一种锂离子电池充电方法及其循环性能测试方法与流程

本发明属于锂离子电池充电技术领域，具体涉及一种锂离子电池充电方法及其循环性能测试方法。

背景技术：

锂离子电池传统的充电方法为：设定锂离子电池的上限电压，以恒定的倍率将锂电池充电至上限电压，然后再以上限电压进行恒压充电，恒压充电过程中，电流不断减小，当电流减小至某一倍率（截止电流）时，即充满电，此时停止充电，完成对锂离子电池的充电过程，一般截止电流设定为0.01c-0.05c。该方法目前普遍应用于锂电池的充电和测试过程，具有充电效率高，对锂电池循环使用性能影响小的优点，能够比较好地反映电池内部的实际情况。但是根据马斯曲线可知，随着锂电池充电时间的增加，电池满足的电流会越来越小，电池满电时的容量也会有所降低，如果按照固定的充电倍率对锂电池进行充电，则会使充电电流大于电池实际所需要的充电电流，相当于增大充电倍率充电，增加电池极化，影响电池的寿命。

一般情况下，电池的充电倍率定义为电池充电电流的大小等于该电池额定容量的倍数。这样，每次常规充电或循环的倍率都是以电池额定容量为计算基础，但是在电池的实际使用过程中，电池的实际可用容量（电池满电情况）会减小。例如某电池按标准充电倍率0.5c0进行充电（c0为电池的额定容量），在电池整个循环过程中电流大小都是0.5c0，但是随着循环次数的增加，电池的实际可用容量减小，可用容量即为c1，此时充电电流0.5c0>0.5c1，相当于在充电过程中增大了电池的充电倍率，增加电池极化，影响电池的寿命。

对锂离子电池的充电过程，如果能找到合适的充电方法对锂电池进行充电，使得在充电过程中，充电电流满足锂电池的实际情况，充电电流满足锂电池自身的倍率情况，将能够减小锂电池内部的极化程度，保持锂电池的使用性能，延长锂电池的循环寿命。例如申请号为201711113574x名为《电池充电方法、电池充电信息产生方法、非暂时性计算机可读介质和电池充电设备》的发明专利，公开了一种锂电池的充电方法，评估电池在使用过程中的荷电状态（soc）和健康状态（soh），获取在特定的soh下，充电倍率与soc变化的关系，然后确定在该soh下的充电倍率。申请号为2017101021600名为《控制混合动力汽车的电池的充电的设备和方法》的发明专利，公开了一种控制连接到混合动力汽车的车轮驱动电动机的电池的充电的方法，通过利用soc的变化，估计最大电池能量，利用最大电池能量，得到归因于电池充电的soh，利用获取的soh，计算电池充电电流，控制电池的充电过程。申请号为2010102479991名为《动力电池组充电均衡控制方法》的发明专利，通过估算动力电池组内各电池单体的最大可用容量和soc，确定容量最小的电池单体，计算各单体所需的均衡容量，充电或放电时根据均衡容量对各电池单体进行均衡，该充电方法具有良好的稳定性。

上述充电方法以电池的soc为基础，根据荷电状态来选择电池的充电方法和充电参数，对锂电池的充电过程具有良好的适应性，但是在实际应用中需要采集的电化学数据较多，计算方法较为复杂，导致充电效率较低。开发新的符合锂电池自身倍率的充电方法，对提高锂电池的充电效率、延长锂电池的使用寿命具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池充电方法，先将待充电锂离子电池进行充电和放电，采集放电容量，然后将待充电锂离子电池静置，以放电容量为基础，结合待充电锂离子电池在快充条件下的充电倍率系数将电池充电至要求的上限电压，然后以上限电压、设定的电流对电池进行恒压充电，将电池充至截止电流。本发明还提供了一种锂离子电池循环性能的测试方法，该测试方法与上述充电方法相适配，先采用上述充电方法对锂电池进行充电，然后采用静置-放电-静置-充电工步对锂电池进行循环，测试锂电池的循环性能，充电电流以锂电池上一步放电容量为基础，结合充电倍率系数而设定。本发明中充电方法以锂电池的可用容量为基础，避免了目前以额定容量确定充电参数而带来充电倍率增大的问题，即本发明充电方法满足锂电池自身的充电性能，能够提高锂电池的循环性能和使用寿命，同时本发明中充电方法还适用于快充领域，在快充工步下引入本发明的充电方法，可改善锂电池的快充循环性能。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明提供了一种锂离子电池充电方法，包括如下步骤：

