CN103198936A

CN103198936A - 电容电池的成组化成方法

Info

Publication number: CN103198936A
Application number: CN2013100745024A
Authority: CN
Inventors: 蒋志军; 常承立; 罗磊; 王超
Original assignee: ZIBO GUOLI NEW POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Zibo Guoli New Power Supply Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN103198936B

Abstract

本发明涉及一种电容电池的成组化成方法，属于水系动力电池化成技术领域，化成步骤为：a、根据工况分组装箱；b、预充电；c、高温陈化；d、高电压、低电流充放电；e、高电压、大电流充放电。本发明的化成方法将使用工况和电容电池特性有机结合，有效的解决了当前动力电池化成脱离实际工况的问题，化成数据直接模拟实际使用工况，更具有商业价值；采取了成组方式，减少了电池连接次数，人为误差大大减少，提高了劳动效率，而串联电池组在反复充放电过程中，处于动态主动平衡状态，电池之间的电压差小于3mV；对电池循环性能有显著性提高，且无需多层次分选，提高了生产线的工作效率。

Description

电容电池的成组化成方法

技术领域

本发明涉及一种电容电池的成组化成方法，属于水系动力电池化成技术领域。

背景技术

动力电池生产和使用过程中有一道非常重要的工序是化成，其化成方法不仅决定了正负极活性物质是否能完全活化，电池成组是否满足一致性要求等，还决定后续使用过程是否便于使用、维护等。动力电池的成组使用性能在很大程度上取决于化成方法是否得当。

当前，纯电动车用动力电池化成方法普遍采用单体化成方法，注液封口的电池先经过一段时间的静置，一方面便于按照电池生产批号集中归类、整齐装箱，另一方面电池注液口检测、清洗需要2～8h，简称常温陈化，到指定时间，进行手工操作，单体电池逐节连接化成设备，根据程序充入一定电量，充电完毕，手工下架，整齐装箱，转入高温房搁置10～48h，简称高温陈化，再将电池转出至化成工位，重新逐节连接化成设备，按照设定程序进行化成，并进行初步分选，进一步根据工况需要采取脉冲充放电、自放电率、直流内阻、交流内阻、充放电曲线、放电中值电压等分选方式，分选方案可以一种或多种，根据分选结果进行组合，期间需要专门场地周转电池。此类化成方法，首先，上架、下架工作重复两次，存在工作量大，劳动强度高，人为误差大；其次，电池监管数据点过多，期间多次分选、组合，造成电池编号、跟踪困难，数据库容易失控；第三，单体电池体积较小，直接采用机械转运至立体仓库，经济上不合理，而采用周转箱装运，尽管解决了机械转运问题，但也增加了周转箱的投入，同时周转箱内电池缺乏固定装置，叠加的周转箱，存在倾倒引发外部短路的隐患；第四，单体电池化成，放电电能需要集中回收，回收装置成本较高的同时，还有回流引发连锁短路的危险；第五，电池反复分选、组合，表面上提高了电池一致性，实际上增加了企业生产成本，而电池的一致性并未得到实质提高；第六，需要安装数量巨大的化成设备，占地面积将近一半，而一个10000㎡厂房仅能布局5000～10000万Ah的设计产能，难以匹配产业化要求；第七，化成设备需要大量的专业维护人员，维护成本高。

最近，行业内出现一种电池盒化成方式，无需手工连接每节电池，减少了部分工作量，但在动力电池化成领域，不仅未能克服上述缺陷，反而因为大量的电池盒，化成工位的设备体积更为庞大，灰尘清理更为困难。

锂离子电池又称摇椅电池，充电时候，锂离子从正极嵌出，嵌入负极，放电时候锂离子从负极嵌出，嵌入正极，一旦过充或过放，锂离子就会转变为金属锂，金属锂很活泼，会诱发电解液分解产生大量热，而金属锂会进一步析出成锂枝晶，锂枝晶的存在，会造成隔膜容易刺穿，造成电池短路引发连锁反应，进一步产生大量的热，情况严重还会起火甚至爆炸，因此，电池充放电均需要严格控制电池上下限电压，严防过充或过放，但仅仅控制电压上下限，锂离子电池未能充满，难以发挥有效锂离子电池高能量优势，所以，锂离子电池后期，将设置条件由恒流限压充电改为恒压充电至充电电流小于0.02C左右或恒压充电0.5～1h。

