CN107681184A - 一种锂离子电池的快速配组方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池的快速配组方法，包括步骤：第一步：对需要配组的多个电池，分别测试每个电池在多个不同的预设交流频率下的交流阻抗；第二步：执行预设判断操作，将所述多个电池区分为不良电池和合格电池；第三步：将所述合格电池筛选出来，按照串联或者并联方式进行配组，最终配组形成一个或者多个锂离子电池组。本发明公开的一种锂离子电池的快速配组方法，其可以对多个锂离子电池进行动态筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性，进而提升锂离子电池组的工作性能，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。

Description

一种锂离子电池的快速配组方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池的快速配组方法。

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，

对于电动汽车来说，其对电池寿命具有很高的要求，因此对所使用的锂离子电池组中各个锂离子电池之间的电性能一致性提出了严苛的要求。但是，目前，还没有一种方法可以对多个锂离子电池进行筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性。

因此，目前迫切需要研发出一种方法，其可以对多个锂离子电池进行筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性，进而提升锂离子电池组的工作性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种锂离子电池的快速配组方法，其可以对多个锂离子电池进行动态筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性，进而提升锂离子电池组的工作性能，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的快速配组方法，包括以下步骤：

第一步：对需要配组的多个电池，分别测试每个电池在多个不同的预设交流频率下的交流阻抗；

第二步：执行预设判断操作，将所述多个电池区分为不良电池和合格电池；

第三步：将所述合格电池筛选出来，按照串联或者并联方式进行配组，最终配组形成一个或者多个锂离子电池组。

其中，所述预设判断操作具体包括以下步骤：

计算获得每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值；

根据每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值，分别获得每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值；

将每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值分别与预设正常阻抗差值范围进行比较，判断其中位于预设正常阻抗差值范围外的电池为不良电池，而判断位于预设正常阻抗差值范围内的电池为合格电池。

其中，所述预设交流频率包括1KHZ和1HZ。

其中，所述需要配组的多个电池为符合预设条件的多个电池；

所述预设条件包括：所述多个电池的标定容量相同、每个所述电池的标定容量在预设容量区间内、所述多个电池的输出电压在预设电压数值范围内、所述多次电池的厚度在预设厚度范围内和所述多个电池的重量在预设重量范围内中的一个或者多个。

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的快速配组方法，其可以对多个锂离子电池进行动态筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性，进而提升锂离子电池组的工作性能，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的快速配组方法的流程图；

图2为复数阻抗中实部(电阻)和虚部(电容)随频率的变化关系图，即复数平面图；

图3为通过运用现有的电化学交流阻抗EIS测试方式，在全部交流频率范围内实际测试获得的一个锂离子电池的复数阻抗(即电阻)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的快速配组方法的流程图。

参见图1，本发明提供了一种锂离子电池的快速配组方法，其通过测试多个锂离子电池在预设多个交流频率下分别具有的交流阻抗值，以交流阻抗值作为对锂离子电池一致性的评价指标，筛选出其中交流阻抗值表现异常的锂离子电池，然后，在此基础上，对经过筛选的多个锂离子电池进行分选配组，最终分别配组形成多个电池组。该方法包括以下步骤：

步骤S101：对需要配组的多个电池，分别测试每个电池在多个不同的预设交流频率下的交流阻抗；

步骤S102：计算获得每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值；

步骤S103：根据每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值，分别获得每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值；

步骤S104：将每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值分别与预设正常阻抗差值范围进行比较，判断其中位于预设正常阻抗差值范围外的电池为异常的不良电池，不再用于电池组的配组，而判断位于预设正常阻抗差值范围内的电池为合格电池，然后将所述合格电池筛选出来，按照串联或者并联方式进行配组，最终配组形成一个或者多个锂离子电池组。

