CN101907688A - 一种锂离子电池电性能一致性的检测方法 - Google Patents

一种锂离子电池电性能一致性的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，包括：将多个单体电池依次进行一段时间的化成存储、陈化存储，将自放电大的电池挑选出来；将剩余多个合格单体电池分容处理，获得多个单体电池的实际电池容量C，并将多个单体电池充电至同一荷电状态，按容量差别标准来对多个电池进行分档；对相同容量差别标准档的多个电池分别低温直流内阻测试，按照电池直流内阻值对电池进行再分档；将位于同一直流内阻值分档中的多个电池选择配合形成电池组。本发明可对锂离子电池在低温条件下的电性能一致性进行检测，有效解决电池在常温条件下电性能一致性好而在低温条件下电性能相差大的问题，适合于对大批量电池检测筛选出合格的单体电池来配成电池组。

Description

一种锂离子电池电性能一致性的检测方法
技术领域
本发明涉及电池检测技术领域，特别是涉及一种锂离子电池电性能一致性的检测方法。
背景技术
目前，锂离子电池具有能量密度高、质量轻、安全性能好等其他储能电池不可比拟的优势，已经成功应用于各种电子产品、通讯设备、自动化仪器仪表和各种电动工具中，在电动自行车、电动汽车上也得到了广泛的应用，对于航天、航空、野战等军事领域也极具诱惑力。此外，在军用领域对锂离子电池的工作温度范围和能量还提出了很高的要求，一般至少要求能在-40~60℃的温度下工作，甚至要求在-50℃的温度下可以工作。目前主要是通过对电池进行串并联组合来获得高能量，例如通过四个电池串联、七个电池串联以及不同的并联形式可以得到14.4V10Ah和25.2V20Ah高容量电池组，而如果应用于鱼雷等大型装置上，则需要锂离子电池组提供更高的能量。
众所周知，如何保证电池组内各单体电池的一致性是保证电池组性能的关键，也是目前锂离子电池在众多领域成功应用的瓶颈。
目前主要检测电池组内各个单体电池一致性的方法是用外加电路来管理和均衡电池组中单体电池的充放电状态，而现有单体电池一致性的评价方法是：检测单体电池的容量差、交流内阻差、初始电压差进行配组筛选，还有人提出一些观测电池充放电曲线的方法来评价电池的特征。
但是，上述检测方法都是针对在常规应用环境的电池一致性的评价，而无法很好的保证电池在低温环境下使用时的一致性，并且往往需要复杂的计算公式推导得到数据，需要精确的数据分析和处理设备，或者大量的人工数据整理判断，检测过程复杂费时。
在低温环境下时，由于锂离子电池采用的是有机电解液体系，活性物质电导率也较低，其低温性能往往比铅酸电池和镍氢电池等二次电池差，尤其是多串并组合后电池组在低温下性能急剧减低，与原设计值相差甚远，除了电池组的元器件在低温下容易出现故障外，单体电池的问题也非常大（即存在单体电池在常温下体现出良好的一致性，而在低温下电性能相差甚大的通病）。因为在低温条件下有机电解液、活性物质、隔膜等电池的主要组成部分的电导率都会大大减低，在放电的瞬间电池电压就可能降低至截止电压，从而无法放电。在低温条件下，电池内各组成部件的内阻由于受加工、制作工艺影响，体现出不一致性，这是在常温下基本无法有效的检测出来。
因此，如果能够很好地解决锂离子电池的配组一致性和低温性能，使其应用在军事领域，可促进我国的武器武装设备向轻质化、机动的方向发展。
因此，目前迫切需要研发出种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其可以对锂离子电池在低温条件下的电性能一致性进行检测，有效地解决各个单体电池在常温条件下体现良好的电性能一致性，而在低温条件下电性能相差大的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其可以对锂离子电池在低温条件下的电性能一致性进行检测，有效地解决各个单体电池在常温条件下体现良好的电性能一致性，而在低温条件下电性能相差大的问题，适合于对大批量电池进行检测，筛选出合格的单体电池进行配成电池组，保证电池组在低温环境下具有优异的性能，因此能够大大增强电池用户的产品使用感受，适用于大规模的生产应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其特征在于，包括步骤：
