预设误差根据对目标模型精度要求设定。如可设定预设误差为5%，在对标误差≤5%时，认为对应的电化学-热耦合非均相模型可作为目标模型。

进一步的，所述动力学参数包括固相扩散系数、液相扩散系数、反应速率常数、离子电导率。由于电化学-热耦合非均相模型中的动力学参数在温度上均满足阿伦尼乌斯方程。因此，通过多个测试温度下充电数据的拟合，可以验证固相扩散系数、液相扩散系数、反应速率常数、离子电导率等动力学参数的活化能，使目标模型在全温度下都满足精度要求。

进一步的，基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法，包括：

基于所述目标模型，获取任意温度、不同荷电状态下触发析锂时对应的边界电流，并绘制关于荷电状态和边界电流的触发析锂电流曲线；由多个设定荷电状态对应的边界电流，可通过曲线拟合或插值方式绘制该温度下的触发析锂电流曲线；

由任意温度下的触发析锂电流曲线组合形成无析锂最大充电电流MAP；

基于所述无析锂最大充电电流MAP，变更充电电流，使电池在不析锂的情况下用最短时间完成充电。

使电池在不析锂的情况下用最短时间完成充电，即，用接近边界电流但小于边界电流的电流值对电池进行充电，从而实现在不析锂的情况下尽量用最大的充电电流完成充电，缩短充电时间。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明利用几个测试温度下的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型，进而通过目标模型预测任意温度下的触发析锂电流曲线，从而在充电过程中，可根据温度、荷电状态的变化调整充电电流，使充电电流尽量靠近边界电流但小于边界电流，保证电池在安全的析锂边界内以最大充电电流进行充电，实现电池无析锂快充。

2.利用不同温度下多组充电数据对标，即保证了目标模型在温度测试范围内都满足精度要求，且该过程不需要进行全温度下的测试，减少了测试次数，降低了测试成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中电池无析锂快充方法流程图；

图2是本发明实施例中动力学参数确定过程；

图3是本发明实施例中不同测试温度下触发析锂电流曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：参见图1～3所示，一种电池无析锂快充方法，包括以下步骤：

S1、建立待测电池无析锂的电化学-热耦合非均相模型；

所述电化学-热耦合非均相模型包括电化学模型、热模型、析锂模型。根据液相物质守恒方程、固定物质守恒方程、液相电荷守恒方程、固相电荷守恒方程、电荷守恒方程、电极反应动力学方程等建立电化学模型。根据能量守恒方程建立热模型。根据析锂反应动力学方程建立析锂模型。

S2、基于电化学-热耦合非均相模型在多个测试温度下分别获取多个第一充电数据；

在-20℃～45℃的温度测试范围内将-20℃、0℃、25℃、45℃设定为测试温度。

在0%SOC～100%SOC中，将10%SOC、20%SOC、30%SOC、40%SOC、50%SOC、60%SOC、70%SOC、80%SOC、90%SOC、100%SOC作为设定荷电状态。

基于上述建立的电化学-热耦合非均相模型，首先预测在-20℃下，从0%SOC～100%SOC进行仿真充电，且在仿真充电至10%SOC、20%SOC、30%SOC、40%SOC、50%SOC、60%SOC、70%SOC、80%SOC、90%SOC、100%SOC时，负极电位刚好等于0，触发析锂，获取该仿真充电的第一充电数据。所述第一充电数据包括全电池电压-时间数据（全电池电压随时间变化数据）、负极电压-时间数据（负极电压随时间变化数据），在该仿真充电过程中，每一设定荷电状态时触发析锂对应的充电电流，即为边界电流。重复上述步骤，分别预测0℃、25℃、45℃下的第一充电数据。

S3、利用三电极测试法获取多个第二充电数据；

依次在-20℃、0℃、25℃、45℃对待测电池进行充电，利用三电极测试法，获取待测电池在相同测试温度和设定荷电状态下的第二充电数据。所述第二充电数据包括全电池电压-时间数据、负极电压-时间数据。

