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CN110940920B - 锂电池在预定soc下的不析锂的最大充电电流的获取方法 - Google Patents

锂电池在预定soc下的不析锂的最大充电电流的获取方法 Download PDF

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CN110940920B CN201911157371.XA CN201911157371A CN110940920B CN 110940920 B CN110940920 B CN 110940920B CN 201911157371 A CN201911157371 A CN 201911157371A CN 110940920 B CN110940920 B CN 110940920B
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Abstract

本发明提供了一种锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，因为通过在锂电池上设置参比电极来建立等效电路模型，再利用向等效电路模型中输入锂电池正负极间电流和负极电位，最终获取锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流，所以，本发明的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法所需输入资源少且计算简单。

Description

锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法。
背景技术
锂离子电池充电时，Li+从正极脱嵌，这些Li+在电解质中扩散至负极表面，并嵌入负极材料中。以石墨负极为例，当负极电位下降至一定电位以下时，发生嵌锂过程；随着充电继续进行，负极电位下降至0V以下，就发生了锂沉积副反应，此时负极的锂沉积副反应与嵌锂反应同时进行。在电池在日常使用过程中，一些不良使用方式会导致电池的析锂。过充会使得负极嵌入锂的状态过饱和，锂离子会在负极表面还原成金属锂；大倍率和低温充电会使得锂离子来不及扩散和嵌入负极材料中，使得锂沉积。因此，析锂与负极电位息息相关。
以往此类研究中涉及较多的电池模型总体上可分为二类。第一类是通过描述电池内部反应及其耦合关系表征电池响应的电化学机理模型，主要代表是P2D模型。第二类是在更加微观的尺度，从分子或原子出发，对电池内动力学过程进行建模。这两类模型精度虽然较高，但是计算较为复杂，难于应用于资源极度有限的BMS系统中去得到相关锂电池不析锂的最大充电电流。
发明内容
本发明是针对上述问题而进行的，目的在于提供一种计算简单且所需资源少的锂电池不析锂的最大充电电流的获取方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤S1：在锂电池上设置参比电极，将锂电池作为样本锂电池，并将参比电极至样本锂电池的负极作为样本锂电池的负极段；
步骤S2：通过预定试验获取在至少一种预定SOC(荷电状态)下的样本锂电池的以预定时间间隔的多个正负极间电流和负极段的电势差，将负极段的电势差作为负极电位，负极电位大于0V；
步骤S3：建立与负极段的电路等效的电路模型，作为等效电路模型，等效电路模型具有等效欧姆内阻和等效极化内阻；
步骤S4：将正负极间电流和负极电位输入等效电路模型，得到等效电路模型的端电压，作为等效端电压；
步骤S5：根据等效欧姆内阻和等效极化内阻得到等效总内阻；
步骤S6：根据等效端电压和等效总内阻得到样本锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S2中，预定试验为混合动力脉冲能力特性试验或新标欧洲循环试验。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S2中，样本锂电池的预定SOC的数量为5种，分别为0.2SOC、0.4SOC、0.6SOC、0.8SOC以及1SOC。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S4包括以下子步骤：
步骤S4-1：将锂电池在5种预定SOC下对应的负极电位和正负极间电流输入等效电路模型，基于预定最优化算法得到相应的5种负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻；
步骤S4-2：根据5种负极OCV得到SOC-OCV曲线，根据5种等效欧姆内阻得到SOC-欧姆内阻曲线，根据5种等效极化内阻得到SOC-极化内阻曲线；
步骤S4-3：基于SOC-OCV曲线、SOC-欧姆内阻曲线以及SOC-极化内阻曲线利用插值法得到任意一种SOC下对应的负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻；
步骤S4-4：根据负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻，得到等效端电压。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4-1中，预定最优化算法为粒子群算法或遗传算法。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4-2中，SOC-欧姆内阻曲线包含充电SOC-欧姆内阻曲线和放电SOC-欧姆内阻曲线。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，等效电路模型还包括与等效极化内阻相互并联的等效电容，
