CN103143514A - 多点频谱法电池分类方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多点频谱法电池分类方法及设备，该设备可以快速给动力电池进行分类，由于不需要对电池进行长时间的充放电操作，所以不会对电池产生损害，而且不需要消耗给电池充放电的大量电能，被测电池通过专用四线制夹具连接到电路中，根据控制器和数据处理模块的提示通过显示及操作界面输入分类标准，控制和数据处理模块首先控制高速模数转换单元启动高速采样，然后控制正弦波激励电路产生一个小振幅的正弦波去激励被测电池，这时被测电池的电压和电流信号经过电压电流模拟量处理单元处理后由高速模数转换单元把模拟量转换成数字量，再由控制和数据处理模块获得，测试完毕后控制和数据处理模块进行数据计算处理，然后根据用户设定的分类条件将相同电池归为一类，从而完成电池的分类。

Description

多点频谱法电池分类方法及设备

技术领域

本发明涉及一种多点频谱法电池分类方法及设备，属于电池检测领域。

背景技术

电池已经逐渐进入动力应用领域，尤其是电动自行车及电动汽车的需求增长很快，针对于此类高功率输出、高容量的需求，锂离子电池组合使用成为现在相当常用的方式。但是电池组中各单体电池之间存在的初始性能不一致，将使某些单体电池容量加速衰减，内阻值增加，从而使电池组过早失效，因此在组合时通过分选提高参与配组的单体电池初始性能的一致性是十分必要的。                    

传统的电池配组方式如电压配组法，静态容量配组法，内阻匹配法，内阻及容量配组法，放电特性曲线配组法其电池分类的机理都是基于电池的某种静态特性，而在实际电池工作时，经过电池的这些静态特性分选出来的电池，工作在相同的条件下一段时间之后，电池本身的性能产生很大变化，电池容量、内阻、充放电曲线就不再趋同了，结果导致电池包整体性能严重下降，同时，传统的电池分类方式，需要对电池进行全面的充放电操作，消耗时间很长，同时消耗大量电能，针对这些情况，本发明提出一种更全面的电池分类方式，使得电池的动态一致性更趋于相同，这样就可以使电池组内的电池在工作状态中一直保持一致性，有效提高电池包的使用寿命和整体性能。

近年来，电化学阻抗谱技术在电化学能源领域获得广泛应用，包括研究电极过程动力学，腐蚀特征，电沉积现象，通过阻抗谱分析等效电路参数等等，通过这些研究成果，我们发现，电池作为一种化学体系，电池的阻抗谱可以在在很大程度上反映电池内部的多种特性参数，包括电池材料构成、电池健康状态、失效机理、安全性等，然而，目前电化学阻抗谱的研究还大多局限于实验室之内，测量电化学阻抗谱的过程非常繁琐，无法被大多数操作者所接受。

本发明在电池阻抗谱的电池分类方法的基础上提出一种可以在生产中应用的快速动力电池分类的多点频谱法电池分类方法及设备。

发明内容

本发明提出一种多点频谱法电池分类方法及设备，该设备可以快速给动力电池进行分类，由于不需要对电池进行长时间的充放电操作，所以不会对电池产生损害，而且不需要消耗给电池充放电的大量电能。

为实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出一种设备，包含显示及操作界面，数据存储模块，控制和数据处理模块，正弦波激励电路，高速模数转换单元，电压电流模拟量处理单元，被测电池共7部分组成，见附图1。

下面参照附图1，说明本发明工作过程：

被测电池通过专用四线制夹具连接到电路中，根据控制器和数据处理模块的提示通过显示及操作界面输入分类标准，控制和数据处理模块首先控制高速模数转换单元启动高速采样，然后控制正弦波激励电路产生一个小振幅的正弦波去激励被测电池，这时被测电池的电压和电流信号经过电压电流模拟量处理单元处理后由高速模数转换单元把模拟量转换成数字量，再由控制和数据处理模块获得，测试完毕后控制和数据处理模块进行数据计算处理，然后根据用户设定的分类条件将相同电池归为一类，从而完成电池的分类。

根据以上工作过程，以下说明测量的基本原理：

由电学元件的基本性质我们可以将电极上的极化现象等效成一个电容元件，当有电压加到电容两端时，会造成电容内部的电荷积累，产生了 “极化”作用；将去极化作用等效成一个电阻，整个电极等效成电容和电阻并联的一个复合元件，当有电压加到电极上时，电容产生电荷积累，同时又通过电阻对电容进行“放电”，产生一定的 “去极化”作用，但由于外加电压的存在，使 “极化”作用占优势，这个复合元件正好起到了电极的作用，当充电或放电结束时，电池的电压会有个相反方向的下降或上升，也是这一复合元件的作用，我们将电解液的溶液电阻考虑在内，附图 2为电极系统的等效电路。

