CN101515022B - 一种评价电池一致性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价电池一致性的方法，其特征在于，该方法包括获取多个电池的电压曲线，并比较所述多个电池的电压曲线的缓慢恢复段(BC)在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，根据比较结果判断多个电池的一致性；所述电压曲线是指该多个电池各自在恒流充电或恒流放电以及随后的搁置过程中电压随时间的变化曲线，所述缓慢恢复段(BC)为所述电压曲线中电压呈缓慢上升趋势的区段。通过电池的电压曲线能更加直接的分辨不同电池的本质差别，从而减少电池的不一致性对电池组造成的损伤，提高电池组的使用寿命。并且，本发明提供的电池一致性评价方法不仅提高了评价的准确性，而且成本低廉，操作简单、快捷，适合工业生产上应用。

Description

一种评价电池一致性的方法

技术领域

本发明涉及一种评价电池一致性的方法。

背景技术

电池组是由多个单体电池串联和/或并联连接而成的，但是由于各单体电池的一致性差别，电池组经过一定的充放电循环之后性能会有不同程度的下降，表现为容量衰减率的加大和电池组内单体电池一致性差别变大。单体电池性能上参差不齐并不全是缘于电池的生产技术问题，从涂膜开始到成品要经过多道工序，即使每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，使用一段时间后，也会产生差异。如果组成电池组的单体电池一致性不好，那么充放电过程会加大单体电池之间的差异，很容易引起部分电池过充电或过放电，而另一部分电池的性能得不到充分发挥，最终导致电池组性能的劣化，并且很快衰减或失效。

针对此问题，目前主要的解决方法是用外加电路来管理和均衡电池组中电池的充放电状态，但是根本的解决途径在于挑选一致性好的单体电池组成电池组。因此，如何将性能指标一致的单体电池挑选出来组成电池组，对生产电池组来说意义重大。目前，主要是根据电池的内阻、电压差及容量差来判定电池的一致性从而进行分类挑选的。

但是，通过电池内阻、电压差和容量差评价电池一致性的方法仍然具有一定的缺陷。因为即使是内阻相同、电压差很小、容量差别很小的两个同种型号电池，组成电池组后仍然存在上述部分电池过充电或过放电，而另一部分电池的性能得不到充分发挥，最终导致电池组性能的劣化，并且很快衰减或失效的问题。由此可见，现有的评价方法并不能真正有效地判断电池的一致性，因此如何开发出一种更加有效的电池一致性评价方法成为了迫在眉睫需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中电池一致性评价方法不能真正有效地判断电池的一致性的缺点，提供一种能够真正有效地判断电池一致性的方法。

本发明提供了一种评价电池一致性的方法，其中，该方法包括获取多个电池的电压曲线，并比较所述多个电池的电压曲线的缓慢恢复段BC在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，根据比较结果判断多个电池的一致性；所述电压曲线是指该多个电池各自在恒流充电或恒流放电以及随后的搁置过程中电压随时间的变化曲线，所述缓慢恢复段BC为所述电压曲线中电压呈缓慢上升趋势的区段。

本发明提供的电池一致性评价方法通过不同电池的电压曲线特征来判断电池的一致性。实验证明，通过电池的电压曲线能更加直接的分辨不同电池的本质差别，从而减少电池的不一致性对电池组造成的损伤，提高电池组的使用寿命。并且，本发明提供的电池一致性评价方法不仅提高了评价的准确性，而且成本低廉，操作简单、快捷，适合工业生产上应用。

附图说明

图1为根据本发明对电池进行恒电流放电以及随后的搁置过程中电流随时间变化的曲线。

图2为与图1相对应的反映电池电压随时间变化关系的电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为根据本发明对电池进行恒电流放电以及随后的搁置过程中电流随时间的变化曲线。从图1可以看出，第一水平线段表示恒电流放电过程，第二水平线段表示搁置过程。图2为与图1相对应的反映电池电压随时间变化关系的电压曲线。从图2可以看出，从时间为0至A点即横坐标为2000秒的点，电压呈下降趋势，该段曲线即横坐标为0-2000秒对应的曲线表示与图1相对应的恒电流放电过程；从A点至B点，电压急剧上升，A点与B点对应的时间点相同，均为2000秒，因此AB段只有在电压方向上的高度，在时间方向上的距离为0，由于AB段的电压急剧上升，因此称为瞬间恢复段AB；从B点至C点，电压呈缓慢上升趋势，因此称为缓慢恢复段BC。AB和BC段均表示搁置过程。而C点以后，即使继续搁置，电压的变化非常小，基本呈电压不变的水平趋势。为明确起见，本发明中，A点是指电压曲线中电压由下降转变为上升时的拐点，B点是指电压由垂直上升变为缓慢上升的拐点，C点是指电压由缓慢上升变为恒定的拐点，所述恒定是指电压变化不超过1％。