在本发明中，所述预设交流频率可以根据电池的型号、容量大小等情况进行预先设置，例如优选为1KHZ和1HZ。

在本发明中，在步骤S104中，具体实现上，所述预设正常阻抗差值范围可以根据电池厂家的需要以及实际的电池型号、容量大小进行预先设置，例如可以为1至3欧姆。需要说明的是，所述预设正常阻抗差值范围应当是电池厂家通过理论计算出来的、预设的正常阻抗差值范围。

在本发明中，需要说明的是，每个所述合格电池，在每个预设交流频率下对应的交流电阻数据，可以实时通过生产过程数据管理系统MES或者工业计算机进行存储。

需要说明的是，在本发明中，采用交流电方法来研究界面电化学反应对界面阻抗的影响，称为交流阻抗方法EIS，这是一种现有的电化学测量方法。采用这种方法时，用对称的交变电信号来极化电池电极。如果信号频率足够高，以致每一半周延续的时间足够短，就不会引起严重的浓度变化及表面变化。此外，由于通过交变电流时，在同一电极上交替地出现阳极过程与阴极过程，如果阴极反应与阳极反应正好相反，则即使测量信号长时间地作用于电极，也不会导致极化现象的累积性发展。交流电频率(即交流频率)较高时，反应粒子的浓差极化可忽略，此时为电化学极化控制，测量时测量各个交流电频率下的阻抗R和正弦波电信号X，利用实部R和虚部X，在复数平面上作图，形成阻抗复平面图，结合等效电路，可求出各阻抗容抗数值。交流电频率较低时，电极反应速度完全由扩散步骤控制，不考虑电化学极化，可测出由扩散引起的等效阻抗。

一般情况下，电化学阻抗测试过程具体为：打开测试仪器，启动软件界面，设置交流电扫描频率或范围，设置采样次数，将采样线按要求与电池正极和负极连接，进行测试，保存电池信息以及测试数据，上传数据至MES，完成测试过程。

在本发明中，需要说明的是，对电池在多个不同的预设交流频率下的交流阻抗进行测试，本发明所采用的测试设备可以为现有的、型号为3562的日置HIOKI内阻测试仪以及型号为BT4560的日置HIOKI内阻测试仪。因此，本发明可以测定特定预设交流频率下电池的交流阻抗值，来达到对电池性能的筛选匹配方法。不同频率的阻抗测试采用传统的四线制双绞线的方法控制测试值的准确性，充分考虑荷电态以及测试温度对测试值的影响。

在本发明中，在步骤S104中，可以通过人工手动方式，将所述合格电池筛选出来。还可以通过电池自动分选机，根据预先存储的每个所述合格电池表面具有的激光码号，按照用户预设的配组多个电池组分别需要的合格电池数目，分批次筛选出多组合格电池。

需要说明的是，配组每个电池组需要的合格电池的具体数量由用户根据需要进行设置和调整。

在本发明中，具体实现上，所述电池自动分选机可以使用神亚自动化设备(莱州)有限公司生产的神亚自动分选机，该电池自动分选机具备电压、内阻和厚度检测功能，具备通过读取电池的激光码号，调用电池分档配组数据，对单体电池进行自动夹取摆放至相应档位，完成单体电池的分选工作。

需要说明的是，所述电池激光码号主要是通过建立电池的批次编码规则，对单体动力电池实施有效的管理和控制，以保证单体动力电池的追溯性，从而对单体动力电池的生产信息，初始测试性能数据有效的管理。

在本发明中，具体实现上，在步骤S101中，所述需要配组的多个电池，优选为符合预设条件的多个电池，提前预先进行初步筛选；

所述预设条件包括：所述多个电池的标定容量相同、每个所述电池的标定容量在预设容量区间内(例如任意一个电池的标定容量等于预设标定容量上下浮动2％的容量差范围内，即在98％的预设标定容量至102％的预设标定容量的范围区间内)、所述多个电池的输出电压在预设电压数值范围内、所述多个电池的厚度在预设厚度范围内和所述多个电池的重量在预设重量范围内等条件中的一个或者多个。当然，根据电池厂家的需要以及实际的电池型号、容量大小，所述预设条件可以进行相应的设置和调整。

