CN116087805A - 一种锂电池快充电流标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种锂电池快充电流标定方法，该方法包括：针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，负极电位阈值大于零，快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，快充策略曲线图中记录实时温度；根据多个快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系。应用本发明实施例可获得SOC、温度两个维度下的析锂边界电流。

Description

一种锂电池快充电流标定方法

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体而言，涉及一种锂电池快充电流标定方法。

背景技术

当今世界，人类面临能源危机和环境危机两大危机，在化石能源短缺和生态环境的恶化的逼迫下，汽车业纷纷将目光转向了电动汽车。而锂离子动力电池因具有能量密度大、功率密度大、自发放电率低、无记忆效应等优点在电动汽车上得到了大量的运用。动力电池是电动汽车的核心部件，其充电时间的长短直接影响用户的用车体验，因此各种充电策略应运而生。

充电策略纷繁多样，包括恒流-恒压充电、多阶段恒流充电、连续变电流充电、脉冲充电、大电流预充充电五类充电策略。恒流-恒压充电是最常见的充电方式，该策略是先恒流充到预设截止电压后再恒压充到截止电流，这种充电方法简单，可操作性强，并且恒压段可以使电极材料内部锂离子浓度分布均匀，有利于发挥出电池的容量，但缺点是恒压段充电时间过长；多阶段恒流充电是用阶梯状变化的电流充电，每段电流恒定且充至截止电压切换充电电流，该策略不同段的电流值能够适应电池在充电时的状态，相比CCCV(ConstantCurrent and Constant Voltage恒流恒压)，能够提高电池寿命，但是其采用的智能算法如蚁群算法计算时，通常都是以充电时间为首要优化目标，并没以充电安全为第一要义；连续变电流充电是基于算法如二次动态矩阵控制(QDMC)方法优化电流，使电流连续变化的同时电压始终在截止电压以下进行充电的，该策略充电时间短，但是充电过程复杂，不利于操作；脉冲充电是通过调整脉充幅值，脉冲时长，间歇时间给电池充电，还可引入负脉冲增强电池充电的耐受倍率，该策略能够降低充电极化电压且能减少充电时间，但过大的脉冲电流会对电池产生冲击，影响寿命；大电流预充充电是在电池低SOC段，进行短暂的大倍率电流充电，之后恒流恒压充电，该策略缩短了充电时间，但是低SOC段大倍率充电，会影响电池寿命。

上述现有技术中的锂电池充电方法难以防范充电导致的副反应，并且无法界定充电安全边界电流，存在潜在的充电危险。如何降低锂电池充电风险，提高充电速度，是锂电池技术领域需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了锂电池快充电流标定方法，以获得SOC、温度两个维度下的析锂边界电流。具体的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种锂电池快充电流标定方法，所述方法包括：

针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，负极电位阈值大于零，快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，快充策略曲线图中记录实时温度；

根据多个快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系。

可选的，针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，快充策略曲线图中记录实时温度，包括：

根据每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，充电过程按照预设固定电流步长升降电流，使三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近；

其中，当负极电位低于负极电位阈值时，按照预设固定电流步长降低电流，使负极电位回升；

当负极电位高于负极电位阈值时，按照预设固定电流步长升高电流，使负极电位下降。

可选的，根据多个快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系，包括：

根据快充策略曲线图获得充电时间、充电电流、实时温度；

根据充电时间、充电电流、实时温度，获得多个第一二维图和多个第二二维图，第一二维图表示每一起始温度下充电时间与充电电流关系的二维图，第二二维图表示每一起始温度下充电时间与实时温度关系的二维图；

根据SOC和每一第一二维图，获得第三二维图，第三二维图表示SOC与充电电流关系的二维图；

根据SOC和每一第二二维图，获得第四二维图，第四二维图表示SOC与实时温度关系的二维图；

将SOC区间0％～100％以等间隔进行划分，获得N个SOC标志点，N大于1，N为整数；

根据多个第三二维图、多个第四二维图、N个SOC标志点，通过分段线性插值法，确定SOC、温度、充电电流的关系。

可选的，固定电流步长取值范围为1/10C～1/20C。

可选的，负极电位阈值取值范围为40mv～60mv。

可选的，负极电位阈值为50mv。

可选的，待测锂电池为软包锂电池或方壳锂电池。

由上述内容可知，本发明实施例提供的锂电池快充电流标定方法，针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，负极电位阈值大于零，快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，快充策略曲线图中记录实时温度；根据多个快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系。