在步骤S4-4中，等效端电压Ue的表达式如式(1)所示：
Ue＝OCV--Uohm-U1 (1)
OCV-为负极OCV，Uohm＝I*R0，I为正负极间电流，R0为等效欧姆内阻，
U1通过
Figure BDA0002285160110000041
迭代得到，tao1＝R11*C11，R11为等效极化内阻，C11为等效电容，Δt(j)为预定时间，I(j)为在当前正负极间电流，U1(j)为当前等效极化内阻的端电压，U1(j-1)为上一次得到的U1(j)。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4-3中，等效欧姆内阻位于第一预定范围内，等效极化内阻位于第二预定范围内。
在本发明提供的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，第一预定范围为0至R1s，
R1s的表达式如式(2)所示：
Figure BDA0002285160110000042
ΔU1为在预定试验的充电过程中1秒内的负极电位的变化量，ΔI1为在预定试验的充电过程中1秒内的正负极间电流的变化量，
第二预定范围0至R2s，
R2s的表达式如式(3)所示：
Figure BDA0002285160110000051
ΔU2为在预定试验的充电过程中10秒内的负极电位的变化量，ΔI2为预定试验的充电过程中10秒内的正负极间电流的变化量。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，因为通过在锂电池上设置参比电极来建立等效电路模型，再利用向等效电路模型中输入锂电池正负极间电流和负极电位，最终获取锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流，所以，本发明的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法所需输入资源少且计算简单。
附图说明
图1是本发明的实施例中的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法的步骤示意图；
图2是本发明的实施例中的等效电路模型的示意图；
图3是本发明的实施例中的SOC-OCV曲线；
图4是本发明的实施例中的SOC-负极电位-正负极间电流曲线对比图；
图5是本发明的实施例中的放电SOC-欧姆内阻曲线；
图6是本发明的实施例中的充电SOC-欧姆内阻曲线；
图7是本发明的实施例中的SOC-极化内阻曲线；以及
图8是本发明的实施例中的SOC-内阻曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法作具体阐述。
图1是本发明的实施例中的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法的步骤示意图。
如图1所示，本实施例中的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法S100，根据锂电池的负极电位大于0V时锂电池不发生析锂的原理，得到锂电池在预定SOC下不析锂的最大充电电流，包括以下步骤：
步骤S1：在锂电池上设置参比电极，将锂电池作为样本锂电池，并将参比电极至样本锂电池的负极作为样本锂电池的负极段。
步骤S2：通过预定试验获取在至少一种预定SOC(荷电状态)下的样本锂电池的以预定时间间隔的多个正负极间电流和负极段的电势差，将负极段的电势差作为负极电位，负极电位大于0V。预定试验为HPPC(混合动力脉冲能力特性)试验或NEDC(新标欧洲循环)试验。预定试验中的充电方式采用脉冲充电，样本锂电池的预定SOC的数量为5种，分别为0.2SOC、0.4SOC、0.6SOC、0.8SOC以及1SOC。
在本实施例中，预定试验优选HPPC试验，在进行试验的过程中，不仅要以预定时间对样本锂电池的正负极之间的电流和电压进行间隔测量，还要测量参比电极与样本锂电池的负极之间的电势差，并将此作为样本锂电池的负极电位；试验完成后，对得到的多个样本锂电池的正负极之间的电流、电压以及负极电位进行记录。
步骤S3：建立与负极段的电路等效的电路模型，作为等效电路模型，等效电路模型具有等效欧姆内阻和等效极化内阻。
图2是本发明的实施例中的等效电路模型的示意图。
如图2所示，在本实施例中，等效电路模型通过MATLAB建立，包括开路电压OCV_、相互串联的等效欧姆内阻R0以及等效极化内阻R11，等效电路模型还包括与等效极化内阻R11相互并联的等效电容C11。
步骤S4：将正负极间电流和负极电位输入等效电路模型，得到等效电路模型的端电压，作为等效端电压，包括以下子步骤：
步骤S4-1：将锂电池在5种预定SOC下对应的负极电位和正负极间电流输入等效电路模型，基于预定最优化算法得到相应的5种负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻；预定最优化算法为粒子群算法或遗传算法。
在本实施例中，对等效电路模型进行参数辨识，将正负极间电流、负极电位以及时间数据，导入到预定最优化算法中，预定最优化算法优选为粒子群算法。