s01，将待充电锂离子电池以电流i1充电至上限电压，然后以电流i2放电至下限电压，所述待充电锂离子电池的额定容量为c，采集所述待充电锂离子电池的放电容量cd1；

s02，将所述待充电锂离子电池进行第一次静置；

s03，以充电电流i3将所述待充电锂离子电池充电至所述上限电压，然后以所述上限电压、电流i4为起始电流进行恒压充电至截止电流；

所述充电电流i3为充电倍率系数×cd1；所述电流i4为0.01cd1-0.6cd1；所述截止电流为0.01cd1-0.05cd1；

所述充电倍率系数为所述待充电锂离子电池在快速充电条件下的充电倍率系数。

本发明中充电方法以锂离子电池可用容量为基础，结合快充条件下的充电倍率系数设定锂离子电池的充电参数。首先是将待充电锂电池在充放电设备上以设定的电流进行充放电，通过充放电设备采集放电过程的放电容量。上述充电过程中充电至电池的上限电压，放电过程中放电至电池的下限电压，使得采集到的放电容量数据能够准确反映锂电池的放电性能，然后将待充电锂电池静置，使电池内部电化学反应处于稳定状态，确保后续过程的准确性。

静置结束后对待充电锂电池进行充电，充电过程中以上述放电容量为基础，结合待充电锂电池在快充条件下的充电倍率系数，确定充电电流，充电电流等于上述放电容量与充电倍率系数的乘积。

优选地，在上述锂电池充电过程中，为了计算锂电池循环过程中的充放电效率，在循环过程中对锂电池的充电容量进行采集，在每次循环前，将采集到的充电容量清零，避免充电容量累积，结合循环过程中的放电容量，继而计算得出锂电池循环过程中的充放电效率。

待充电锂离子电池恒压充电过程中电流根据放电容量进行选择，使充电电流进一步适应于锂离子电池的自身充电倍率性能，进一步缩短充电时间，同时减小电池内部因充电电流过大的极化影响，改善因充电电流过小而引起充电时间长、充电效率低的问题。优选地，所述电流i4为0.3cd1-0.5cd1，当电流i4小于0.3cd1时，充电速度较慢，充电时间较长，会降低锂电池的充电效率；随着电流i4的增大，锂电池的循环性能会降低，以0.5cd1充电、1c放电循环1000周容量保持率在80%以上，随着充电电流的继续增大，容量保持率会在80%以下，难以满足消费者对电池循环性能的要求。电流i4优选0.3cd1-0.5cd1，兼顾了充电效率和循环性能的要求。不同类型的锂离子电池在不同快充条件下具有不同的充电倍率系数，快充过程得出的充电倍率系数能够反映锂离子电池在快速充电情况下电流和电压的关系，主要表现为将锂电池在短时间内充电至需要的电性能状态，但是在快充过程中往往会以牺牲电池的循环性能来达到短时间充电的效果，在快充过程中电池内部极化较为严重，相对应的会对电池循环性能和使用寿命有一定的限制。

本发明充电方法在充电电流的设定上，以电池放电容量为基础，结合快速充电时的充电倍率系数，为电池在不同的健康状态（soh）下选择相适配的充电电流，使充电电流能够适应于电池自身的充电性能，同时具有快充的优点，能够缩短锂电池的充电时间，能够满足目前消费者对电池短时间充满电的诉求。

本发明中充电方法还能应用于快速充电领域。在锂电池快充过程中，电池不同的荷电状态（soc）下对应的最大充电电流不同，找到满足锂电池在不同soc情况下的最大充电电流后，引入本发明中的充电方法，以不同soc情况下的最大充电电流为基础，结合该情况下锂电池的可用容量，确定充电参数，即可将本发明中的充电方法引入快充领域，达到改善快充循环性能的效果。

优选地，本发明中所述快速充电为变电流间歇快速充电，变电流间歇快速充电，通过限压变电流间歇充电，得出锂电池在不同电压区间满足的充电倍率，得出锂电池充电倍率系数，本发明充电过程中以锂电池的放电容量为基础，设定锂电池的充电电流，将锂电池充电至所需的电性能状态。能够使充电方法在满足电池自身充电倍率的条件下，缩短充电时间，提高充电效率。

进一步地，所述电流i1为0.2c-2.0c；所述电流i2为0.5c-3.0c。选择适当的充电电流将锂电池充电至上限电压、选择适当的放电电流将锂电池放电至下限电压，操作方法简单易行。充放电至锂离子电池的上下限电压，使充放电设备采集到的充电容量和放电容量能够反映锂电池实际充放电情况，有利于准确判断锂电池的健康状态（soh）。

进一步地，所述第一次静置的时间为5-30min。选用合适的静置时间使得锂电池在静置过程中电化学反应稳定，静置时间太短则电池内部还处于反应程度较高的情况，不利于后续准确采集锂电池充放电过程中的充放电容量；静置时间太长则使充电时间延长，降低充电效率。