应用本发明实施例，不但可获得精确的锂电池负极电位数据，还可以获得考虑了SOC、温度两个维度下的析锂边界电流。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本发明实施例的创新点包括：

1、本发明实施例对锂电池进行快充电流标定，利用参比电极作为监测电池内部状态的传感器，监测充电过程中锂电池负极的电位变化，本发明实施例引入参比电极，可以精确的获得锂电池负极电位数据。又因为一旦锂电池的负极电位小于0，则表明会在负极表面产生析锂，所以本发明实施例将负极电位动态的稳定在接近0V，且大于0V的负极阈值附近，可得到精确的析锂边界电流数据。

2、在不同起始温度下，对锂电池进行快充电流标定，获得多个快充策略曲线图，快充策略曲线图记录锂电池充电过程中的电流、负极电位、实时温度、充电时间等信息，根据多个快充策略曲线图，分别建立充电时间和电流之间的关系，以及充电时间和温度之间的关系，将充电时间转换成SOC，再通过插值法，最终可以获得SOC、温度、电流三者之间的关系。从SOC、温度、电流三者之间的关系中得到考虑了SOC、温度两个维度下析锂边界电流，析锂边界电流更加精确，所以通过本发明实施例获得了充电时间短，且安全的锂电池快充策略，同时也为开发包含更多充电影响因素的充电策略提供一定的参考。

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为本发明实施例提供的锂电池快充电流标定方法的一种流程示意图；

图2为本发明实施例提供的-20℃起始温度下充电时间—充电电流二维图；

图3为本发明实施例提供的-20℃起始温度下充电时间—实时温度二维图；

图4为本发明实施例提供的SOC—温度—电流map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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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付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。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明提供了一种锂电池快充电流标定方法。下面对本发明实施例进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的锂电池快充电流标定方法的一种流程示意图。该方法可以包括如下步骤：

S101：针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，所述三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，所述负极电位阈值大于零，所述快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，所述快充策略曲线图中记录实时温度。

三电极锂电池是在普通的两电极锂电池的基础上引入了用以稳定工作电极的参比电极，三电极包括工作电极、参比电极和辅助电极，本发明实施例中的工作电极为待测锂电池的负极，辅助电极为待测锂电池的正极。本发明实施例中通过在待测锂电池中植入参比电极，监测待测锂电池的负极电位，以便获得防析锂的最大充电电流。在对三电极锂电池进行充电标定时，可以在不同的起始温度下，对三电极锂电池进行快充标定，每次标定获得一张快充策略曲线图，快充策略曲线图可记录在待测锂电池充电过程中的电流、实时温度、充电时间、负极电位等数据。本发明实施例中，负极电位阈值设定为接近零，且大于零的阈值，将负极电位阈值设定为接近零，且大于零的阈值，可以保证整个充电标定过程中的充电电流是待测锂电池在不析锂情况下的最大充电电流。

在一个可选的实施例中，所述待测锂电池为软包锂电池或方壳锂电池。

软包锂电池和方壳锂电池均为市面上普遍销售的锂电池，本发明适用于市面上大多数动力锂电池的快充电流标定。

在一个可实现的方式中，三电极锂电池由以下方式制得：

准参比电极制备步骤：首先，选取带漆包层的直径100微米～200微米的铜丝，用浓硫酸将两头的漆包层去除，露出大约1cm左右的导电铜丝，用去离子水洗净后，用电流表检测露出的铜丝是否完全去除了漆包层；接着，用超声波焊接机器给铜丝的一端焊接上镍片极耳；最后，用酒精清洗参比电极，并放入真空干燥箱，真空干燥2—3小时，干燥结束后及时送入手套箱中保存。

准参比电极植入步骤：对于软包锂电池，在负极极耳处，用陶瓷刀划开铝塑膜，接着找到负极片，用绝缘的扁平镊子将其拨开，留出一条细缝，将提前做好的隔膜套放置细缝中，然后将铜丝嵌入隔膜套中并加入一定量的电解液浸润参比植入的位置，最后用密封胶把划开的创口密封上；而对于方壳锂电池，只能从防爆阀开口，将参比植入其中，操作步骤同软包一样。

