技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于
鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于預(yù)防析鋰的鋰離子電池快速充電方法。
背景技術(shù)
[0002] 由于動(dòng)
力電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)
汽車的發(fā)展也越來越迅速。隨著一些新
型材料及工藝的使用，電池
能量密度也在不斷的攀升，預(yù)計(jì)2020年，使用高鎳三元正極和
硅系列負(fù)極的動(dòng)力電池
能量密度將達(dá)到300Wh/kg。然而，能量密度提升的同時(shí)，對(duì)電池的安全提出了巨大的挑戰(zhàn)，特別是電池的充電安全，近年來事故頻發(fā)，這不但影響新
能源汽車的快速發(fā)展，同時(shí)還對(duì)社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。引起充電安全的因素有很多，包括不正規(guī)的操作、BMS失效等等，但這些因素歸根結(jié)底都是由于電池
單體過充或析鋰所導(dǎo)致的。電池的過充將引起
正極材料的晶格塌陷，進(jìn)一步引起電池產(chǎn)氣及
電解液和隔膜等的分解。電池的析鋰是造成電池容量的衰減的主要原因，同時(shí)析鋰導(dǎo)致負(fù)極表面的鋰枝晶持續(xù)生長(zhǎng)，刺破隔膜，造成內(nèi)部
短路，沉積在負(fù)極表面的金屬鋰以及電池內(nèi)部的“死鋰”與電解液反應(yīng)，釋放大量熱量使電池的
溫度升高，當(dāng)溫度持續(xù)升高，電解液分解產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)部壓力不斷上升，最終引起電池放氣和金屬鋰融化，空氣中的
水和
氧氣與金屬鋰發(fā)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒甚至爆炸。
[0003] 此外，目前大部分純電動(dòng)汽車的外接快速充電時(shí)間都停留在30～45分鐘，受傳統(tǒng)
內(nèi)燃機(jī)補(bǔ)充
燃料3～5分鐘高效率的影響，人們對(duì)
電動(dòng)汽車電池的充電時(shí)間要求也越來越高。實(shí)際上電池充電的制約因素較多，比如較大的充電
電流會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生較大的極化，較寬的充放電深度會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生巨大的影響，較低的溫度下充電會(huì)造成電池析鋰，較高的溫度下快速充電會(huì)導(dǎo)致電池溫度
過熱等等。迫切于人們對(duì)快速充電的需要，近些年來也陸續(xù)出現(xiàn)了一些快速充電的方法，包括(1)恒流充電法，是用恒定不變的電流對(duì)電池充電，這種方法布局簡(jiǎn)便，方便操作，容易控制，但充電效率較低；(2)恒壓充電法，是用恒定不變的
電壓對(duì)電池充電，這種方法同樣操作簡(jiǎn)便，但充電電壓值不易選取，過高電壓會(huì)使充電初期電流大而損傷電池，影響電池壽命；(3)階段式充電法，該方法是基于恒流充電法和恒壓充電法的
基礎(chǔ)上改進(jìn)合并的，故此對(duì)于充電所要求的快速性無法得到很好地滿足；(4)脈沖充電方法，是在充電時(shí)采取一組脈沖形式的電流對(duì)電池進(jìn)行充電，通過調(diào)節(jié)充電電流脈沖的幅值以及脈沖時(shí)長(zhǎng)來控制整個(gè)充電過程，在脈沖充電中，電流脈沖幅值一般選取較大值，這樣保證了在充電時(shí)可以使較多的電量被電池接受，而在脈沖的空閑時(shí)間段內(nèi)，電池處于短時(shí)間的停充狀態(tài)，此時(shí)可以消除極化現(xiàn)象，從而提高電池的充電效率。
[0004] 檢索發(fā)現(xiàn)，與本發(fā)明相似中國(guó)
專利201610650109.9和201610987473.4雖同樣采用基于預(yù)防析鋰的電化學(xué)模型原理進(jìn)行充電方法制定，但這兩個(gè)專利整體流程繁瑣復(fù)雜，且與本發(fā)明步驟完全不同。上述專利實(shí)際應(yīng)用時(shí)多為模型在線預(yù)測(cè)，難度較大且
精度較差，本專利則采用離線仿真確認(rèn)電池充電邊界相關(guān)參數(shù)，更利于實(shí)際應(yīng)用。此外，這兩個(gè)專利也并未考慮電池全生命周期下的充電策略，實(shí)際應(yīng)用考慮欠缺。
[0005] 可見，一個(gè)有效的充電方法不但需要解決充電時(shí)間和電池壽命問題，同時(shí)更應(yīng)該解決安全問題，因此本發(fā)明將基于電池安全考慮，提出了一種基于電化學(xué)模型的可預(yù)防析鋰的快速充電方法。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 本發(fā)明針對(duì)目前鋰電池快速充電效率低，充電中易產(chǎn)生安全事故的問題，本發(fā)明提供了一種可以預(yù)防析鋰現(xiàn)象產(chǎn)生的快速充電方法。所述方法使用基于電化學(xué)模型的商業(yè)
軟件，能夠判斷出不同溫度、不同充電電流、不同
荷電狀態(tài)、不同
健康狀態(tài)下電池的負(fù)極電位，通過三
