一种基于最小析锂过电势的电池模组充电方法技术

本发明专利技术提供了一种基于最小析锂过电势的电池模组充电方法，涉及锂离子电池技术领域，其原理也可拓展到电池包上。是在建立精确描述了副反应的电池模组模型的基础上，通过最小值模块作为控制量，设定一个最小析锂过电势的控制阈值，设定当该控制量达到该阈值时通过控制器反馈减小电池模组的总充电电流，得出一种适合模组充电特性的无析锂充电曲线，达到消除模组充电中锂离子电池单体析锂风险的效果，减小因为电池副反应导致的模组容量损失，延长电池模组寿命。其中，最小析锂过电势的控制阈值一般设定为0V，也可以根据电芯的不同情况设定不同的阈值。同的阈值。同的阈值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最小析锂过电势的电池模组充电方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种基于最小析锂过电势的锂离子电池模组快速充电方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球环境逐渐恶化，环境保护与能源安全问题受到广泛关注，世界各国均将新能源汽车作为重点发展的方向和产业。发展电动汽车可以减少石油消耗、降低二氧化碳的排放并促进能源转型和汽车工业的升级。锂离子电池由于具有额定电压高、比能量高、循环寿命长、对环境污染小的优势，目前广泛应用于储能系统和电动汽车。
[0003]一个大容量的储能系统需要成千上万的单个储能单元，在这种情况下是电池单元，并联或串联连接。与串联电池模块相比，并联电池模块由于电池性能或互连电阻的变化而呈现出更加复杂和不均匀的电流分布，这会导致循环后电池组性能的严重下降。
[0004]近年来，随着人们对快速充电的需求日益增长，充电技术逐渐引起了电池行业的广泛关注。允许的充放电倍率取决于电池正负极的倍率性能。一般来说，充电技术可以通过新材料的发展和充电策略来解决。材料技术致力于探索新兴的电池化学，如低迂曲率电极的制备和电解液添加剂，它们可以在根本上承受大倍率电流而电池不发生严重的衰减。为了实现电池健康和效率的目标，人们付出了巨大的努力来探索充电策略。传统的充电方式通常可以被描述为被动充电，如恒流
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恒压(CC
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CV)、多级恒流(MCC)、恒功率(CP)。这些充电协议方便操作，但缺乏来自电池本身的反馈调整。随着人们对电池模型认识的深入，越来越多的研究者开始根据电池模型的物理特性来探索充电策略。基于模型的充电策略优化通常取决于所选择的模型，如等效电路模型(ECM)和电化学模型。
[0005]尽管基于模型的充电技术已经取得了巨大的成就，但随着能源消耗量的逐年增加，大规模的能源投入也是迫切需要的。例如，快速充电站必须具备大容量负载能力，以实现数百辆汽车同时快速充电，而电动汽车的电池组也应该能够处理高倍率充电。在一些车
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网(V2G)设备中，快速充放电是提高V2G存储结构效率的重要手段。在这种情况下，车辆和电网储能设施都面临着快速充电的困难
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循环寿命的严重退化。通过前人的研究，综述了锂离子电池的衰减机理，一般可分为锂离子损失(LLI)和活性物质损失(LAM)。一般来说，电池的电化学性能和安全性能可能受到过度的高倍率循环的严重危害，导致加速衰减，甚至在极端条件下发生灾难性事件，如热失控。作为影响LLI的一个主要因素，当析锂过电位达到0V时，阳极表面极易发生析锂反应，导致电池不可逆容量损失甚至内部短路。相比之下，固体电解质界面(SEI)薄膜的生长会导致较为适度的电容损失，但在整个循环寿命期间几乎不断发生。
[0006]在电池系统的正常运行中，有时需要一个相对较高的倍率，如2C，以承担偶尔的高能量功率波动。然而，高的总电流加剧了并联模块电流分布的不均匀性，这意味着某些分支电路在能量输入/输出过程中可能会出现较高的局部电流。局部不均匀电流分布可能导致单个电池的过度衰减行为，从而加速电池性能的退化。
[0007]因此，工业界迫切需要一种针对锂离子电池模组的快速充电策略。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于基于带有描述副反应的电池模组电化学
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热耦合模型，通过最小析锂过电势作为控制量，受控模组对象为充电总电流，实时反馈得到最佳的锂离子电池模组无析锂快速充电方法。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种基于最小析锂过电势的锂离子电池模组充电方法，基于一个已经标定完全的模组模型，该模型需要能够描述锂离子电池单体的副反应；锂离子电池单体的副反应为SEI膜的生长以及析锂；
[0011]在充电开始时，将总电流输入模组模型，在输入充电电流时，对所有电池单体的电析锂过电位进行持续监测，确定模组中最小值的计算模块；