准参比电极电镀锂步骤：利用三段降电流式恒流电镀给准参比电极镀锂，电镀时将通道的正极接电池的负极，通道的负极接电池的参比电极，每段电流电镀后搁置1～2小时。

准参比电极有效性验证步骤：验证准参比电极的有效性可通过静态搁置法或动态循环法两种方式，其中，静态搁置是将电池充满后，搁置一天，监测静态负极电位波动不超过1mv，则表明参比电极有效；动态循环是对三电极锂电池做三次的循环测试和小倍率充放电测试，看充电曲线是否有毛刺，并且比较三个循环的充电负极电位曲线，通过计算均方根误差(RMSE)观察参比监测的负极电位的重复性是否良好。

在一个可选的实施例中，所述针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，所述三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，所述快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，所述快充策略曲线图中记录实时温度，包括：

根据每一起始温度，对所述三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述充电过程按照预设固定电流步长升降电流，使所述三电极锂电池的负极电位稳定在所述预设的负极电位阈值附近。

其中，当负极电位低于负极电位阈值时，按照所述预设固定电流步长降低电流，使所述负极电位回升。

当负极电位高于所述负极电位阈值时，按照所述预设固定电流步长升高电流，使所述负极电位下降。

可以设定多个不同的起始温度，对三电极锂电池进行电流标定，以便获得多个快充策略曲线图。本发明实施例中的固定电流步长指的是对电流进行升降调节时的最小调节单位，也就是电流每上升一次或下降一次电流变化的幅度，通常情况下，在设定好固定电流步长后，在锂电池电流标定的过程中，标定仪器将按照预设的固定电流步长自动调节电流大小。在电流标定过程中，调节电流的大小，使锂电池负极电位稳定在负极阈值附近，负极阈值接近于0V，但必须大于0V，若负极电位小于0V，则表明在待测锂电池负极已出现析锂。

在一个可选的实施例中，所述固定电流步长取值范围为1/10C～1/20C。

C指的是充放电倍率，即电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值。固定电流步长取值应较小，以便尽可能降低负极电位变化幅度。

在一个可选的实施例中，所述负极电位阈值取值范围为40mv～60mv。

在一个可选的实施例中，所述负极电位阈值为50mv。

在一个实施例中，利用温箱设置起始温度点-20℃，用Arbin(阿滨)电池测试仪对已植入参比的三电极电池做快充标定，主通道接电池正负极用来给电池充电，辅助通道接负极和参比电极用来检测负极电位。设定固定电流步长为1/20C，负极电位阈值为50mV，在充电的过程当中，通过1/20C步长升降电流使监测到的负极电位稳定在阈值附近，当负极电位在50mV以下时，按1/20C的固定电流步长给电池降电流，使负极电位回升，当负极电位在50mV以上时，按1/20C的固定电流步长给电池升电流，使负极电位下降，得到该起始温度点的快充策略曲线图，接着调节温箱温度，重新设置起始温度点-3℃，10℃，25℃，45℃，重复以上步骤，得到不同起始温度点-3℃，10℃，25℃，45℃的快充策略曲线图。

S102：根据多个所述快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系。

快充策略曲线图包括充电时间、实时温度、充电电流、起始温度等信息，根据这些信息，通过插值法可以得到SOC、温度、充电电流三者之间的关系。本发明实施例考虑了SOC和温度两个维度下的析锂边界电流值，得到了整个充电周期更精确的边界电流值。

在一个可选的实施例中，所述根据多个所述快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系，包括：

根据所述快充策略曲线图获得充电时间、充电电流、实时温度。

根据所述充电时间、所述充电电流、所述实时温度，获得多个第一二维图和多个第二二维图，所述第一二维图表示每一起始温度下所述充电时间与所述充电电流关系的二维图，所述第二二维图表示每一起始温度下所述充电时间与所述实时温度关系的二维图。

根据所述SOC和每一第一二维图，获得第三二维图，所述第三二维图表示所述SOC与所述充电电流关系的二维图。

根据所述SOC和每一第二二维图，获得第四二维图，所述第四二维图表示所述SOC与所述实时温度关系的二维图。

将所述SOC区间0％～100％以等间隔进行划分，获得N个SOC标志点，N大于1，N为整数。

根据多个第三二维图、多个第四二维图、N个SOC标志点，通过分段线性插值法，确定SOC、温度、充电电流的关系。

第一二维图是横轴为充电时间，纵轴为充电电流的充电时间—充电电流二维图，第二二维图是横轴为充电时间，纵轴为实时温度的充电时间—实时温度二维图，第三二维图是横轴为SOC，纵轴为充电电流的SOC—充电电流二维图，第四二维图是横轴为SOC，纵轴为实时温度的SOC—实时温度图二维图。将充电时间转换成电池的SOC，再通过插值法，获得充电电流和SOC与温度之间的关系，即可以根据充电时间和电流的关系，以及充电时间和实时温度的关系，建立SOC、温度，以及充电电流三者的关系。