在本发明中，具体实现上，可以采用万用表等常规电池性能测试设备来检测每个电池的输出电压。

需要说明的是，对于本发明，其采用多个预设交流频率点或部分交流频率范围内的交流阻抗值，来替代现有的全频率段交流阻抗测试获得的全部交流频率范围内锂离子电池的复数阻抗(即电阻)值，并结合常规配组工艺(利用电池容量，电压，厚度，自放电率值配组)，以及电池自动分选机的作用下，构成锂离子电池的快速配组方法。本发明特别适合于大容量的锂离子动力电池，高效率、小投入、品质大提升。

图2为本发明涉及的复数阻抗中实部(电阻)和虚部(电容)随频率的变化关系图。如图2所示，通过实验测定在交流频率ω等于1KHZ处接近于半圆左测，而在交流频率ω等于1HZ时，测定交流阻抗基本处于半圆右侧直线起始端。该发明主要简化了全频率交流阻抗测试过程，通过测试特定交流频率ω下的交流阻抗，来代表整体交流阻抗图的形状。

需要说明的是，对于图2所示复数阻抗中实部(电阻)和虚部(电容)随频率的变化关系图，即复数平面图。通过复数平面图法，可以求出等效电路中各元件数值，圆的半径为R_电/2，圆心在实轴上，坐标为(R_溶液+1/2R_电,0)，Z＂为复阻抗的虚数部分，Z为复阻抗的实数部分。横坐标为电阻阻抗，纵坐标为电容阻抗。

在图2中，R_溶液为溶液电阻，指研究电极与参比电极之间的溶液欧姆内阻，一般为Z＂为零时的实部阻抗值。R_电为电化学反应电阻，半圆在实轴上的截距。ω为交流电频率，C_双层为微分电容，一定电位下的双电层电容，由半圆顶点或附近的点可求出。σ为瓦尔堡Warburg系数，从低频区直线外推至实轴的截距求出。

图3为通过运用现有的电化学交流阻抗EIS测试方式，在全部交流频率范围内实际测试获得的一个锂离子电池的复数阻抗(即电阻)示意图，也是不同生产流程制作出的三个电池的复数平面图，横坐标为电阻阻抗，纵坐标为电容阻抗。从图3中可以看出，由于电池制作工艺的差异，电池1、电池2、电池3这三个电池的交流阻抗谱不能很好的匹配，表现出了差异。因此，通过预设的特定几个频率段的交流阻抗值的对比(例如对比与交流阻抗平均值之间的差异)，可以间接的将阻值表现异常的电池挑选出来。达到对EIS阻抗谱匹配效果，节省了测试时间以及测试设备费用。

对于本发明，通过对每个电池进行测量，收集各电池容量、电压、自放电率以及几个特定交流频率下的阻值数据，通过优选的配组策略对每支电池分别进行串并组合，剔除异常数据电池。通过计算机对各电池容量、电压及交流阻抗数据匹配后，间接实现了单支电池全频率的交流阻抗谱的匹配，使用电池自动分选机，按照电池激光码号筛选至具体的串并组内，从而实现快速配组。

对于本发明，其提供的锂离子电池的快速配组方法，不仅达到了电池静态常规筛选，而且实现了电池内部界面及固态材料固态锂离子扩散阻抗的测试筛选。该方法简单快速，解决了传统组配方法存在的、无法对电池内部表界面及固态锂离子传输能力的测试，达到对电池实际使用过程中的性能进行评估的效果。该方法的研发，实现了电池一致性筛选的新突破，从很大程度上杜绝了由于电池内部隐藏的缺陷造成性能急剧劣化的可能性。