[0012]将最小值的计算模块放置在过电位的电池单体输出端；
[0013]在计算了最小值之后，将最小析锂过电势与危险阈值作差，然后将结果输入控制器中；
[0014]通过控制器的输出调整充电电流，实现了充电电流的闭环优化，最终得到模组无析锂的最佳充电曲线。
[0015]进一步的，本专利技术电池模组的模型是由多个电池单体通过串并联的方式成组，每一个电池单体均为描述副反应的电化学
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热耦合模型，电池连接处均有连接内阻，对电池模组给出一个总输入和输出，观察不同电池单体的经过的电流及相应的析锂过电势。
[0016]进一步的，本专利技术析锂的电流密度与析锂过电势的计算公式如下：
[0017][0018][0019]公式中，J
lpl
代表析锂反应的电流密度，i
0,lpl
代表析锂副反应的参考电流密度，代表负极颗粒比表面积，F代表法拉第常数，R代表理想气体常数，T代表温度，η
lpl
代表析锂过电势，Φ
s
代表固相电势，Φ
e
代表液相电势，U
lpl
代表锂金属的平衡电位，J代表总反应的电流密度，R
film
代表膜电阻；
[0020]当析锂过电势低于危险阈值时，认为电池发生析锂副反应，因析锂导致的不可逆容量损失可以由电流积分得到。析锂过电势低于危险阈值为0V。
[0021]进一步的，本专利技术模组电路的构型不限，需要事先对于电池单体的电
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热特性进行完整标定。
[0022]进一步的，本专利技术控制器的输出对充电电流的调整方法是：控制器采用比例微分控制方法，控制器参数根据实际情况进行调整，控制器输入为最小析锂过电势与危险阈值的差，控制器输出量为正值，将其直接反馈至总电流输入中，直至达到稳态。
[0023]进一步的，本专利技术标定完全的模组模型的方法是：调整部分模型参数，仿真试验所用工况，直至模型仿真的电流电压表现与实际试验测量得到的电流电压表现一致，认为模组标定完全。
[0024]进一步的，本专利技术电池单体的电
‑
热特性进行标定的方法是：将模型参数输入至单体模型，选取2
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3个可用倍率对电池单体进行恒流充放电试验，记录其电压与温度变化曲线，在单体模型中输入试验所用的电流条件，调整部分参数，直至模型仿真的电流电压表现与实际试验测量得到的电流电压表现一致，认为电池单体电
‑
热特性标定完全。
[0025]进一步的，本专利技术模型参数包括电芯单体的几何参数、电特性参数、电化学参数。
[0026]本专利技术的优点在于，基于最小的析锂过电势，挑选出模组中最危险的电池单体并实时对其进行检测，从而监测整个模组的安全状态，即电池模组任一单体出现析锂副反应的风险，以避免电池模组性能劣化，甚至是出现电池热失控爆炸等严重后果。同时，基于标定好的模型的仿真模拟得到的充电策略可以直接适用于现实中模组的充电，无需对每一个电池单体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最小析锂过电势的电池模组充电方法，其特征是包括以下步骤：基于一个已经标定完全的模组模型，该模型需要能够描述锂离子电池单体的副反应；锂离子电池单体的副反应为SEI膜的生长以及析锂；在充电开始时，将总电流输入模组模型，在输入充电电流时，对所有电池单体的电析锂过电位进行持续监测，确定模组中最小值的计算模块；将最小值的计算模块放置在过电位的电池单体输出端；在计算了最小值之后，将最小析锂过电势与危险阈值作差，然后将结果输入控制器中；通过控制器的输出调整充电电流，实现了充电电流的闭环优化，最终得到模组无析锂的最佳充电曲线。2.根据权利要求1所述的基于最小析锂过电势的电池模组充电方法，其特征是：电池模组的模型是由多个电池单体通过串并联的方式成组，每一个电池单体均为描述副反应的电化学
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热耦合模型，电池连接处均有连接内阻，对电池模组给出一个总输入和输出，观察不同电池单体的经过的电流及相应的析锂过电势。3.根据权利要求1所述的基于最小析锂过电势的电池模组充电方法，其特征是：析锂的电流密度与析锂过电势的计算公式如下：电流密度与析锂过电势的计算公式如下：公式中，J
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代表析锂反应的电流密度，i
0,lpl
代表析锂副反应的参考电流密度，代表负极颗粒比表面积，F代表法拉第常数，R代表理想气体常数，T代表温度，η
lpl
代表析锂过电势，Φ
s
代表固相电势，Φ
e
代表液相电势，U
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代表锂金属的平衡电位，J代表总反应的电流密度，R
film
代表膜电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世春，高心磊，刘新华，张正杰，王明悦，闫啸宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：