进一步地，所述上限电压为所述待充电锂离子电池满电时的电压；所述下限电压为所述待充电锂离子电池正常放电的最小电压。上限电压和下限电压符合锂电池的实际容量情况，使采集到的充电容量能够反映待充电锂离子电池的真实充放电性能。上限电压高于满电时的电压，则电池处于过充状态，会直接影响电池的使用寿命；如果下限电压太低，锂电池处于过放状态，当下限电压低于锂电池正常放电的最小电压时，锂电池无法正常工作，导致采集的放电容量不符合锂电池的正常工作状态。需要说明的是，上限电压和下限电压还可以根据电池设计的需求进行设定，以满足电池设计者和电池使用者对锂电池性能的要求。

本发明还提供了一种锂离子电池循环性能测试方法，包括如下步骤：

步骤(1)：按照上述锂离子电池充电方法对待测试锂离子电池进行充电；

其中：在所述充电过程中，采集s01中所述待测试锂离子电池的充电容量c1，s02中进行第一次静置后，将所述充电容量c1设置为零；采集s03中自充电电流i3开始到充电至截止电流过程中所述待测试锂离子电池的充电容量c2；

步骤(2)：将所述待测试锂离子电池进行第二次静置，将所述放电容量cd1和充电容量c2设置为零；

步骤(3)：以电流i5将所述待测试锂离子电池放电至所述下限电压，采集所述待测试锂离子电池的放电容量cd2；

步骤(4)：将所述待测试锂离子电池进行第三次静置，以电流i6将所述待测试锂离子电池充电至所述上限电压，然后以所述上限电压、电流i7为起始电流进行恒压充电至截止电流；所述i6为所述充电倍率系数×cd2，采集自充电电流i6开始到充电至截止电流过程中所述待测试锂离子电池的充电容量c3；所述电流i7为0.01cd2-0.6cd2；

步骤(5)：重复步骤(2)~步骤(4)进行循环，测试所述待测试锂离子电池的循环性能。

进一步地，所述电流i5为0.5c-3.0c。

进一步地，所述第二次静置的时间为5-30min，所述第三次静置的时间为5-30min。

本发明中提供的锂离子电池循环性能测试方法，与本发明中提供的充电方法相适配，先采用上述充电方法对锂电池进行充电，然后采用静置-放电-静置-充电工步对锂电池进行循环，测试锂电池的循环性能。在循环过程中，为了计算锂电池的充放电效率和准确确定充电电流，对上一步循环过程中相应的充电容量和放电容量进行清零处理，以得到每次循环过程中的充放电容量。在每一个循环过程中，电池的充电电流会根据上一步放电容量进行调整，结合充电倍率系数，设定相应的充电电流。

本发明具有以下优点：

1.本发明中充电方法以锂电池的可用容量为基础，避免了目前以额定容量确定充电参数而带来充电倍率增大的问题，满足锂电池自身的充电性能，能够提高锂电池的循环性能和使用寿命。

2.本发明中结合快充条件下的充电倍率系数，能够使充电方法在满足电池自身充电倍率的条件下，缩短充电时间，提高充电效率。

3.本发明中充电方法还适用于快充领域，在快充工步下引入本发明的充电方法，可改善锂电池的快充循环性能。

附图说明

图1为本发明中锂离子电池循环性能测试方法流程图。

图2为本发明中锂离子电池循环性能测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例中使用的锂离子电池为本公司生产的三元锂离子电池，电池额定容量为c，电池的初始状态为100%健康状态（100%soh）。

实施例1

s01，将锂离子电池在测试柜上以0.5c电流进行充电，充电至电压为4.2v，然后以1c电流放电至电压为2.75v，充放电过程中，采集充电容量为c1、放电容量cd1。

s02，将s01中放电后的锂离子电池静置10min，并将测试柜采集到的充电容量c1清零，防止下一步锂离子电池充电容量的累加，方便计算下一步充电的容量。

s03，将锂离子电池进行充电，充电电流为充电倍率系数×cd1。充电倍率系数为表1所示的充电倍率系数。表1中充电倍率系数为对本实施例中的三元锂离子电池采用变电流间歇快速充电工步得出的充电倍率系数（本实施例中充电倍率系数选取快充工步中部分充电倍率系数进行测试，不影响本实施例的测试结果）。具体充电过程为：依次按照序号1至序号10所示的电流倍率进行充电，即变电流充电，首先采用1.013cd1将锂电池充电至电压为3.76v，然后将电流调整为1.115cd1将锂电池充电至电压为3.83v，然后将电流调整为1.161cd1将锂电池充电至电压为3.91v，直至序号10，将电流调整为0.5cd1将锂电池充电至电压为4.2v。然后以4.2v、电流0.329cd1恒压将锂电池充电至截止电流为0.05cd1，采集充电容量c2。