根据本发明的方法，对电池进行恒流放电或充电-搁置过程，通过这样一个阶跃电流得到的电压曲线监测该过程中的电池电压，根据电压的变化了解电池内部的极化大小和锂离子扩散快慢。

对于锂离子电池而言，电池正负极的扩散系数很小，电解液中锂离子的迁移数很小，因此电池的极化主要表现为锂离子在正负极中的扩散和电解液中锂离子形成的浓度梯度。对应于恒流放电过程，在恒流放电一段时间之后，因为锂离子扩散和迁移的原因，电池正负极和电解液中形成了一个锂离子的浓度梯度。恒流放电突然停止之后(t＝2000s)，电池电压有一瞬间恢复段AB，如图2所示，该段电压是电池内部欧姆内阻上分担的电压，因为放电电流消失，欧姆内阻上承担的电压差也立刻消失。在该瞬间恢复段之后，电压有一缓慢恢复段BC，该缓慢恢复段是电池内部极化消除的阶段，由于正负极材料和电解液中锂离子浓度梯度的消失是一个扩散过程，因此该过程是缓慢进行的，对应的电压也是缓慢的上升，最后达到一个基本稳定的值。该缓慢恢复段BC对应的是正负极锂离子浓度梯度的消除和电解液中锂离子浓度梯度的消除，该缓慢恢复段BC在电压方向上的高度可以看作是极化内阻上分担的电压的大小，对于一定的放电电流，该值越大则极化内阻越大，则极化越大，因此，该缓慢恢复段BC在电压方向上的高度可以用来表征电池极化的大小。该缓慢恢复段BC在时间方向上的长度可以用来表征电池正负极和电解液中锂离子浓度梯度消除和扩散过程的快慢。因此可以用该缓慢恢复段BC在电压方向上的高度和时间方向上的距离表征锂电池的极化性能。

根据本发明的评价方法，对若干只电池按照如图1所示的相同的方式恒压放电，得到如图2所示的电压曲线。可以通过电压曲线中的瞬间恢复段AB段在电压方向上的高度表征电池欧姆内阻的大小，所述瞬间恢复段AB在电压方向上的高度越高，电池内部欧姆内阻越大；缓慢恢复段BC段的高度表征电池极化的大小，所述缓慢恢复段BC在电压方向上的高度越高，电池极化内阻越大；缓慢恢复段BC段在时间方向上的距离表征电池内部锂离子扩散的快慢，所述缓慢恢复段BC在时间方向上的长度越长，电池内部锂离子扩散速度越慢。

在评价多个电池的一致性时，通过所述多个电池的电压曲线的缓慢恢复段BC在电压方向上的高度的差异和缓慢恢复段BC在时间方向上的距离大小的差异，来判定该多个电池的一致性，所述瞬间恢复段AB在电压方向上的距离大小的差异、缓慢恢复段BC在电压方向上的距离大小的差异和缓慢恢复段BC在电压方向上的距离大小的差异越小，则所述多个电池的一致性越高。这样，通过恒压放电得到的电压曲线就可以表征电池的一致性。

根据本发明，以所述多个电池中的任意一个为基准电池，通过所述多个电池与基准电池的电压曲线的缓慢恢复段BC在电压方向上的高度的差异大小ΔA1和在时间方向上的距离的差异大小ΔA2来评价电池一致性。其中，H(n)和L(n)分别表示所述多个电池中，与基准电池不同的一个电池的电压曲线的缓慢恢复段BC在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，H(0)和L(0)分别表示基准电池的电压曲线的缓慢恢复段BC在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，设定p为ΔA1与ΔA2之和，通过所述多个电池中每一个电池的p的大小，判断多个电池的一致性，其中

$\mathrm{\ΔA}1=\frac{|H\left(n\right)-H\left(0\right)|}{H\left(0\right)}\×100\%---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔA}2=\frac{|L\left(n\right)-L\left(0\right)|}{L\left(0\right)}\×100\%---\left(2\right).$

