CN103208655A - 一种动力锂离子电池的配组方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力锂离子电池的配组方法，包括如下步骤：将动力锂离子二次电池进行一次充放电检测，根据充电的恒流充电容量/充电总容量比值，剔除部分偏差大的电池；按照放电容量剔除容量不合格的电池，并对容量进行分档；然后测量电池内阻，根据电池内阻差别对电池进行分档；然后将电池在高温环境下搁置一段时间，剔除电压不合格电池，并按搁置电压对电池进行分档。对同一档别的电池进行组配。对于串并联组合应用的电池组，保证并联电池块内的电池内阻一致，串联各电池块的容量一致。根据本发明进行配组的电池组，可靠性和电池组寿命有良好的保证。

Description

一种动力锂离子电池的配组方法

技术领域                                 

本发明涉及电池检测分选技术领域，具体涉及一种动力锂离子电池的配组方法。

背景技术

锂离子电池是一种高比能量、高比功率的电池，广泛应用于电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车及UPS、储能等领域。

单个锂离子电池的容量和电压有限，形成满足应用需求的电池组需要将多个甚至成千上万至单体电池进行组合应用，各单体电池之间的性能往往存在较大差异，这种现象严重影响动力电池组的整体性能，并往往带来安全性问题。这就有必要对单体电池进行分选配组。

目前对电池的分选、配组有许多种方法。一种是根据电池的充放电曲线，选取曲线上的一些测试点或测试数据进行电池的分选或配组，如专利201010018161.5公开的方法为通过电池的充放电测试，按照放电容量、电池放电压差等进行配组。专利申请号200410027714.8根据容量-电压放电曲线，至少选取4个点进行相似性匹配测试。专利申请号201110295028.9根据短时间充放电电池电压变化来进行电池的配组。有些在容量、电压等参数上加上电池内阻，如专利申请号201010162325.1选择电芯的若干重要性能指标，如电压V、内阻R和电容C(容量)、充电和放电曲线等作为配组参数，根据电压V的一致性、内阻R*电容C的一致性以及充放电曲线的一致性进行分选配组。这些仅考虑了电池的电性能参数，未考虑电池的储存特性，专利申请号201110110667.3按照电池容量、贮存期间的电压差等进行配组，降低了电池自放电率的差异。专利申请号201010239979.X将电池按容量分档后，将电池搁置，控制搁置期间的电压差，并对电池进行瞬间放电，根据放电电压参数再进行分选配组。专利申请号201010608127.3通过对动力锂离子电池多次模拟使用状态连续充放电数据，绘制微分电量曲线；计算相邻充电微分电量曲线上特定峰位下容量占充电容量的百分比之差，以确认单体电池电化学稳定状态；分别确定多个配组电池处于电化学稳定状态充放电微分电量曲线各个峰位位置以及所围容量，进行对比，达到配组标准，进行配组。

以上这些方法要么不全面，如仅考虑电池的容量、电压或内阻，而未考虑自放电性能，要么操作复杂、计算繁琐、电池分类多，电池实际分选配组困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中由于动力电池组中各单体电池之间一致性差而导致锂离子动力电池组性能差、寿命低、安全性差,并且现有技术中的组配方法中，仅考虑电池的容量、电压或内阻等，而未考虑自放电性能，要么操作复杂、计算繁琐、电池分类多，电池实际分选配组困难等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种动力锂离子电池组装配前对单体电池进行挑选配组的方法，按照本发明进行配组的电池装配成电池组后，能够改善及优化电池组的整体性能，保证动力电池组的使用寿命和安全性能。

本发明所采用的技术方案是一种锂离子动力电池组装配前对单体电池的挑选配组方法，包括如下步骤：

步骤A：在室温下，对电池进行充放电容量测试，设定放电下限容量，取容量不低于放电下限容量的电池为合格电池，将合格电池按放电下限容量差别2%进行分档；

步骤2：将步骤A分出的每档电池在相同条件下测量电池交流内阻，计算出所有电池的交流内阻的平均值，并以该交流内阻的平均值为中心值，按照电池交流内阻10%的偏差对电池进行分档；