由于锂离子电池原理，对电压极其敏感，而制造工艺水平的微小差异，均会体现于无数锂离子电池之间的细小差异，若采用串联成组化成，电压统一个大的限值，若限值过低，电池未能充分化成，若按常规比例呈倍数放大，又存在部分电池会因过充、过放致内部损伤，甚至产生起火或爆炸，因此，行业内均采用单体化成模式，化成完毕，每节电池安装电子信号器控制电压电流，再进行串并联成组。

而电容电池具有耐过充、过放性能，根本原因在于负极与正极的配比系数大于1.0，因此，电容电池串联成组化成的先天条件具备。

铅酸电池也具有耐过充、过放性能，但铅酸电池采用富液结构，容易产生气体，因此，在发展的150多年历史中，结合使用工况，逐步走向标准系列的内串联电池组，如当前市场标准的12V或24V启动用电源，将铅酸电池6节或12节进行内部串联，外观整体呈现仅正负极端的电池组，化成依然采用单体化成模式，但内部实质是成组化成。尽管如此，鉴于采用富液结构，气体容易产生的缺陷，进行外部串联成组化成依然处于研究过程中。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种解决了上述缺陷的，有效的消除了人为误差，降低了化成成本，提高了电池一致性的电容电池的成组化成方法。

本发明所述的电容电池的成组化成方法，包括以下步骤：

a、分组装箱，设定电池箱数量，每个电池箱内成组5～100节电池；

b、进行预充电操作；

c、进行高温陈化操作；

d、进行高电压、低电流充放电操作；

e、进行高电压、大电流充放电操作。

所述的a步骤中，电池箱的数目为1～8个。

纯电动公交车、小轿车等所需功率不同，故所用电池数量不同，但均需要将电池串联以提高整体电压满足功率需要，而一个电池箱装配电池数量过多，又存在连接不牢固、搬运困难，同时不同的工况所需要的电池数量不同，因此结合使用工况，将所需电池进行分组装箱。电池箱是指根据使用工况量身定做的箱体，箱体内包括电池管理系统、连接片和电风扇；成组5～100节电池是指电池直接组装于电池箱成组，通过连接片串联，通过电池管理系统监控电压、温度和电流。

所述的a步骤中的电池为以球形氢氧化镍为正极材料，稀土合金与活性碳、四氧化三钴、二氧化锰等组合为负极材料的水系方型动力电池。

所述的b步骤中，预充电操作采用恒流限压充电方式，采用的电流为0.05～0.15C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤1.50nV，其中n为电池箱内的电池节数，所充电量为10～30%SOC，充电时间为1～2h。

其中C为电池放电C率，用来表示电池充放电时电流大小的比率，即倍率，为电池放电电流的数值为额定数值的倍数。假设电池容量为100Ah，放电0.1C倍率，即为放电电流为10A。

b步骤预充电的目的是将正极的半导体CoO转化为导电性良好的CoOOH，负极在充电过程中贮氢材料吸收一定量的氢，体积略微增加，存在裂纹和孔隙，恒流限压充电是因为电池反应为化学反应，反应平稳，故电流恒流较好，但在充电过程中，电压上升较快，为确保安全，限制充电电压。

b步骤中预充电的过程产生如下化学反应过程：

CoO——→Co(OH)₂——→CoOOH

CoO为半导体，经预充电转变为导电物质CoOOH，覆盖在正极氢氧化镍颗粒表面，形成导电网络，为下一步充分“激活”电池铺平道路。

所述的步骤c中，高温陈化的温度为30～50℃，时间为12～48h。

高温陈化的目的是电解液充分润湿进入极片的裂纹和孔隙中，为下一步充放电降低内阻，以更充分的活化。

所述的d步骤中，高电压、低电流充放电操作采用恒流限压充放电方式，为充电、搁置、放电、搁置的循环过程，所采用的电流为0.1～0.3C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤1.50nV，其中n为电池箱内的电池节数，搁置时间10～45min，循环次数2～5次，所充电量为40～90%SOC。

所述的d步骤中，每次循环采用的SOC逐步提高，单体放电截止电压为0.8～1.1V，放电截止总电压为0.8～1.1nV，其中n为电池箱内的电池节数。

d步骤控制电压上限是为了防止过度充电，充电程度逐步加深是为了逐步活化，以利于电极极片充分活化，同时防止极片过快的活化过程中因体积膨胀太快而脱落，搁置是为了充放电过程中间缓冲平衡，搁置时间太短，造成虚假电量增多，难以反应电池实际电量，时间太长，又会因化成周期长，而造成生产时间延长，增加成本；SOC控制上限90%，是因为电池在制造过程中难免存在差异，进而表现于电池在成组里表现电压、容量等些微差异，因此，SOC上限不超过90%，即预留10%左右的缓冲空间，防止意外。