步骤S4-2：根据5种负极OCV得到SOC-OCV曲线，根据5种等效欧姆内阻得到SOC-欧姆内阻曲线，根据5种等效极化内阻得到SOC-极化内阻曲线，SOC-欧姆内阻曲线包含充电SOC-欧姆内阻曲线和放电SOC-欧姆内阻曲线。
图3是本发明的实施例中的SOC-OCV曲线。
如图3所示，通过预定最优化算法的计算，得到体现负极OCV_与SOC关系的SOC-OCV曲线。
图4是本发明的实施例中的SOC-负极电位-正负极间电流曲线对比图；
如图4所示，将通过预定最优化算法计算得到的对应SOC的负极电位和正负极间电流纳入同一图中进行对比，其中曲线A表示SOC，曲线B表示正负极间电流，曲线C表示负极电位。左方的纵坐标表示电流(安培)，右方的纵坐标表示电压(伏特)，横坐标表示时间(*104秒)。
图5是本发明的实施例中的放电SOC-欧姆内阻曲线；图6是本发明的实施例中的充电SOC-欧姆内阻曲线；图7是本发明的实施例中的SOC-极化内阻曲线；以及图8是本发明的实施例中的SOC-内阻曲线。
如图5-图8所示，在图4体现的数据中截取多段数据，输入等效电路模型，利用预定最优化算法，得到样本锂电池放电状态下的放电SOC-欧姆内阻曲线、样本锂电池充电状态下的充电SOC-欧姆内阻曲线、SOC-极化内阻曲线以及SOC-内阻曲线。
步骤S4-3：基于SOC-OCV曲线、SOC-欧姆内阻曲线以及SOC-极化内阻曲线利用插值法得到任意一种SOC下对应的负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻；等效欧姆内阻位于第一预定范围内，等效极化内阻位于第二预定范围内，第一预定范围为0至R1s，
R1s的表达式如式(2)所示：
Figure BDA0002285160110000091
ΔU1为在预定试验的充电过程中1秒内的负极电位的变化量，ΔI1为在预定试验的充电过程中1秒内的正负极间电流的变化量，
第二预定范围0至R2s，
R2s的表达式如式(3)所示：
Figure BDA0002285160110000092
ΔU2为在预定试验的充电过程中10秒内的负极电位的变化量，ΔI2为预定试验的充电过程中10秒内的正负极间电流的变化量。
在本实施例中，ΔU1为充电脉冲前1秒的样本锂电池的端电压与充电脉冲后1秒的样本锂电池的端电压的差值，ΔI1为充电脉冲前1秒的样本锂电池的正负极间电流与充电脉冲后1秒的样本锂电池的正负极间电流的差值。ΔU2为充电脉冲前10秒的样本锂电池的端电压与充电脉冲后10秒的样本锂电池的端电压的差值，ΔI2为充电脉冲前10秒的样本锂电池的正负极间电流与充电脉冲后10秒的样本锂电池的正负极间电流的差值。
步骤S4-4：根据负极OCV、等效欧姆内阻以及等效极化内阻，得到等效端电压，等效端电压Ue的表达式如式(1)所示：
Ue＝OCV--Uohm-U1 (1)
OCV-为负极OCV，Uohm＝I*R0，I为正负极间电流，R0为等效欧姆内阻，
U1通过
Figure BDA0002285160110000101
迭代得到，tao1＝R11*C11，R11为等效极化内阻，C11为等效电容，Δt(j)为预定时间，I(j)为在当前正负极间电流，U1(j)为当前等效极化内阻的端电压，U1(j-1)为上一次得到的U1(j)。
具体的，在一种预定SOC下，预定试验开始时，测量得到极化内阻的端电压U1(0)，在预定试验的过程中，以预定时间为测量间隔对样本锂电池的正负极间电流进行多次测量，依次得到N个不同的当前正负极间电流，N>5，通过
Figure BDA0002285160110000102
Figure BDA0002285160110000103
的迭代计算，对当前等效极化内阻R11和等效电容C11组成的并联电路的端电压U1(j)进行不断地更新，直至得到第N个端电压U1(j)，作为U1，计算得到在预定SOC下的对应的等效端电压Ue。
步骤S5：根据等效欧姆内阻和等效极化内阻得到等效总内阻。
步骤S6：根据等效端电压和等效总内阻得到样本锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流。
在本实施例中，根据不同的SOC得到样本锂电池不析锂的最大充电电流，并建立最大充电电流-SOC曲线，利用此曲线我们可以限制快速充电的电流，保证充电电流不得高于此曲线，这样既可以实现快速充电，也可以保证负极不析锂，保证了电池的安全性，减少了充电时间。
也可以利用当前的计算方法逆向判断，如果输入某个值的电流，为电池进行充电，根据锂离子电池的特性，在电池充电时负极电位会逐渐下降，但是不能低于0V。一旦电流过大，有可能使得负极的电位低于0V，此时就会发生析锂。可以将步骤S6得出的样本锂电池在预定SOC下不析锂的最大充电电流，作为极限安全电流IS，由于IS＝负极电位/负极段的总内阻,而等效电路模型中的等效端电压即为上述的负极电位，而等效电路模型中的等效总内阻即为上述的负极段的总内阻，因此，在预定SOC下，输入即将为锂电池充电的电流，就可以判断预测出负极即将产生的电位，从而可以判断是否可以进行此充电电流下进行充电。