步骤C：将步骤2分出的每档电池在30-60℃温度范围内搁置72-168h，测量各电池电压，对电池按电压0.1V的电压差别进行分档；

步骤D：将步骤C分出的每档电池单独进行配组装配。

进一步的，上述步骤A具体包括以下步骤：

步骤A1：以0.2C-1C的放电电流将电池恒流放电至电池的放电下限电压V1;

步骤A2：以0.2C-1C的充电流恒流充电至电池的充电限制电压V2，之后在限制电压V2下恒压充电至电流下降至0.05C-0.1C，搁置30-60min后，以0.2-1C的电流恒流放电至电池的放电下限电压V1；

步骤A3：记录每一电池的恒流充电容量C1和恒压充电容量C2，计算C1/（C1+C2）*100%，按照正态分布N（μ，σ^2）进行统计分析，3σ范围外的电池为不合格电池；

步骤A4：记录每只电池的恒流放电容量CI，恒流放电容量CI为恒流充电容量C1和恒压充电容量C2的总和，设定放电下限容量，取容量不低于下限容量的电池为合格电池，将合格电池按容量差别2%进行分档。

进一步的，上述步骤A1中，采取分容柜在室温下对电池进行充放电测试。

进一步的，上述步骤A2中，采取内阻测试仪对电池进行内阻测试。

进一步的，上述步骤A1中，磷酸铁锂电池的下限电压V1为2.0-2.8V，三元材料或锰酸锂或钴酸锂电池的下限电压V1为2.5-3.0V。

进一步的，上述步骤A1中，磷酸铁锂电池的充电限制电压V2为3.6-3.8V，三元材料或锰酸锂或钴酸锂电池的充电限制电压V2为4.1-4.3V。

进一步的，上述步骤D包括将步骤C分出的每档电池进行N并M串组配，包括如下步骤：

步骤D1：选择N只通过步骤C分出的每档电池进行组合，形成电池并联块，上述电池并联块的容量为并联块内N只电池放电下限容量之和，

步骤D2：将M个电池并联块串联；

步骤D3：通过对同档电池中个别单体电池的调配，控制上述M个电池并联块之间的容量差别不超过0.5%。

进一步的，所述N为大于1的自然数，所述M为大于1的自然数。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明首先将动力锂离子二次电池进行一次充放电检测，根据充电的恒流充电容量/充电总容量比值，剔除部分偏差大的电池，并按照放电容量剔除容量不合格的电池，并对容量进行分档；然后测量每档电池内阻，根据电池内阻差别对一次分档后的每档电池进行二次分档；然后将二次分档后的每档电池在高温环境下搁置一段时间，剔除电压不合格电池，并按搁置电压对二次分档的每档电池进行三次分档。对三次分档的每档中的电池进行任一组配，保证了电池组具有良好的一致性。本发明还对于串并联组合应用的电池组，保证并联电池块内的电池内阻一致，串联各电池块的容量一致。

本发明中，通过对组成动力电池组的各单体电池在装配前进行容量、内阻、恒流充电容量/充电总容量比值以及考核电池储存特性的高温搁置电压等方面的测试与对比，可以挑选出符合设定规格要求的正选单体电池，在动力电池组装配前进行进一步匹配，本发明的方法操作简单、计算简单、电池分类少，电池实际分选配组非常方便，配成的电池组达到动力电池组的长寿命、高安全性的目的，同时电池组的电性能稳定性有较大提高。本发明适用于各类锂离子电池，如磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池等。

附图说明

图1是本发明的实施例的流程图。

具体实施方式

在本实施例动力锂离子电池的配组方法中，为方便说明，步骤1中分档采用a1、a2、a3、a4四档来划分；步骤2中分档，对步骤1中a1、a2、a3、a4的每一档的电池再采用两档划分，总共分为a1b1、a1b2、a2b1、a2b2、a3b1、a3b2、a4b1、a4b2八档；步骤3中分档，对步骤2中的a1b1、a1b2、a2b1、a2b2、a3b1、a3b2、a4b1、a4b2的每一档，采用两档划分，最终分为a1b1c1、a1b1c2、a1b2c1、a1b2c2、a2b1c1、a2b1c2、a2b2c1、a2b2c2、a3b1c1、a3b1c2、a3b2c1、a3b2c2、a4b1c1、a4b1c2、a4b2c1、a4b2c2档十六档；但在实际配组过程中，可以根据实际需求进行对分档数量进行划分，并不以本实施例中所采用的分档数量为限。