所述的d步骤和e步骤中，电池或电池箱的温升≥1℃/min时，停止充电。目的是起到保护作用，防止电池或电池箱温升过快。

d步骤中的放电电量可以通过变压器输送至污水处理装置、纯水加热装置或涂布机加热装置等装置用以供热。

所述的e步骤中，高电压、大电流充放电操作采用恒流限压充放电方式，为充电、搁置、放电的过程，所采用的电流为1～3C，搁置时间5～30min，单体电压≤1.6V，充电总电压≤1.60nV，所充电量为5～50%SOC，单体放电截止电压0.8～1.1V，放电截止电压为0.8～1.1nV，其中n为电池箱内的电池节数。

成组电池电压本身较单体高很多倍，在使用过程中，不少工况下需要大电流充放电，因此，进行一次高电压、大电流充放电一次，以检验电池组的可靠性。

将化成完毕制备得到的电容电池带包入库存放，以“先进先出”原则进行动态监控控制。

本发明所具有的有益效果是：

1、本发明首次提出了动力电池成组化成，将使用工况和电容电池特性有机结合，有效的解决当前动力电池化成脱离实际工况，化成数据直接模拟实际使用工况，更具有商业价值。

2、电池直接装箱成组，电池从化成到装车，编号、跟踪便捷，数据库实现动态监管，并避免了人工反复多次上架、下架，减少电池连接次数，降低了劳动强度，人为误差大大减少。

3、电池成组化成，电压较高，而生产车间和浆岗位纯水加热、涂布机工序电能供应需要消耗较高的电能，成组电池放电电能可以通过变压器输送至污水处理装置、纯水加热装置或涂布机加热装置，实现电能梯次使用，节能效果显著。

4、电池成组装箱，转运方便，可实现立体库存，极大的节省占地面积，在同样的1000m²厂房面积内，生产线设计产能可以达到2～3亿Ah/年，有效的满足产业化建设需求。

5、电池成组化成，串联电池组在反复充放电过程中，处于动态主动平衡状态，电池之间的电压差小于3mV，对电池循环性能有显著性提高，且无需多层次分选，提高了生产线的工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例1成组化成55节电池与现有技术单体化成55节电池在全放电态常温搁置30天后电池开路电压分步情况比较图。

图2是本发明实施例2成组化成5节电池与现有技术单体化成5节电池在全放电态常温搁置30天后电池开路电压分步情况比较图。

图3是本发明实施例2成组化成45节电池与现有技术单体化成45节电池在全放电态常温搁置30天后电池开路电压分步情况比较图。

图4是本发明实施例2成组化成100节电池与现有技术单体化成100节电池在全放电态常温搁置30天后电池开路电压分步情况比较图。

图5是本发明实施例3成组化成60节电池与现有技术单体化成60节电池在全放电态常温搁置30天后电池开路电压分步情况比较图。

图中：三角代表本发明成组化成的电池，方块代表现有技术单体化成的电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1

公交车用电池成组化成方法：

a、分组装箱

12m公交车用电容电池440节，分8组电池包并编号，每包含55节电容电池，依次将电容电池按顺序组合，用连接片和螺母将其串联，连接线接入BMS控制系统，并将总正极和总负极连接到化成设备的输出接口。

b、预充电

根据电容电池容量大小，化成设备用0.15C电流给电池包恒流限压充电，充电时间为2h，所充电量为30%SOC，单体电压≤1.50V，充电总电压≤82.50V。

c、高温陈化

高温陈化温度为35℃，陈化时间为48h；

d、高电压、低电流充放电

恒流限压充放电电流为0.2C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤82.50V。充电、搁置、放电、搁置循环，循环次数4次，所充电量依次为40、50、60、80%SOC，中间搁置时间45min，放电截止总电压≥55V，单体放电截止电压≥1.0V。

e、高电压、大电流充放电

恒流限压充放电电流为1C，充电电量为30%SOC，单体充电电压≤1.6V，充电总电压≤88V，中间搁置时间20min，放电截止总电压为≥55V，单体放电截止电压≥0.95V。