上述p值越小，则表示所述多个电池中的该电池与基准电池的一致性越好。并且所述多个电池中的每一个电池的p≤8％，则判定该多个电池具有较好的一致性。本发明中，所述比较好的一致性是指，通过本发明的评价方法选择的电池组成的电池组的使用循环次数，能够达到对电池组使用的一般要求。例如，在本发明实施例1中，由该多个一致性比较好的电池串联成的电池组以0.2C倍率充放电至初始容量的50％时的循环次数达到480次。

在优选情况下，本发明提供的方法还包括比较所述多个电池的电压曲线的瞬间恢复段AB在电压方向上的高度，根据比较结果判断多个电池的一致性，所述电压曲线的瞬间恢复段AB为所述电压曲线中电压呈急剧上升的片段。例如，可以根据所述多个电池中每一个电池的q的大小，判断多个电池的一致性，q为ΔA1、ΔA2与ΔA3之和，

$\mathrm{\ΔA}3=\frac{|H^{\′}\left(n\right)-H^{\′}\left(0\right)|}{H^{\′}\left(0\right)}\×100\%---\left(3\right).$

其中H′(0)和H′(n)分别表示所述多个电池中，基准电池以及与基准电池不同的一个电池的电压曲线的瞬间恢复段AB在电压方向上的高度。本发明的发明人发现，当所述多个电池中每一个电池的q≤10％时，该多个电池具有更好的一致性。本发明中，所述更好的一致性表示比上述p≤8％时的比较好的一致性更高的一致性。例如，本发明实施例1中，由该多个一致性更好的电池串联成的电池组以0.2C倍率充放电至初始容量的50％时的循环次数为600次，明显优于实施例1中由具有比较好的一致性的电池组成的相应电池组的480次使用循环次数。

在一些特殊情况下，可以通过对多个电池的上述综合指标中的单项指标评价电池的一致性。

在本发明中，所述多个电池为相同型号的电池。优选情况下，所述多个电池均为锂离子电池。

在优选情况下，本发明中，所述恒流放电或充电过程以及随后的搁置过程可以通过充放电测试柜、数据采集仪、恒流恒压源进行。优选情况下，由于其成本低廉，使用充放电测试柜，其中，所述充放电测试柜为常规的各种充放电测试柜。在数据采集频率较高和/或电压精度较高的情况下，可以通过数据采集仪采集电压数据，其中，所述数据采集仪为常规的各种数据采集仪。

根据本发明，对所述同一型号的电池进行恒电流充电或放电的电流相差越小，评价结果越可靠，优选情况下，对同一型号的多个电池恒电流充电或放电采用的电流大小之差不超过基准电池工作电流的10％，充电或放电时间以及搁置时间之差各自不超过基准电池的10％。进一步优选情况下，所述多个电池的恒流充电或恒流放电的电流大小以及恒流充电或恒流放电的时间各自相同。根据本发明，所述恒流充电或恒流放电的电流大小可以为电池工作电流的50-200％，优选为电池工作电流的70-150％，进一步优选为80-120％；所述恒流充电或恒流放电的时间可以为5-120分钟，优选为10-80分钟，进一步优选为20-50分钟；根据本发明，为了使电压完全恢复过来，所述搁置的时间为5-60分钟，优选为8-30分钟，进一步优选为10-12分钟。

置的时间为5-60分钟，优选为8-30分钟，进一步优选为10-12分钟。

本发明中，电池的容量和电压差等因素也作为评价电池一致性的重要指标，也可以将电池的容量和电压差，同瞬间恢复段AB在电压方向上的高度，缓慢恢复段BC在电压方向上的高度和在时间方向上的长度一起纳入评价指标中，得到最终的综合指标。

下面根据实施例进一步说明本发明。

实施例1

该实施例用于说明本发明提供的电池一致性的评价方法。

分别将编号分别为a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、h1、i1、j1的10只满电态锂离子电池(BYD公司，LP053450锂钴电池，工作电流为1安培)放上充放电柜(蓝奇BK6016)进行充放电测试，让10只电池进行恒流放电，恒流放电电流为0.8安培，恒流放电时间为35分钟，搁置时间为12分钟。同时检测电池的电压，得到相应的电压-时间曲线。测量这10只电池电压曲线的瞬间恢复段AB、缓慢恢复段BC段在电压方向上的高度及缓慢恢复段BC段在时间方向上的长度。以a1电池的瞬间恢复段AB在电压方向上的高度、缓慢恢复段BC段在电压方向上的高度，缓慢恢复段BC段在时间方向上的长度为基准，则H’(0)为49毫伏，H(0)为101毫伏，L(0)为7.5分钟，分别计算出b、c、d、e、f、g、h、i和j电池的p值和q值，如表1所示。