锂离子动力电池组装配前对单体电池配组的一种动力锂离子电池的配组方法，包括以下步骤：

步骤1：在室温下，对4000个单体电池进行充放电容量测试，可以用电池分容柜等对电池电芯进行充放电测试，设定放电下限容量，取容量不低于放电下限容量的电池为合格电池，将合格电池进行分档；

具体包括以下步骤：

步骤11：以0.2C-1C的放电电流将电池恒流放电至电池的放电下限电压V1; 

步骤12：以0.2C-1C的充电电流恒流充电至电池的充电限制电压V2，之后在该充电限制电压V2下恒压充电至电流下降至0.05C-0.1C，搁置30-60min后，以0.2-1C的电流恒流放电至电池的放电下限电压V1；

上述步骤11和12中，0.2C和1C按照锂电池测试行业内的通常技术含义理解，即0.2C或1C是指电池充放电速率:表示充放电快慢的一种量度。具体地，电池所有的容量1小时充放电完毕，称为1/1=1C充放电电流; 电池所有的容量5小时充放电完毕，则称为1/5=0.2C充放电电流。一般可以通过不同的充放电电流来检测电池的容量。例如，对于24AH电池来说,1C充放电电流为24A,0.5C充放电电流为12A,0.2C充放电电流为4.8A。在实际配组过程中，可以按照此锂电池测试行业内的技术标准来选择不同容量的电池的对应的充放电电流值。

上述步骤11和12中，磷酸铁锂电池的放电下限电压V1为2.0-2.8V，三元材料或锰酸锂或钴酸锂电池的放电下限电压V1为2.5-3.0V。

上述步骤12中，磷酸铁锂电池的充电限制电压V2为3.6-3.8V，三元材料或锰酸锂或钴酸锂电池的充电限制电压V2为4.1-4.3V。

步骤13：记录每一电池的恒流充电容量C1和恒压充电容量C2，计算C1/（C1+C2）*100%，按照正态分布N（μ，σ^2）进行统计分析，3σ范围外的电池为不合格电池；

步骤14：在3σ范围内的电池中，记录每只电池的恒流放电容量CI，恒流放电容量CI为恒流充电容量C1和恒压充电容量C2的总和，设定放电下限容量，取容量不低于放电下限容量的电池为合格电池，将合格电池按容量差别2%进行分档，最终分为a1、a2、a3、a4档；

步骤2：将步骤2分出的a1档电池在相同条件下测量电池交流内阻，可以用内阻测试仪进行电池的内阻测试，计算出所有电池的交流内阻的平均值，并以该交流内阻的平均值为中心值，按照电池交流内阻10%的偏差对电池进行分档，分为a1b1、a1b2档；然后再将步骤1分出的a2、a3、a4档电池重复上述操作，最后将4000个单体电池分为a1b1、a1b2、a2b1、a2b2、a3b1、a3b2、a4b1、a4b2档；

步骤3：将步骤2分出的a1b1档电池在30-60℃温度范围内搁置72-168h，搁置温度越高搁置时间越短，测量各单体电池电压，优选45℃96h，设定搁置后的下限电压，取不低于下限电压的电池为合格电池，测量各电池电压，对电池按电压0.1V的电压差别进行分档，分为a1b1c1、a1b1c2档，然后再将步骤2分出的a1b2、a2b1、a2b2、a3b1、a3b2、a4b1、a4b2档电池重复上述操作，最后将4000个单体电池分为a1b1c1、a1b1c2、a1b2c1、a1b2c2、a2b1c1、a2b1c2、a2b2c1、a2b2c2、a3b1c1、a3b1c2、a3b2c1、a3b2c2、a4b1c1、a4b1c2、a4b2c1、a4b2c2档；

步骤4：将步骤3分出的a1b1c1、a1b1c2、a1b2c1、a1b2c2、a2b1c1、a2b1c2、a2b2c1、a2b2c2、a3b1c1、a3b1c2、a3b2c1、a3b2c2、a4b1c1、a4b1c2、a4b2c1、a4b2c2档中的每一档电池单独进行同档配组装配。