電極電池所實(shí)測(cè)負(fù)極電位與電化學(xué)模型所仿真出的負(fù)極電位進(jìn)行比較對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定好的模型進(jìn)行參數(shù)化掃描即可得不產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象的最大電流譜圖，最后使用合理的充電策略通過對(duì)最大電流譜圖進(jìn)行插值查表的方式即可對(duì)電池進(jìn)行充電。同時(shí)，本發(fā)明考慮電池全生命周期，即健康狀態(tài)從0～1下的充電策略，更有利于該策略的實(shí)際應(yīng)用，能夠更大程度上發(fā)揮電池的潛力。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于預(yù)防析鋰的鋰離子電池快速充電方法，所述方法包括如下步驟：
[0009] (1)制作與待測(cè)電池具有相同材料和工藝參數(shù)的三電極電池；
[0010] (2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析，分別測(cè)試其在不同溫度T、不同充電電流I、不同荷電狀態(tài)SOC和不同健康狀態(tài)SOH下對(duì)應(yīng)的負(fù)極電位V-；
[0011] (3)將所述待測(cè)電池的材料和工藝參數(shù)輸入基于電化學(xué)模型的商業(yè)軟件，得到電化學(xué)模型，通過三電極測(cè)試結(jié)果對(duì)所述電化學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定，并采用電化學(xué)模型的商業(yè)軟件進(jìn)行參數(shù)化掃描，得到電池最大充電電流譜圖；
[0012] (4)使用充電策略通過對(duì)所得最大電流譜圖進(jìn)行插值查表的方式對(duì)電池進(jìn)行充電；
[0013] 所述充電策略步驟為：通過BMS判斷當(dāng)前
電池荷電狀態(tài)SOC、溫度T、健康狀態(tài)SOH，查表得到電池最大充電電流Imax，對(duì)電池進(jìn)行充電，判斷實(shí)時(shí)充電過程中電池的SOC狀態(tài)是否達(dá)到最大電流譜中的SOC分段設(shè)定值，如未達(dá)到，繼續(xù)按當(dāng)前電流充電，直至達(dá)到分段設(shè)定值后，查表得到下一階段最大充電電流，直至SOC達(dá)到100％后停止充電。
[0014] 由于任何形式的鋰電池都可以通過改制制作成三電極電池，且所有參數(shù)均可通過拆解分析所得，因此具有很強(qiáng)的通用性。本發(fā)明利用商業(yè)軟件內(nèi)精確的電化學(xué)模型對(duì)負(fù)極電位進(jìn)行模擬，降低了傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)易電化學(xué)模型所帶來的較大誤差。通過軟件的線性化掃描方式，代替了傳統(tǒng)最大充電電流獲得所必須使用的大量
正交試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間。通過精準(zhǔn)的負(fù)極電位預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電池在充電過程中無析鋰現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高了電池的安全性，同時(shí)也能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命。
[0015] 本發(fā)明所述工藝參數(shù)包括正負(fù)極極片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、電解液配比、電芯長(zhǎng)寬高及層數(shù)信息。
[0016] 圖1是本發(fā)明所述基于預(yù)防析鋰的鋰離子電池快速充電方法
流程圖，由圖中可以看出，本發(fā)明通過改制制作成三電極電池，利用商業(yè)軟件內(nèi)精確的電化學(xué)模型對(duì)負(fù)極電位進(jìn)行模擬，得到電池快速充電策略，通過圖2中所述充電策略流程圖進(jìn)行負(fù)極電位預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電池在充電過程中無析鋰現(xiàn)象的發(fā)生。
[0017] 優(yōu)選地，步驟(1)所述三電極電池的參比電極包括金屬鋰片、
鍍鋰
銅絲或銅絲。
[0018] 優(yōu)選地，步驟(2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的溫度范圍為-20～55℃，例如-18℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、40℃或50℃等。
[0019] 優(yōu)選地，步驟(2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的荷電狀態(tài)范圍為0～100％，例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％等。
[0020] 優(yōu)選地，步驟(2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的荷電狀態(tài)測(cè)試間隔不大于15％，例如1％、2％、5％、6％、8％、10％、12％、13％或14％等。