在本发明中，需要说明的是，对于本发明提供的锂离子电池的快速配组方法，其采用测试低频率下的交流阻抗值，众所周知，在低频端的电化学反应阻抗完全由扩散控制，此时电化学极化可以忽略。在扩散控制下，浓差电阻R_W与浓差电容C_W的容抗相等，都正比于ω^-1/2(ω为进行测试时的交流电频率)。R_W随ω^-1/2的变化是一条直线，这是瓦尔堡Warburg阻抗与电极阻抗R_r的一个重要区别，根据这一特征可以识别电极过程为扩散控制。通过实验，选取低频段时(如10HZ--1HZ的交流电频率)测试出的阻抗值变化是一条直线，也就是说选取1HZ的交流电频率测试出的阻抗值即为此电池在该频率下的扩散阻抗，这一阻抗值，能够直观的反应出锂离子在电池内部界面及固态材料内的扩散能力。

需要说明的是，对于本发明提供的锂离子电池的快速配组方法，其引入用于研究电池内部界面电化学反应对界面阻抗的影响的交流电方法，即电化学交流阻抗EIS测试方法。目前，现有的电化学交流阻抗EIS测试方法进行全频率测试存在测试周期长、仪器昂贵、测试条件苛刻等问题，不适用对电池进行大批量的全检检测。

为此，本发明开发一种快速测试方法，替代现有的电化学交流阻抗EIS测试方法进行特定电池的电化学体系的阻抗测量以及电池配组策略，一同构成本发明。本发明通过利用特征交流电频率测定出的电化学体系阻抗值(如1KHZ、1HZ)与其理论计算出的特定电化学反应机理进行对应，通过二者的对应关系，来评估量化锂离子电池在实际使用过程中的电性能表现(动态电压、电流变化、产热)。也就是说，本发明提供的锂离子电池的快速配组方法主要包括的部分有：1、通过常规的测试手段，对每支电池性能测试(容量、电压、自放电、厚度)；2、使用快速的交流阻抗测试方法，对每支电池欧姆阻抗、电化学反应阻抗、扩散阻抗进行测试；3、使用分选设备对上述两组测试参数进行智能筛选配对。

与现有技术相比较，对于本发明，其克服了现有技术中存在的不足，通过不同频率交流阻抗数据匹配后，间接实现了单支电池全频率的交流阻抗谱的匹配。本发明可以防止电池组配后动态使用过程中，由于出现单体电池之间的不一致而造成的非正常性能衰减问题。

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的快速配组方法，其可以对多个锂离子电池进行动态筛选，并保证由这多个锂离子电池组成的锂离子电池组在实际使用过程中，多个锂离子电池之间的电性能一致性，进而提升锂离子电池组的工作性能，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 (4)

1.一种锂离子电池的快速配组方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：对需要配组的多个电池，分别测试每个电池在多个不同的预设交流频率下的交流阻抗；

第二步：执行预设判断操作，将所述多个电池区分为不良电池和合格电池；

第三步：将所述合格电池筛选出来，按照串联或者并联方式进行配组，最终配组形成一个或者多个锂离子电池组。

2.如权利要求1所述的快速配组方法，其特征在于，所述预设判断操作具体包括以下步骤：

计算获得每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值；

根据每个预设交流频率下全部电池具有的交流阻抗平均值，分别获得每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值；

将每个预设交流频率下，每个电池的交流电阻与所述交流阻抗平均值之间的差值分别与预设正常阻抗差值范围进行比较，判断其中位于预设正常阻抗差值范围外的电池为不良电池，而判断位于预设正常阻抗差值范围内的电池为合格电池。

3.如权利要求1所述的快速配组方法，其特征在于，所述预设交流频率包括1KHZ和1HZ。

4.如权利要求1至3中任一项所述的快速配组方法，其特征在于，所述需要配组的多个电池为符合预设条件的多个电池；

所述预设条件包括：所述多个电池的标定容量相同、每个所述电池的标定容量在预设容量区间内、所述多个电池的输出电压在预设电压数值范围内、所述多次电池的厚度在预设厚度范围内和所述多个电池的重量在预设重量范围内中的一个或者多个。