本发明首先将动力锂离子二次电池进行一次充放电检测，计算充电的恒流充电容量/充电总容量比值C1/（C1+C2）*100%，剔除部分比值偏差大的电池，并按照放电容量剔除容量不合格的电池，并对容量进行分档；动力锂离子二次电池配组主要障碍在于，锂电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%，因此对于充放电检测来对锂电池性能标准的评判非常重要，特别是在锂电池配组过程中，记录每一电池的恒流充电容量C1和恒压充电容量C2，计算充电的恒流充电容量/充电总容量比值C1/（C1+C2）*100%，然后将所有比值进行正态分布，即将该恒流充电容量/充电总容量的比值作为一个随机变量X，随机变量X服从一个数学期望为μ、标准方差为σ^2的高斯分布。第一参数μ是服从正态分布的随机变量的均值，第二参数σ^2是此随机变量X的方差，该正态分布记作N（μ, σ^2），首先剔除3σ范围外的不合格电池。通过上述一次充放电测试以及对测试结果进行正态分布方式来进行锂电池配组前的筛选，是对锂电池性能指标的整体把握，能够有效剔除电芯本身质量不行的电池，有效避免了电池成组后的安全性和使用寿命显著下降带来的对电池的影响，以及能够有效避免了单体电池在串联中，电池与同组中其他电池的恒流充电容量/充电总容量差异较大，导致的一起充放电过程中会出现电压分配的不均匀，从而导致循环中不仅容量不能有效发挥，而且组内的电池即电芯循环寿命将大大降低，长期循环中一旦有一只电池即电芯损坏，其他电池即电芯承受的电压都将增大，加速了损坏，并且由于单节电池即电芯的电压过高，导致频繁发生电池燃烧，爆炸等严重事故。因此采用将动力锂离子二次电池进行一次充放电检测，根据充电的恒流充电容量/充电总容量比值，剔除部分偏差大的电池，并按照放电容量剔除容量不合格的电池，并对容量进行分档，这样的配组参数控制标准决定了配组完成时电池组各单体电池状态的一致性，因此本方案中首选采取上述的步骤1中配组参数控制；

完成了步骤1，再进行步骤2的配组参数控制，即测量步骤1分出的每档电池内阻，根据电池内阻差别对一次分档后的每档电池进行二次分档；因为单体电池中内阻小的串联后充电电压过高，内阻大的串联后放电电压过高，而内阻差异太大的电池配组后，会使得组内的电芯加速损坏，从而由于某个电芯的电压过高，而出现雪崩似的损毁，从而导致电池内部性能劣化，直至最终彻底失效，因此，对于电池内阻的测试也是电池配组参数控制中的重要环节，而本方案通过步骤1对单体电池即电芯进行了一个重要的筛选，剔除了导致最终配组产生致命错误的电池，在可供选择的电池中，还对其根据放电下限容量差别2%进行分档，已经对锂电池整体性能进行了一个初步的保证，在此基础上，再进行步骤2的配组参数控制，通过对电池内阻差别对步骤1分出的每档电池，选取内阻相近者进行二次分档，这种方法中测出的内阻更加接近反应电池充放电状态下的阻抗，而不是那种单纯采用内阻测试进行配组参数控制方式下的内阻，因为后者测得的内阻接近静止状态下的内阻，因此，通过步骤1和步骤2，能够更加精确地筛选出一致性好的电池即电芯，并且能够使得电池即电芯配组后的容量能够有效地发挥，大大提高电池循环寿命，同时减少安全隐患；

最后，完成步骤2的配组参数控制后，再进行步骤3的配组参数控制，即将步骤2中二次分档后的每档电池在高温环境下搁置一段时间，剔除电压不合格电池，并按搁置电压对二次分档的每档电池进行三次分档。这个步骤3主要是对电池进行老化测试，检测电池的老化程度，为了延长使用寿命和提高安全可靠性，我们要求电池组中各单体电池之间具有较高的一致性。但是这种一致性不仅仅只是要求使用初期的电池组内单体电池间的性能一致性，而最好能确保整个使用寿命周期性能也能一致。因此，在步骤1和步骤2中，我们完成了电池组内单体电池间的性能一致性的筛选，再通过步骤3，对电池的老化测试，剔除过于老化的电池，筛选出整体使用寿命周期性能较为一致的电池进行分档，不但保持了单体电池间的性能一致性，还更加确保了电池整个使用寿命周期性的一致性。