基于大量实验验证，本实施例的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法在应用于实践中时，有利于减少锂电池负极析锂发生的情况，提升锂电池快速充电的安全性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，因为通过在锂电池上设置参比电极来建立等效电路模型，再利用向等效电路模型中输入锂电池正负极间电流和负极电位，最终获取锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流，所以，本实施例的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法所需输入资源少且计算简单。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，根据锂电池的负极电位大于0V时该锂电池不发生析锂的原理，得到所述锂电池在预定SOC下不析锂的最大充电电流，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在锂电池上设置参比电极，将该锂电池作为样本锂电池，并将所述参比电极至所述样本锂电池的负极作为所述样本锂电池的负极段；
步骤S2：通过预定试验获取在至少一种预定SOC下的所述样本锂电池的以预定时间间隔的多个正负极间电流和所述负极段的电势差，将所述负极段的电势差作为负极电位，该负极电位大于0V；
步骤S3：建立与所述负极段的电路等效的电路模型，作为等效电路模型，该等效电路模型具有等效欧姆内阻和等效极化内阻；
步骤S4：将所述正负极间电流和所述负极电位输入所述等效电路模型，得到所述等效电路模型的端电压，作为等效端电压；
步骤S5：根据所述等效欧姆内阻和所述等效极化内阻得到等效总内阻；
步骤S6：根据所述等效端电压和所述等效总内阻得到所述样本锂电池在所述预定SOC下的不析锂的最大充电电流。
2.根据权利要求1所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，在步骤S2中，所述预定试验为混合动力脉冲能力特性试验或新标欧洲循环试验。
3.根据权利要求1所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，在步骤S2中，所述样本锂电池的所述预定SOC的数量为5种，分别为0.2SOC、0.4SOC、0.6SOC、0.8SOC以及1SOC。
4.根据权利要求3所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，步骤S4包括以下子步骤：
步骤S4-1：将所述锂电池在5种预定SOC下对应的所述负极电位和所述正负极间电流输入所述等效电路模型，基于预定最优化算法得到相应的5种负极OCV、所述等效欧姆内阻以及所述等效极化内阻；
步骤S4-2：根据5种所述负极OCV得到SOC-OCV曲线，根据5种所述等效欧姆内阻得到SOC-欧姆内阻曲线，根据5种所述等效极化内阻得到SOC-极化内阻曲线；
步骤S4-3：基于所述SOC-OCV曲线、SOC-欧姆内阻曲线以及所述SOC-极化内阻曲线利用插值法得到任意一种SOC下对应的所述负极OCV、所述等效欧姆内阻以及所述等效极化内阻；
步骤S4-4：根据所述负极OCV、所述等效欧姆内阻以及所述等效极化内阻，得到所述等效端电压。
5.根据权利要求4所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，在步骤S4-1中，所述预定最优化算法为粒子群算法或遗传算法。
6.根据权利要求4所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，在步骤S4-2中，所述SOC-欧姆内阻曲线包含充电SOC-欧姆内阻曲线和放电SOC-欧姆内阻曲线。
7.根据权利要求4所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，所述等效电路模型还包括与等效极化内阻相互并联的等效电容，
在步骤S4-4中，所述等效端电压Ue的表达式如式(1)所示：
Figure FDA0003182852390000031
OCV_为所述负极OCV，Uohm＝I*R0，I为所述正负极间电流，R0为所述等效欧姆内阻，
U1通过
Figure FDA0003182852390000032
迭代得到，tao1＝R11*C11，R11为所述等效极化内阻，C11为所述等效电容，Δt(j)为所述预定时间，I(j)为在当前正负极间电流，U1(j)为当前等效极化内阻的端电压，U1(j-1)为上一次得到的U1(j)。
8.根据权利要求4所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，在步骤S4-3中，所述等效欧姆内阻位于第一预定范围内，所述等效极化内阻位于第二预定范围内。
9.根据权利要求8所述的锂电池在预定SOC下的不析锂的最大充电电流的获取方法，其特征在于：
其中，所述第一预定范围为0至R1s，
所述R1s的表达式如式(2)所示：
Figure FDA0003182852390000041
ΔU1为在所述预定试验的充电过程中1秒内的所述负极电位的变化量，ΔI1为在所述预定试验的充电过程中1秒内的所述正负极间电流的变化量，
所述第二预定范围0至R2s，
所述R2S的表达式如式(3)所示：
Figure FDA0003182852390000042
ΔU2为在所述预定试验的充电过程中10秒内的所述负极电位的变化量，ΔI2为所述预定试验的充电过程中10秒内的所述正负极间电流的变化量。
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