表1

电池编号	H’(n)(毫伏)	H(n)(毫伏)	L(n)(分钟)	p(％)	一致性评价	q(％)	一致性评价
								a1	49	101	7.5	-	-	-	-
b1	48	102	7	7.66	比较好	9.70	更好
								c1	48	102	7.1	2.32	比较好	4.36	更好
d1	50	99	7.2	5.98	比较好	8.02	更好
								e1	49	101	7.5	0	比较好	0	更好
f1	47	95	7.2	9.94	较差	14.02	较差
								g1	47	100	8.2	10.32	较差	14.32	较差
h1	51	101	8.1	8	比较好	12.08	比较好
								i1	53	105	7.8	7.96	比较好	16.12	比较好
j1	52	105	8.2	13.29	较差	19.41	较差

从表1数据可以得出，b1、c1、d1、e1、h1及i1电池的p值均小于8％，且b1、c1、d1及e1电池的q值均小于10％，f1、g1和j1电池的p值均大于8％，因此，判定a1电池和b1、c1、d1、e1、f1及j1电池具有比较好的一致性，a1电池和b1、c1、d1及e1电池具有更好的一致性，该5个电池均可以用于串联或并联组成电池组，a1电池和f1、g1和j1电池的一致性较差。

实施例2

该实施例用于说明本发明提供的电池一致性的评价方法。

按照实施例1所述方法分别将编号分别为a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、i2、j2的10只满电态锂离子电池进行电池一致性的评价，不同的是恒流放电电流为0.9安培，恒流放电时间为50分钟，搁置时间为10分钟。结果如表2所示。

表2

电池编号	H’(n)(毫伏)	H(n)(毫伏)	L(n)(分钟)	p(％)	一致性评价	q(％)	一致性评价
								a2	49	103	7.4	-	-	-	-
b2	49	101	7.0	7.34	比较好	7.34	更好
								c2	48	102	7.3	2.32	比较好	4.36	更好
d2	51	100	7.2	5.61	比较好	9.69	更好
								e2	50	101	7.6	4.64	比较好	6.68	更好
f2	47	92	7.0	16.07	较差	20.15	较差
								g2	50	95	8.3	19.93	较差	21.97	较差
h2	51	101	7.8	7.34	比较好	12.20	比较好
								i2	53	105	7.7	7.93	比较好	16.09	比较好
j2	46	106	8.1	12.36	较差	18.48	较差

从表2数据可以得出，a2电池和f2、g2、及j2电池的一致性评价综合指标数值p相差最大，且q值均大于10％，判定a2电池和f2、g2及j2电池的一致性较差，不能用于串联或并联组成电池组。

实施例3

该实施例用于说明本发明提供的电池一致性的评价方法。

按照实施例1所述方法分别将编号分别为a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3的10只满电态锂离子电池进行电池一致性的评价，不同的是恒流放电电流为1.2安培，恒流放电时间为20分钟，搁置时间为11分钟。结果如表3所示。

表3

电池编号	H’(n)(毫伏)	H(n)(毫伏)	L(n)(分钟)	p(％)	一致性评价	q(％)	一致性评价
								a3	48	99	7.3	-	-	-	-
b3	49	102	7.4	4.4	比较好	6.48	更好
								c3	47	101	7.2	3.34	比较好	5.43	更好
d3	50	95	7.4	5.41	比较好	9.57	更好
								e3	49	95	7.5	6.77	比较好	8.86	更好
f3	52	94	7.5	7.79	比较好	16.29	比较好
								g3	54	104	7.5	7.79	比较好	20.29	比较好
h3	46	93	7.0	10.16	较差	14.32	较差
								i3	49	101	8.3	15.72	较差	17.80	较差
j3	52	108	8.1	20.04	较差	28.37	较差

从表3数据可以得出，a3电池和h3、i3、及j3电池的一致性评价综合指标数值p相差最大，且q值均大于10％，判定a3电池和h3、i3及j3电池的一致性较差，不能用于串联或并联组成电池组。