将化成完毕的电容电池带包入库存放，以“先进先出”原则进行动态监控控制。

在充、放电过程中，电池或电池箱温升≥1℃/min时，自动保护，停止充电。

从图1可以看出：成组化成电池之间的电压差异很小，小于3mV，而单体化成的但电池电压差异波动很大，高于20mV。

实施例2

四人座小轿车用电池成组化成方法：

a、分组装箱

四人座小轿车用电容电池150节，分3组电池包并编号，分别是5、45、100节电容电池，依次将电容电池按顺序组合，用连接片和螺母将其串联，连接线接入BMS控制系统，并将总正极和总负极连接到化成设备的输出接口。

b、预充电

根据电容电池容量大小，化成设备用0.1C电流给电池包恒流限压充电，充电时间为2h，所充电量为20%SOC，单体电压≤1.50V，充电总电压≤1.50n（n=5、45、100）V。

c、高温陈化

高温陈化温度为47℃，陈化时间为36h。

d、高电压、低电流充放电

恒流限压充放电电流为0.15C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤1.50nV（n=5、45、100）。充电、搁置、放电、搁置循环，循环次数3次，所充电量依次是40、60、90%SOC，中间搁置时间45min，放电截止总电压为≥1.0nV（n=5、45、100），单体放电截止电压≥1.0V。

e、高电压、大电流充放电。

恒流限压充放电电流为1C，充电电量为50%SOC，单体充电电压≤1.6V，充电总电压≤1.6n（n=5、45、100）V。中间搁置时间30min，放电截止总电压为≥1.0n（n=5、45、100）V，单体放电截止电压≥1.0V。

从图2、图3和图4可以看出：成组化成电池之间的电压差异很小，小于3mV，而单体化成的但电池电压差异波动很大，高于20mV。

实施例3

2t电动叉车用电池成组化成方法：

a、分组装箱

2t电动叉车用电容电池60节，直接作为1组电池包并编号，电容电池按顺序组合，用连接片和螺母将其串联，连接线接入BMS控制系统，并将总正极和总负极连接到化成设备的输出接口。

b、预充电

根据电容电池容量大小，化成设备用0.05C电流给电池包恒流限压充电，充电时间为2h，所充电量为10%SOC，单体电压≤1.50V，充电总电压≤90V。

c、高温陈化

高温陈化温度为30℃，陈化时间为18h。

d、高电压、低电流充放电

恒流限压充放电电流为0.1C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤90V。充电、搁置、放电、搁置循环，循环次数5次，所充电量依次是40、60、70、80、90%SOC，中间搁置时间30min，放电截止总电压为≥60V，单体放电截止电压≥1.0V。

e、高电压、大电流充放电。

恒流限压充放电电流为2C，充电电量为20%SOC，单体充电电压≤1.6V，充电总电压≤96V。中间搁置时间10min，放电截止总电压为≥51V，单体放电截止电压≥0.85V。

从图5可以看出：成组化成电池之间的电压差异很小，小于3mV，而单体化成的但电池电压差异波动很大，高于20mV。

Claims

1.一种电容电池的成组化成方法，其特征在于包括以下步骤：

b、进行预充电操作；

c、进行高温陈化操作；

d、进行高电压、低电流充放电操作；

e、进行高电压、大电流充放电操作。

2.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的a步骤中，电池箱的数目为1～8个。

3.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的a步骤中的电池为水系方型动力电池。

4.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的b步骤中，预充电操作采用恒流限压充电方式，采用的电流为0.05～0.15C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤1.50nV，其中n为电池箱内的电池节数，所充电量为10～30%SOC，充电时间为1～2h。

5.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的步骤c中，高温陈化的温度为30～50℃，时间为12～48h。

6.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的d步骤中，高电压、低电流充放电操作采用恒流限压充放电方式，为充电、搁置、放电、搁置的循环过程，所采用的电流为0.1～0.3C，单体充电电压≤1.50V，充电总电压≤1.50nV，其中n为电池箱内的电池节数，搁置时间10～45min，循环次数2～5次，所充电量为40～90%SOC。

7.根据权利要求6所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的d步骤中，每次循环采用的SOC逐步提高，单体放电截止电压为0.8～1.1V，放电截止总电压为0.8～1.1nV，其中n为电池箱内的电池节数。

8.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的d步骤和e步骤中，电池或电池箱的温升≥1℃/min时，停止充电。

9.根据权利要求1所述的电容电池的成组化成方法，其特征在于：所述的e步骤中，高电压、大电流充放电操作采用恒流限压充放电方式，为充电、搁置、放电的过程，所采用的电流为1～3C，搁置时间5～30min，单体电压≤1.6V，充电总电压≤1.60nV，所充电量为5～50%SOC，单体放电截止电压0.8～1.1V，放电截止电压为0.8～1.1nV，其中n为电池箱内的电池节数。