S4、将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型；

依次由-20℃、0℃、25℃、45℃的多个相对应的第一充电数据和第二充电数据计算RMSE（均方根误差，Root Mean Square Error）。，其中，/>为第一充电数据，/>为第二充电数据，/>为对应的充电数据量，如在第一充电数据中包括有10组数据，/>=10。/>为/>个充电数据中的第/>个充电数据。

将计算得到的RMSE与预设误差比较，在RMSE＞预设误差时，调整电化学-热耦合非均相模型的动力学参数。调整动力学参数的方法可利用现有的遗传算法等。重复S2、S4步骤，获取每一测试温度多个荷电状态分别触发析锂的仿真充电过程的第一充电数据，计算RMSE。直至每一所述测试温度下计算的RMSE≤预设误差，得到目标模型。

由每一测试温度下，得到的多组设定荷电状态与边界电流的数据，可绘制该测试温度下触发析锂电流曲线。

S5、基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法；

基于所述目标模型，获取任意温度、不同荷电状态下触发析锂时对应的边界电流，并绘制关于荷电状态和边界电流的触发析锂电流曲线。

由不同温度下的触发析锂电流曲线组合形成无析锂最大充电电流MAP；

基于所述无析锂最大充电电流MAP，变更充电电流，使电池在接近边界电流但不析锂的情况下进行充电，实现电池无析锂快充。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种电池无析锂快充方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立待测电池的电化学-热耦合非均相模型，所述电化学-热耦合非均相模型包括电化学模型、热模型、析锂模型；

基于所述电化学-热耦合非均相模型，在至少两个测试温度下进行仿真充电，获取每一测试温度下，多个设定荷电状态分别触发析锂时的第一充电数据；该步骤具体包括：在温度测试范围内选取至少三个温度作为测试温度；从0％SOC～100％SOC中选取多个荷电状态作为设定荷电状态；基于所述电化学-热耦合非均相模型，依次在多个测试温度下，从0％SOC～100％SOC进行仿真充电，在仿真充电至每一所述设定荷电状态时，负极电位等于零，获取仿真充电的第一充电数据；

利用三电极测试法，获取与所述第一充电数据对应的第二充电数据；

将相对应的第一充电数据和第二充电数据对标，获取目标模型；该步骤具体包括：由所述测试温度下相对应的第一充电数据和第二充电数据计算RMSE；将计算得到的RMSE与预设误差比较，在RMSE大于预设误差时，调整电化学-热耦合非均相模型的动力学参数，重新获取每一测试温度下的第一充电数据；重复上述步骤，直至每一所述测试温度下计算的RMSE小于等于预设误差，得到目标模型；充电数据包括全电池电压-时间数据和负极电压-时间数据或正极电压-时间数据中的至少一个；所述动力学参数包括固相扩散系数、液相扩散系数、反应速率常数、离子电导率；

基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法。

2.根据权利要求1所述的电池无析锂快充方法，其特征在于：将温度测试范围内的两个边界温度，和位于两个所述边界温度间的至少一内部温度作为测试温度。

3.根据权利要求1所述的电池无析锂快充方法，其特征在于：从0％SOC～100％SOC中等间隔选取多个荷电状态，作为设定荷电状态。

4.根据权利要求1所述的电池无析锂快充方法，其特征在于：基于所述目标模型，获取无析锂最大充电电流MAP，确定电池无析锂快充方法，包括：

基于所述目标模型，获取任意温度、不同荷电状态下触发析锂时对应的边界电流，并绘制关于荷电状态和边界电流的触发析锂电流曲线；

由不同温度下的触发析锂电流曲线组合形成无析锂最大充电电流MAP；

基于所述无析锂最大充电电流MAP，变更充电电流，使电池在不析锂的情况下用最短时间完成充电。