完成步骤3后，就可以进行步骤4，即对同档内的电池组进行任意配组，正是由于有步骤1、步骤2及步骤3的三层分档的配组参数控制，从而保证了电池组具有良好一致性，达到电池组的长寿命、高安全性的目的，同时电池组的电性能稳定性大大提高。

在步骤4的实际配组过程中，当需要大量电池进行N并M串组合应用时，可以在步骤3分出的每档电池中进行任一N并M串组配，N和M均可为大于1的自然数，本实施例中取N为10，M为5，例如本实施例中选取a1b1c1档的电池中进行10并5串的配组，对其他a1b1c2、a1b2c1、a1b2c2、a2b1c1、a2b1c2、a2b2c1、a2b2c2、a3b1c1、a3b1c2、a3b2c1、a3b2c2、a4b1c1、a4b1c2、a4b2c1、a4b2c2档中同一档电池的N并M串组配，下述方法均适用，在此不一一列举，对a1b1c1档的电池中进行10并5串的配组具体包括如下步骤：

步骤41：选择10只a1b1c1档电池进行组合，形成电池并联块，上述电池并联块的容量为并联块内10只电池放电下限容量之和，

步骤42：将5个电池并联块串联；

步骤43：在通过对a1b1c1档电池中个别单体电池的调配，控制上述5个电池并联块之间的容量差别不超过0.5%。

上述方式中未述及的技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：在室温下，对电池进行充放电容量测试，设定放电下限容量，取容量不低于放电下限容量的电池为合格电池，将合格电池按放电下限容量差别2%进行分档；

步骤B：将步骤A分出的每档电池在相同条件下测量电池交流内阻，计算出所有电池的交流内阻的平均值，并以该交流内阻的平均值为中心值，按照电池交流内阻10%的偏差对电池进行分档；

步骤C：将步骤B分出的每档电池在30-60℃温度范围内搁置72-168h，测量各电池电压，对电池按电压0.1V的电压差别进行分档；

步骤D：将步骤C分出的每档电池单独进行配组装配。

2.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：上述步骤A具体包括以下步骤：

步骤A1：以0.2C-1C的放电电流将电池恒流放电至电池的放电下限电压V1;

步骤A2:以0.2C-1C的充电电流恒流充电至电池的充电限制电压V2，之后在该充电限制电压V2下恒压充电至电流下降至0.05C-0.1C，搁置30-60min后，以0.2-1C的电流恒流放电至电池的放电下限电压V1；

步骤A3：记录每一电池的恒流充电容量C1和恒压充电容量C2，计算C1/（C1+C2）*100%，按照正态分布N（μ，σ^2）进行统计分析，3σ范围外的电池为不合格电池；

步骤A4：在3σ范围内的电池中，记录每只电池的恒流放电容量CI，恒流放电容量CI为恒流充电容量C1和恒压充电容量C2的总和，设定放电下限容量，取容量不低于放电下限容量的电池为合格电池，将合格电池按容量差别2%进行分档。

3.根据权利要求2所述的一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：上述步骤A1中，采取分容柜在室温下对电池进行充放电测试。

4.根据权利要求2所述的一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：上述步骤A2中，采取内阻测试仪对电池进行内阻测试。

5.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：上述步骤D包括将步骤C分出的每档电池进行N并M串组配，具体包括如下步骤：

步骤D1：选择N只通过步骤C分出的每档电池进行组合，形成电池并联块，上述电池并联块的容量为并联块内N只电池放电下限容量之和;

步骤D2：将M个电池并联块串联;

步骤D3：通过对同档电池的调配，控制上述M个电池并联块之间的容量差别不超过0.5%。

6.根据权利要求5所述的一种动力锂离子电池的配组方法，其特征在于：所述N为大于1的自然数，所述M为大于1的自然数。

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