将多个单体电池依次进行一段时间的化成存储、陈化存储，将自放电大的单体电池挑选出来；
将挑选后剩余的多个合格单体电池进行分容处理，检测获得多个单体电池的实际电池容量C，并将多个单体电池充电至同一荷电状态，按容量差别标准来对多个电池进行分档；
将相同容量差别标准档的多个电池分别进行低温直流内阻测试，按照所测得的电池直流内阻值对电池进行再分档；
将位于同一直流内阻值分档中的多个单体电池选择配合形成电池组。
其中，采用评价电压降低值△V的方法来将自放电大的单体电池挑选出来，△V≥预设值的电池作为自放电大的不合格单体电池，所述预设值的取值范围为10mv~30mv；
所述评价电压降低值△V的方法为：将每个单体锂离子电池在两个不同温度下分别存储一段时间后测量电池的电压值，然后计算获得每个单体电池的电压降低值△V。
其中，所述评价电压降低值△V的方法为：将锂离子电池进行首次充放电活化后，充至满电状态，在20℃~30℃的温度下搁置0.5~2天后测量电池电压，记录为V1，在40℃~90℃的温度环境下陈化2~7天，测量电池的电压，记录为V2，计算获得同一只电池两次测量的电压差△V。
其中，每次进行化成存储、陈化存储的时间为2天以上。
其中，所述对多个电池进行分档的容量差别标准的取值为： 10%~20%的单体电池标称容量。
其中，将相同容量差别标准档的电池在低温环境下搁置4小时以上，使电池内外部均达到预先设定的温度，对电池进行直流内阻测试，并按所测得的直流内阻值对电池进行再分档。
其中，所述直流内阻测试具体为：以1~3C的电流对电池进行恒流瞬间充电或放电，该瞬间作用时间小于10ms，通过采集电池的电压变化值△V得到直流内阻。
其中，通过电池充放电测试设备来采集电池的电压变化值△V，所述电池充放电测试测试设备的测试连接端与电池正负极之间的接触电阻均小于5mohm。
其中，所述直流内阻测试的低温温度范围为-50℃~10℃。
其中，在0℃温度下，对电池进行电池内阻值分档的标准为：分档中各电池直流内阻差值小于15%的所有电池直流内阻平均值。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其可以对锂离子电池在低温条件下的电性能一致性进行检测，有效地解决各个单体电池在常温条件下体现良好的电性能一致性，而在低温条件下电性能相差大的问题，适合于对大批量电池进行检测，筛选出合格的单体电池进行配成电池组，保证电池组在低温环境下具有优异的性能，因此能够大大增强电池用户的产品使用感受，适用于大规模的生产应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种锂离子电池电性能一致性的检测方法的流程图；
图2为锂离子电池在-40℃温度下进行0.65C放电的曲线图；
图3为电池静态内阻的测量方法示意图；
图4为分别由七个单体电池组成的两组串联电池回路进行并联组合（7S2P）后得到的25.2V4Ah锂离子电池组在-40℃的低温下，进行0.5C倍率放电的曲线图；
图5为电能标称容量为2Ah的锂离子电池在常温下与低温下进行测试的结果对比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种锂离子电池电性能一致性的检测方法的流程图。
参见图1，本发明提供了一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，常温下进行各种反映电池特性的参数检测的同时，增加低温下直流内阻测试，作为电池低温下充放电特性一致性的评价指标，从而保证电池组在苛刻的环境温度下保持优异的性能，该方法包括以下步骤：
步骤S101：将多个单体电池依次进行一段时间的化成存储、陈化存储，将自放电大的不合格单体电池挑选出来，从而保证电池荷电能力的一致性；