s04，将s03中充电完成后的锂电池静置10min，将所述放电容量cd1和充电容量c2清零。

s05，以电流1c将所述待测试锂离子电池放电至2.75v，采集所述待测试锂离子电池的放电容量cd2。

s06，将s05中放电完成后的锂电池静置10min，按s03中的方法及充电倍率系数对锂电池进行充电，不同之处在于，锂电池容量由cd1替换为cd2，将锂电池充至截止电流为0.05cd1，采集所述待测试锂离子电池的充电容量c3。

s07，重复s04~s06进行循环，测试锂离子电池的循环性能。

本实施例中锂电池循环性能测试方法流程图如附图1所示。按照附图1所示的步骤对锂电池进行循环性能测试。本实施例中锂电池循环性能测试结果如附图2所示。

表1

对比例1

对比例1中所用的锂离子电池与实施例1中的锂离子电池为同一批次、性能指标一致的锂离子电池。

对比例1中锂离子电池的充电方法及循环性能测试方法为：

s01，将锂离子电池在测试柜上以0.5c电流进行充电，充电至电压为4.2v，然后以1c电流放电至电压为2.75v，充放电过程中，采集充电容量为c1、放电容量cd1。

s02，将s01中放电后的锂离子电池静置10min，并将测试柜采集到的充电容量c1清零，防止下一步锂离子电池充电容量的累加，方便计算下一步充电的容量。

s03，将锂离子电池进行充电，充电电流为充电倍率系数×c。充电倍率系数为表1所示的充电倍率系数。表1中充电倍率系数为对本实施例中的三元锂离子电池采用变电流间歇快速充电工步得出的充电倍率系数（本实施例中充电倍率系数选取快充工步中部分充电倍率系数进行测试，不影响本实施例的测试结果）。具体充电过程为：依次按照序号1至序号10所示的电流倍率进行充电，即变电流充电，首先采用1.013c将锂电池充电至电压为3.76v，然后将电流调整为1.115c将锂电池充电至电压为3.83v，然后将电流调整为1.161c将锂电池充电至电压为3.91v，直至序号10，将电流调整为0.5c将锂电池充电至电压为4.2v。然后以4.2v、电流0.329c恒压将锂电池充电至截止电流为0.05c，采集充电容量c2。

s04，将s03中充电完成后的锂电池静置10min，将所述放电容量cd1和充电容量c2清零。

s05，以电流1c将所述待测试锂离子电池放电至所述下限电压，采集所述待测试锂离子电池的放电容量cd2。

s06，将s05中放电完成后的锂电池静置10min，按s03中的方法及充电倍率系数对锂电池进行充电，将锂电池充至截止电流为0.05c，采集所述待测试锂离子电池的充电容量c3。

s07，重复s04~s06进行循环，测试锂离子电池的循环性能。

对比例1与实施例1的不同之处在于，对比例1充电过程中，充电电流为充电倍率系数×锂电池额定容量。

对比例1中锂电池循环性能测试结果如附图2所示。

由附图2可知，经过相同的循环周数之后，按实施例1中充电方法充电后的锂离子电池容量保持率的衰减速度明显小于对比例1。经过65周循环后，实施例1中锂电池容量保持率衰减3.5%，对比例1中锂电池容量保持率衰减5.8%。说明本发明中充电方法充电后的锂离子电池具有良好的循环性能。

实施例2

与实施例1相比，实施例2的不同之处在于，s01中采用1c电流放电至电压为2.75v，然后充电过程中采用的充电倍率系数如表2所示，恒压充电过程中电压为4.2v、起始电流为0.3cd1。

对比例2

与实施例2相比，对比例2的不同之处在于，对比例2充电过程中，充电电流为充电倍率系数×锂电池额定容量。

经过65周循环后，实施例2中锂电池容量保持率衰减4.1%，对比例1中锂电池容量保持率衰减7.4%。说明本发明中充电方法充电后的锂离子电池具有良好的循环性能。

表2

实施例3

与实施例1相比，实施例3的不同之处在于，s01中采用1c电流放电至电压为2.75v，然后充电过程中采用的充电倍率系数如表3所示，恒压充电过程中电压为4.2v、电流为0.4cd1。

对比例3

与实施例3相比，对比例3的不同之处在于，对比例3充电过程中，充电电流为充电倍率系数×锂电池额定容量。

经过65周循环后，实施例3中锂电池容量保持率衰减3.8%，对比例1中锂电池容量保持率衰减6.3%。说明本发明中充电方法充电后的锂离子电池具有良好的循环性能。

表3

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。