[0021] 本發(fā)明對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的荷電狀態(tài)測(cè)試間隔不大于15％，得到的測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0022] 優(yōu)選地，步驟(2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的荷電狀態(tài)測(cè)試間隔為3％～10％，例如4％、5％、6％、7％、8％或9％等。
[0023] 優(yōu)選地，步驟(2)對(duì)所述三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析的健康狀態(tài)范圍為0～1，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等。
[0024] 優(yōu)選地，步驟(3)通過三電極測(cè)試結(jié)果對(duì)所述電化學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定為：步驟(2)所述三電極測(cè)試結(jié)果應(yīng)至少包含不同溫度下，不同SOC范圍內(nèi)電池端電壓與負(fù)極電位數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)與基于電化學(xué)模型的商業(yè)軟件所仿真出的數(shù)據(jù)間誤差數(shù)據(jù)不大于5％，例如1％、2％、3％或4％等。
[0025] 優(yōu)選地，步驟(3)所述電池最大充電電流譜圖為不同溫度、不同荷電狀態(tài)、不同健康狀態(tài)與發(fā)生析鋰時(shí)最大充電電流Imax間的關(guān)系。
[0026] 優(yōu)選地，所述發(fā)生析鋰時(shí)最大充電電流Imax通過負(fù)極電位進(jìn)行判斷，當(dāng)負(fù)極電位大于xV時(shí)認(rèn)為發(fā)生析鋰，所0≤x≤0.1，例如0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08或0.09等。
[0027] 與
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0028] 本發(fā)明利用商業(yè)軟件內(nèi)精確的電化學(xué)模型對(duì)負(fù)極電位進(jìn)行模擬，降低了傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)易電化學(xué)模型所帶來的較大誤差。通過軟件的線性化掃描方式，代替了傳統(tǒng)最大充電電流獲得所必須使用的大量正交試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間。通過精準(zhǔn)的負(fù)極電位預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電池在充電過程中無析鋰現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高了電池的安全性，同時(shí)也能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命。
附圖說明
[0029] 圖1是本發(fā)明所述基于預(yù)防析鋰的鋰離子電池快速充電方法流程圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明所述充電策略流程圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明
實(shí)施例1中所述電池端電壓與正負(fù)極電位的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
[0032] 為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 采用金屬鋰片作為參比電極制作與待測(cè)電池具有相同材料和工藝參數(shù)的三電極電池，待測(cè)電池健康狀態(tài)為1，即電池為新鮮電池；采用拆解的方式對(duì)待測(cè)電池進(jìn)行材料和工藝參數(shù)的分析，為正負(fù)極極片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、電解液配比、電芯長(zhǎng)寬高及層數(shù)信息，并對(duì)三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試溫度范圍-20～30℃、充電電流倍率0.3～3C、不同荷電狀態(tài)范圍(間隔10％)內(nèi)三電極電池的負(fù)極電位；將上述所得材料和工藝參數(shù)輸入基于電化學(xué)模型的商業(yè)軟件A，并通過三電極測(cè)試所得-20～30℃溫度下，間隔10％SOC范圍內(nèi)電池端電壓與負(fù)極電位數(shù)據(jù)對(duì)電化學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定誤差3％；通過A軟件對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化掃描，得到電池-20～45℃溫度下、間隔5％SOC范圍與當(dāng)負(fù)極電位等于0V時(shí)的最大充電電流Imax間的關(guān)系；