对于本发明，在该步骤中，可以采用评价电压降低值△V的方法来将自放电大的单体电池挑选出来，△V≥预设值（需要说明的是，在本发明中，所述预设值可以是10mv~30mv之间的任意数值）的电池作为自放电大的不合格单体电池。
需要说明的是，所述评价电压降低值△V的方法为：将每个单体锂离子电池在两个不同温度下分别存储一段时间后测量电池的电压值，然后计算获得每个单体电池的电压降低值（即变化值）。所述两个不同温度可以分别为40℃~90℃的温度（即高温）和20℃~30℃的温度（即常温）。具体可以为：将锂离子电池进行首次充放电活化（即化成）后，充至满电状态4.2±0.02V，常温（20℃~30℃的温度）下搁置0.5~2天后测量电池电压，记录为V1。在高温（40℃~90℃的温度）环境下陈化2~7天，测量电池的电压，记录为V2，并对照同一只电池两次测量的电压差△V，即△V=V1-V2，将△V≥30mV的电池作为自放电大的电池挑出，之后将剩余合格电池按△V=0~10mV、10~20mV和20~30mV进行分档处理。
需要说明的是，对于该步骤，如果采用40℃高温存储，电压降低△V值应≤30mV，电池之间的电压差异≤10mV；如果采用常温存储，电压降低△V值应≤20mV，电池之间的电压差异≤7mV。
在该步骤中，所述多个单体电池在进行陈化存储前处于相同的荷电状态（电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值），所述多个单体电池进行化成和陈化存储的条件包括高温（40℃~90℃）条件和常温（20℃~30℃）条件。
具体实现上，每次进行化成存储、陈化存储的时间优选为6天以上。
步骤S102：将挑选后剩余的多个合格单体电池进行分容处理，检测获得多个单体电池的实际电池容量C，并将多个单体电池充电至同一荷电状态，按容量差别标准来对多个电池进行分档；
具体实现上，本发明可以用单体电池的标称容量的10%~20%（例如为20mvAh）作为对电池进行分档的容量差别标准（即为对多个电池进行分档的容量差别幅度）来对电池进行容量分档。
步骤S103：将相同容量差别标准档的多个电池分别进行低温直流内阻测试，按照所测得的电池内阻值对电池进行再分档；
在本发明中，该步骤进行直流内阻测试的低温温度范围为-50℃~10℃。
该步骤可以为：将相同容量差别标准档的电池在低温环境下搁置4小时以上，使电池内外部均达到预先设定的温度（根据用户的需要预先设定），对电池进行直流内阻测试（采用普通的电池充放电测试设备），并按所测得的直流内阻值对电池进行再分档；
具体实现上，该步骤中的直流内阻测试具体为：以1~3C的电流对电池进行恒流瞬间充电或放电，该瞬间作用时间小于10ms，电池充放电测试设备通过采集电池的电压变化值△V得到直流内阻，计算公式为：△V/电流值I=直流内阻。
在本发明中，所述直流内阻的电池充放电测试测试设备，其测试连接端必须保证与电池正负极端接触良好，测试连接端采用导电性良好的金属材料，材质包括纯铜、铜镀金等；在本发明中，必须保证电池充放电测试测试设备的测试连接端与电池正负极之间的接触电阻均小于5mohm（毫欧），否则测试结果将包含电池与测试端的接触电阻，影响评价效果。
需要说明的是，所述电池直流内阻的测试原理为：电池的内阻包含静态内阻和极化内阻，静态内阻主要包括电池体内部各组件之间的接触内阻（如隔膜与正极片、隔膜与正极片、极耳与电池集流体等）和电解液电阻等，极化内阻是指电荷转移阻抗和浓差极化阻抗。在电池的充电或放电瞬间，测试设备给电池一个直流充电信号或电池输出直流电，此时电池内的电化学反应还未开始，同样也还未形成浓差极化，因此静态内阻是导致电池电压急剧增加或降低的主要原因，此静态内阻遵守欧姆定律，即R=V/I，参见图2、图3所示。
所述直流内阻的测试环境温度不限于电池组的实际使用温度，而是通过实验数据的收集得到一个足以评价电池低温特性的温度，并获得在不同温度下内阻值的关系，因此在不同测试温度下判断一致性的标准也不同。在本发明中，进行直流电阻测试的温度为-50℃~10℃。