在一个实施例中，首先，利用Arbin台架记录下快充策略曲线标定时的充电时间、充电电流、实时负极电位和实时温度，画出充电时间—充电电流二维图、充电时间—实时温度二维图。如图2为本发明实施例提供的-20℃起始温度下充电时间—充电电流二维图，如图3为本发明实施例提供的-20℃起始温度下充电时间—实时温度二维图，其它起始温度点对应的充电时间—充电电流二维图和充电时间—实时温度二维图与图2和图3类似，在此不再赘述。

接着，利用安时积分计算SOC，将充电时间—充电电流二维图、充电时间—实时温度二维图转化为SOC—充电电流二维图、SOC—实时温度图。

最后，将SOC区间0％～100％以等间隔划分为9个SOC标志点，找到9个SOC标志点下的温度值和电流值，对同一个SOC标志点下找出的电流值以温度为自变量，进行分段线性插值，插值出不同温度点的电流值，将此过程对不同SOC标志点重复9次，即可标定出完整的SOC—温度—电流map图，如图4为本发明实施例提供的SOC—温度—电流map图。需要说明的是图4中的等高线为充电电流等高线，电流单位为A。

基于参比电极利用分段线性插值的方法标定出的快充电流map考虑了SOC和温度两个维度下的边界电流值，在充电安全的前提下能够缩短充电时间，同时也可为开发包含更多充电影响因素的充电策略提供一定的参考。

上述系统、装置实施例与系统实施例相对应，与该方法实施例具有同样的技术效果，具体说明参见方法实施例。装置实施例是基于方法实施例得到的，具体的说明可以参见方法实施例部分，此处不再赘述。本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种锂电池快充电流标定方法，其特征在于，所述方法包括：

针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，所述三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，所述负极电位阈值大于零，所述快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，所述快充策略曲线图中记录实时温度；

根据多个所述快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对每一起始温度，对三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述三电极锂电池由植入参比电极的待测锂电池制成，所述三电极锂电池的负极电位稳定在预设负极电位阈值附近，所述快充策略曲线图中的充电电流为析锂边界电流，所述快充策略曲线图中记录实时温度，包括：

根据每一起始温度，对所述三电极锂电池进行充电标定，获得与该起始温度对应的快充策略曲线图，所述充电过程按照预设固定电流步长升降电流，使所述三电极锂电池的负极电位稳定在所述预设负极电位阈值附近；

其中，当负极电位低于负极电位阈值时，按照所述预设固定电流步长降低电流，使所述负极电位回升；

当负极电位高于所述负极电位阈值时，按照所述预设固定电流步长升高电流，使所述负极电位下降。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多个所述快充策略曲线图，通过插值法确定SOC、温度、充电电流的关系，包括：

根据所述快充策略曲线图获得充电时间、充电电流、实时温度；

根据所述充电时间、所述充电电流、所述实时温度，获得多个第一二维图和多个第二二维图，所述第一二维图表示每一起始温度下所述充电时间与所述充电电流关系的二维图，所述第二二维图表示每一起始温度下所述充电时间与所述实时温度关系的二维图；

根据所述SOC和每一第一二维图，获得第三二维图，所述第三二维图表示所述SOC与所述充电电流关系的二维图；

根据所述SOC和每一第二二维图，获得第四二维图，所述第四二维图表示所述SOC与所述实时温度关系的二维图；

将所述SOC区间0％～100％以等间隔进行划分，获得N个SOC标志点，N大于1，N为整数；

根据多个第三二维图、多个第四二维图、N个SOC标志点，通过分段线性插值法，确定SOC、温度、充电电流的关系。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固定电流步长取值范围为1/10C～1/20C。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述负极电位阈值取值范围为40mv～60mv。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述负极电位阈值为50mv。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述待测锂电池为软包锂电池或方壳锂电池。

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