[0035] 得到上述關(guān)系后，按照如下步驟對(duì)電池進(jìn)行充電：通過BMS判斷當(dāng)前電池荷電狀態(tài)SOC、溫度T、健康狀態(tài)SOH，查表得到電池最大充電電流Imax，對(duì)電池進(jìn)行充電，判斷適時(shí)充電過程中電池的SOC狀態(tài)是否達(dá)到最大電流譜中的SOC分段設(shè)定值，如未達(dá)到，繼續(xù)按當(dāng)前電流充電，直至達(dá)到分段設(shè)定值后，查表得到下一階段最大充電電流，直至SOC達(dá)到100％后停止充電。
[0036] 圖3是本實(shí)施例中所述電池端電壓與正負(fù)極電位的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，由圖可知，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的負(fù)極電位預(yù)測(cè)。
[0037] 實(shí)施例2
[0038] 采用鍍鋰銅絲作為參比電極制作與待測(cè)電池具有相同材料和工藝參數(shù)的三電極電池，待測(cè)電池健康狀態(tài)為0，即電池已達(dá)到壽命終止?fàn)顟B(tài)；采用拆解的方式對(duì)待測(cè)電池進(jìn)行材料和工藝參數(shù)的分析，為正負(fù)極極片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、電解液配比、電芯長(zhǎng)寬高及層數(shù)信息，并對(duì)三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試溫度范圍-20～45℃、充電電流倍率0.1～2C、不同荷電狀態(tài)范圍(間隔5％)內(nèi)三電極電池的負(fù)極電位；將上述所得材料和工藝參數(shù)輸入基于電化學(xué)模型的商業(yè)軟件C，并通過三電極測(cè)試所得-20～45℃溫度下，間隔5％SOC范圍內(nèi)電池端電壓與負(fù)極電位數(shù)據(jù)對(duì)電化學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定誤差5％；通過C軟件對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化掃描，得到電池-10～55℃溫度下、間隔10％SOC范圍與當(dāng)負(fù)極電位等于0.05V時(shí)的最大充電電流Imax間的關(guān)系；
[0039] 得到上述關(guān)系后，按照如下步驟對(duì)電池進(jìn)行充電：通過BMS判斷當(dāng)前電池荷電狀態(tài)SOC、溫度T、健康狀態(tài)SOH，查表得到電池最大充電電流Imax，對(duì)電池進(jìn)行充電，判斷適時(shí)充電過程中電池的SOC狀態(tài)是否達(dá)到最大電流譜中的SOC分段設(shè)定值，如未達(dá)到，繼續(xù)按當(dāng)前電流充電，直至達(dá)到分段設(shè)定值后，查表得到下一階段最大充電電流，直至SOC達(dá)到100％后停止充電。
[0040] 實(shí)施例3
[0041] 采用銅絲作為參比電極制作與待測(cè)電池具有相同材料和工藝參數(shù)的三電極電池，待測(cè)電池健康狀態(tài)為0.5，即電池剩余壽命剩余50％；采用拆解的方式對(duì)待測(cè)電池進(jìn)行材料和工藝參數(shù)的分析，為正負(fù)極極片配比、孔隙率、厚度、面密度、隔膜孔隙率、厚度、電解液配比、電芯長(zhǎng)寬高及層數(shù)信息，并對(duì)三電極電池進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試溫度范圍0～55℃、充電電流倍率1～4C、不同荷電狀態(tài)范圍(間隔15％)內(nèi)三電極電池的負(fù)極電位；將上述所得材料和工藝參數(shù)輸入基于電化學(xué)模型的商業(yè)軟件C，并通過三電極測(cè)試所得0～55℃溫度下，間隔15％SOC范圍內(nèi)電池端電壓與負(fù)極電位數(shù)據(jù)對(duì)電化學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定誤差1％；通過C軟件對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化掃描，得到電池-10～40℃溫度下、間隔3％SOC范圍與當(dāng)負(fù)極電位等于
0.1V時(shí)的最大充電電流Imax間的關(guān)系；
[0042] 得到上述關(guān)系后，按照如下步驟對(duì)電池進(jìn)行充電：通過BMS判斷當(dāng)前電池荷電狀態(tài)SOC、溫度T、健康狀態(tài)SOH，查表得到電池最大充電電流Imax，對(duì)電池進(jìn)行充電，判斷適時(shí)充電過程中電池的SOC狀態(tài)是否達(dá)到最大電流譜中的SOC分段設(shè)定值，如未達(dá)到，繼續(xù)按當(dāng)前電流充電，直至達(dá)到分段設(shè)定值后，查表得到下一階段最大充電電流，直至SOC達(dá)到100％后停止充電。
[0043] 本發(fā)明實(shí)施例2和3中電池端電壓與正負(fù)極電位的仿真與試驗(yàn)結(jié)果同樣實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的負(fù)極電位預(yù)測(cè)。
[0044]
申請(qǐng)人
聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