在本发明中，在不同测试温度下判断直流电阻一致性的标准（即为按照所测得的电池内阻值进行分档的标准）不同，可以根据用户的需要预先进行设定，例如在0℃温度下，对电池进行电池内阻值分档的判断标准（分档幅度）为：分档中各电池直流内阻差值＜15%的所有电池直流内阻平均值；且评价电池低温性能的测试环境不限制于电池组的实际使用环境。
因此，本发明中的直流内阻测试方法就是在低温条件下，利用直流电信号对电池进行瞬间充、放电的方法，以获得单体电池低温下静态内阻信息，从而反映出电池的低温特性，此方法将常温条件下分选合格的电池，考虑了电池组的实际使用，进行合理配组后获得低温性能优异的电池组。
步骤S104：将位于同一直流内阻值分档中的多个单体电池选择配合形成电池组。
在该步骤中，可以测量收集每个电池的终止电压（此时最后测量获得的电压值）作为各个单体电池的初始电压。
对于本发明，在该步骤，继续判断单体电池一致性的标准可以为：每个电池充放电容量差≤15%的各个电池平均充放电容量，每个电池交流内阻差≤10%的各个电池平均内阻，电压差≤7mV。
下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
实施例1
将标称容量为2Ah的一款锂离子电池进行首次充放电活化（化成）后，充至满电状态4.2±0.02V，在常温搁置1天后测量电池的电压，记录为V1。在高温环境下陈化7天，测量电池的电压，记录为V2，并对照同一只电池两次测量的电压差△V，即△V=V1-V2，将△V≥30mV的电池作为自放电大的电池挑出，之后将剩余的合格电池按△V=0~10mV，10~20mV，20~30mV进行分档处理。
对电池进行分选，得到尺寸、外观、内阻等合格的产品，然后将电池进行分容处理，得到电池的放电容量C，然后可以将电池恒流充电至3.85V，再恒压充电至电流降低至60mA截止。并按标称容量的10%的容差标准对容量合格、终止电压合格的电池进行容量分档（即20mAh一档）。具体实现上，本发明可以采用自动电压内阻分选设备，按照容量分档标识依次对各档次的电池进行电压内阻的分选，按照电压差小于6mV、交流内阻差值小于1mohm的标准进行分档。
然后，将经过容量分档后的电池搁置于0℃恒温室中4h（小时），然后采用电池充放电测试设备对电池进行直流内阻测试，具体实现上，设置的参数为：充电电流2A，充电时间为2ms；其中，电池充放电测试设备与电池正负极接连的连接端采用铜镀金材质的金属夹子，同时保证夹紧效果，接触内阻小于2mohm。通过测试设备收集电池的初始电压和瞬间充电后的终止电压，获得电池的电压变化值△V，利用R=△V/I欧姆定律得到电池的低温直流内阻值。然后，以测试的直流内阻值为分档标准，按照各电池直流内阻差值＜10%的所有电池直流电阻平均值的标准对电池进行分档。
接着，采用相同档次的单体电池进行7S2P组合获得25.2V4Ah电池组，图4是此电池组在低温-40℃以0.5C倍率进行放电的曲线图。图中编号为1-1、1-2电池组，是采用本发明的方法进行分选配组得到的电池组，编号为2-1、2-2电池组为普通方法进行电压差、内阻差、容量差筛选后得到，从图4可看出，采用本发明方法得到的电池组在低温下大电流放电瞬间电压降低小，放电容量高，且电池组之间一致性好。
实施例2
将标称容量为2Ah的一款电池在常温下进行容量测试和交流内阻测试记录数据，在-40℃下静置4h（小时）后采用与实施例1相同的测试方法进行低温直流内阻测试，然后进行-40℃温度下的0.65C恒流放电，收集放电容量数据，结果如图5所示。测试结果表明采用在常温下进行普通的交流内阻测试结果不能反应电池的低温放电特性，而低温直流内阻值与电池的低温放电容量非常吻合。