实施例4

该实施例用于验证本发明方法的可靠性。

将上述实施例1判定为一致性比较好的3支电池e1、h1和i1串联组成电池组SS1，将另外判定为一致性更好的3支电池a1、b1、c1串联组成电池组SS1’，将上述实施例2验证为较差的3支电池a2、f2、g2串联组成电池组SS2，将上述实施例3验证为一致性较差的3支电池a3、h3、j3串联组成电池组SS3，分别将上述电池组SS1、SS1’、SS2和SS3用于充放电循环测试。充放电循环测试的步骤如下：1)将电池组以0.02倍率的电流放电至电压为15伏；2)静置10分钟；3)在室温环境下以0.2倍率充电到20伏，截止电流0.02倍率，搁置10分钟，0.2倍率电流放电至15伏，搁置10分钟，此步骤往复循环；4)每次充放电循环结束记录当前容量，当容量减小到初始容量的50％时结束测试，记录此时循环次数。经过循环测试发现SS1容量衰减到50％经过了480个循环，SS1’容量衰减到50％经过了600个循环，而SS2容量衰减到50％经过了268个循环，SS3容量衰减到50％经过了238个循环，由此可见，电池组SS1和电池组SS1’的充放电循环性能显著优于电池组SS2和SS3，且电池组SS1的充放电循环性能优于电池组SS1’，因此可以说明通过本发明的电池一致性评价方法可以准确、有效地选择电池以组成性能优异、使用寿命长的电池组。

Claims (9)

1.一种评价电池一致性的方法，其特征在于，该方法包括获取多个电池的电压曲线，并比较所述多个电池的电压曲线的缓慢恢复段（BC）在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，根据比较结果判断多个电池的一致性；所述电压曲线是指该多个电池各自在恒流充电或恒流放电以及随后的搁置过程中电压随时间的变化曲线，所述缓慢恢复段（BC）为所述电压曲线中电压呈缓慢上升趋势的区段；所述多个电池均为锂离子电池；根据多个电池中每一个电池的p的大小，判断多个电池的一致性，p为ΔA1与ΔA2之和；并且，

$\mathrm{\ΔA}1=\frac{|H\left(n\right)-H\left(0\right)|}{H\left(0\right)}\×100\%---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔA}2=\frac{|L\left(n\right)-L\left(0\right)|}{L\left(0\right)}\×100\%---\left(2\right),$

其中，H(n)和L(n)分别表示所述多个电池中，与基准电池不同的一个电池的电压曲线的缓慢恢复段（BC）在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，H(0)和L(0)分别表示基准电池的电压曲线的缓慢恢复段（BC）在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，所述基准电池为所述多个电池中的任意一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个电池中的每一个电池的p≤8％，则判定该多个电池具有一致性。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括比较所述多个电池的电压曲线的瞬间恢复段（AB）在电压方向上的高度，根据比较结果判断多个电池的一致性，所述电压曲线的瞬间恢复段（AB）为所述电压曲线中电压呈急剧上升的区段。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据所述多个电池中每一个电池的q的大小，判断多个电池的一致性，q为ΔA1、ΔA2与ΔA3之和，并且，

$\mathrm{\ΔA}1=\frac{|H\left(n\right)-H\left(0\right)|}{H\left(0\right)}\×100\%---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔA}2=\frac{|L\left(n\right)-L\left(0\right)|}{L\left(0\right)}\×100\%---\left(2\right)$

$\mathrm{\ΔA}3=\frac{|H^{\′}\left(n\right)-H^{\′}\left(0\right)|}{H^{\′}\left(0\right)}\×100\%---\left(3\right),$

其中，H(n)和L(n)分别表示所述多个电池中，与基准电池不同的一个电池的电压曲线的缓慢恢复段（BC）在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，H(0)和L(0)分别表示基准电池的电压曲线的缓慢恢复段（BC）在电压方向上的高度和在时间方向上的距离，H′(0)和H′(n)分别表示所述多个电池中，基准电池以及与基准电池不同的一个电池的电压曲线的瞬间恢复段（AB）在电压方向上的高度，所述基准电池为所述多个电池中的任意一个。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个电池中每一个电池的q≤10％，则判定该多个电池具有一致性。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个电池为相同型号的电池，所述多个电池的恒流充电或恒流放电的电流大小以及恒流充电或恒流放电的时间各自相同。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其中，所述恒流充电或恒流放电的电流大小为电池工作电流的50-200％，所述恒流充电或恒流放电的时间5-120分钟；所述搁置的时间为5-60分钟。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述恒流充电或恒流放电的电流大小为电池工作电流的70-150％，所述恒流充电或恒流放电的时间为10-80分钟；所述搁置的时间为8-30分钟。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述恒流充电或恒流放电的电流大小为电池工作电流的80-120％，所述恒流充电或恒流放电的时间为20-50分钟；所述搁置的时间为10-12分钟。

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