附图 2中 Cdl代表电极的极化电容，也就是电双层电容；Re代表极化电阻，Rs代表欧姆内阻，包括集电流体与活性物质间的接触电阻、溶液电阻、隔膜电阻以及极片与极耳间的接触电阻等各项之和。

由于电池由正负极两极组成，所以基于电子运动理论的电池等效电路中应该包含两个电极系统，等效电路如附图3所示，可以简记为 R(CR)(CR)，这里的 Rs 实际上包括电池内部除电极以外的其他构成部分的阻抗。

电池通过电化学工作站测量出来的电化学阻抗谱是一系列不同角频率下的频率响应函数值，进行电化学阻抗谱测量的目的就是要通过曲线的形状和特点建立合理的等效电路, 确定等效电路中的有关元件的参数, 从而得出有关过程的动力学参数或有关体系的物理参数，由此方法得到附图3中五个等效元件的对应参数对应的就是电池内部结构的特征，相对于其他方法是通过电池的外部特征对电池进行分类，这体现了阻抗谱分析更贴近电池的本质，也能够更好地预测电池在组合后的使用寿命，但是同已往多条件分选法一样，所需要的时间很长，无法真正用于工业生产，根据这种情况的多点频谱法理论以整条电化学阻抗谱曲线为基础但不全面测量所有频率下的频率响应，而是仅仅测试电池在特定频率下的阻抗响应，即在阻抗谱曲线上选取一些频率点，用以点代线的方法对被测电池进行测试，选取几个特定频率对电池进行测试，根据测试得到的结果用七阶多项式拟合出原始阻抗谱，近似代替电池的电化学阻抗谱进行电池一致性分析。

根据这一原理，本发明提出一种可以在实际生产操作的多点频谱法电池分类方法及设备，电池分类方法如下：

（1）在被测电池上施加一正弦波或近似正弦波的电流，同步测量电流和被测电池的响应电压；

（2）将被测电池的激励电流和响应电压经过高速模数转换处理后，由控制和数据处理模块存储到数据存储模块；

（3）改变激励电流的频率6次，重复步骤（1）~(2)；

（4）控制和数据处理模块将获得的6次频率下的电流值和响应电压上传到数据存储模块。

分选的实现方法：

根据测试得到的结果用七阶多项式拟合出原始阻抗谱，近似代替电池的电化学阻抗谱进行电池一致性分析，按照分选电池的需要，根据指定一只标准电池的测试数据，在其他电池测试数据中进行结果比对，将符合的电池归为标准电池一类，从而实现了电池的分选。

本发明的有益效果：

本发明的设备对电池分类具备以下明显优势，（1）分选速度快，多点频谱法电池分类方法不需要对电池进行全面充放电操作，所以在几十秒内可以完成，相比几个小时的充放电操作，速度很快，效率更高；（2）由于分选过程不需要对电池进行全面充放电操作，而且多点频谱法在测量过程中激励电流小于0.1A，同时时间很短，消耗能量很低，节省能量在90%以上；（3）利用频谱法分选出电池组成的电池组不但具有较高的初始容量，而且在经过一段时间循环使用后能够较好保持电池的容量，从而能得到更长的使用寿命。

附图说明：

附图1是本发明的组成部分示意图；

附图2是电极阻抗示意图；

附图3是基于电子运动理论的电池等效电路。

具体实施方式：

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明，此处所描述的具体实例，仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。

参考附图1，

准备18650型锂离子电池100只，作为被测电池，首先通过显示及操作界面根据控制和数据处理模块提示输入分类标准，设置完毕后将100只被测电池分别夹到专用四线制夹具上启动运行设备，设备开始进行分类测试过一分钟后电池的分类结束，根据显示及操作界面的指示把这100只按类别装箱结束本次分选，分选过程非常快。

Claims (2)

1.一种多点频谱法电池分类方法及设备，包含：显示及操作界面，数据存储模块，控制和数据处理模块，正弦波激励电路，高速模数转换单元，电压电流模拟量处理单元，被测电池共7部分组成；其特征在于：被测电池通过专用四线制夹具连接到电路中，根据控制器和数据处理模块的提示通过显示及操作界面输入分类标准，控制和数据处理模块首先控制高速模数转换单元启动高速采样，然后控制正弦波激励电路产生一个小振幅的正弦波去激励被测电池，这时被测电池的电压和电流信号经过电压电流模拟量处理单元处理后由高速模数转换单元把模拟量转换成数字量，再由控制和数据处理模块获得，测试完毕后控制和数据处理模块进行数据计算处理，然后根据用户设定的分类条件将相同电池归为一类，从而完成电池的分类。

2.根据权利要求1所述的一种多点频谱法电池分类方法及设备，其特征在于：采用了阻抗谱曲线上选取一些频率点，用以点代线的方法对被测电池进行测试。

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