对于本发明提供的一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，尤其是对锂离子电池在低温条件下一致性的检测。本发明是在常温下进行常规的电压、内阻、容量、存储电压降等一致性的筛选检测之外，增加低温下的直流内阻检测，用以评价电池在低温下的电化学特性，从而保证各单体电池在低温下电性能的一致性，实现对电池合理的配组，保证电池组在低温以及常温大倍率充放电时具有优异的性能。本发明可以快速、全面、有效地评价了电池电性能的一致性，尤其是对特殊低温使用环境下电池特性的评价，有效的解决了各单体电池在常温下体现出良好的一致性，而在低温下电性能相差甚大的通病，可推广应用于大批量电池的检测以及电池配组的筛选。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其可以对锂离子电池在低温条件下的电性能一致性进行检测，有效地解决各个单体电池在常温条件下体现良好的电性能一致性，而在低温条件下电性能相差大的问题，适合于对大批量电池进行检测，筛选出合格的单体电池进行配成电池组，保证电池组在低温环境下具有优异的性能，因此能够大大增强电池用户的产品使用感受，适用于大规模的生产应用，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电性能一致性的检测方法，其特征在于，包括步骤：
将多个单体电池依次进行一段时间的化成存储、陈化存储，将自放电大的单体电池挑选出来；
将挑选后剩余的多个合格单体电池进行分容处理，检测获得多个单体电池的实际电池容量C，并将多个单体电池充电至同一荷电状态，按容量差别标准来对多个电池进行分档；
对相同容量差别标准档的多个电池分别进行低温直流内阻测试，按照所测得的电池直流内阻值对电池进行再分档；
将位于同一直流内阻值分档中的多个单体电池选择配合形成电池组。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，采用评价电压降低值△V的方法来将自放电大的单体电池挑选出来，△V≥预设值的电池作为自放电大的不合格单体电池，所述预设值的取值范围为10mv~30mv；
所述评价电压降低值△V的方法为：将每个单体锂离子电池在两个不同温度下分别存储一段时间后测量电池的电压值，然后计算获得每个单体电池的电压降低值△V。
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述评价电压降低值△V的方法为：将锂离子电池进行首次充放电活化后，充至满电状态，在20℃~30℃的温度下搁置0.5~2天后测量电池电压，记录为V1，在40℃~90℃的温度环境下陈化2~7天，测量电池的电压，记录为V2，计算获得同一只电池两次测量的电压差△V。 
4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，每次进行化成存储、陈化存储的时间为2天以上。
5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述对多个电池进行分档的容量差别标准的取值为：10%~20%的单体电池标称容量。
6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，将相同容量差别标准档的电池在低温环境下搁置4小时以上，使电池内外部均达到预先设定的温度，对电池进行直流内阻测试，并按所测得的直流内阻值对电池进行再分档。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述直流内阻测试具体为：以1~3C的电流对电池进行恒流瞬间充电或放电，该瞬间作用时间小于10ms，通过采集电池的电压变化值△V得到直流内阻。
8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于，通过电池充放电测试设备来采集电池的电压变化值△V，所述电池充放电测试测试设备的测试连接端与电池正负极之间的接触电阻均小于5mohm。
9.如权利要求1至8中任一项所述的检测方法，其特征在于，所述直流内阻测试的低温温度范围为-50℃~10℃。
10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在0℃温度下，对电池进行电池内阻值分档的标准为：分档中各电池直流内阻差值小于15%的所有电池直流内阻平均值。
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