CN107768747A - 电池一致性筛选方法和筛选装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池一致性筛选方法，包括以下步骤：S1，将待筛选的n个单体电池相互串联形成电池组，其中n>1；S2，对该电池组进行恒流充放电，记录三个时刻该电池组中各单体电池的电压，该三个时刻分别为充电末t1、放电末t2及弛豫预定时间末t3；S3，分别计算该三个时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ， 其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压；以及S4，选择该标准差系数δ最大的时刻，根据该时刻的标准差σ，选出该时刻满足 的单体电池，其中0<N≤1。

Description

电池一致性筛选方法和筛选装置
技术领域
本发明涉及电池生产技术领域，尤其涉及一种电池一致性筛选方法和筛选装置。
背景技术
在动力电源领域，通常将多达几十甚至上百个单体电池通过串联或并联形成电池组，达到需要的电压和电流。受制造工艺限制，即使同批次生成的单体电池，也会存在电压、容量、内阻及自放电率的差异性。若不经过筛选而随意配组使用，这些差异就会严重降低整体电池组的使用寿命。因此有必要对电池进行一致性筛选。
常见的筛选方法是单独测量各个单体电池的内阻、容量、自放电率，并进行比较。然而这类方法工序较多、耗时较长，而且在长时间测量的过程中，测试环境和条件也在发生变化，容易对测量结果产生影响，而降低一致性筛选的准确性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种简单可靠的电池一致性筛选方法和筛选装置。
一种电池一致性筛选方法，包括以下步骤：
S1，将待筛选的n个单体电池相互串联形成电池组，其中n>1；
S2，对该电池组进行恒流充放电，记录三个时刻该电池组中各单体电池的电压，该三个时刻分别为充电末t1、放电末t2及弛豫预定时间末t3；
S3，分别计算该三个时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压；以及
S4，选择该标准差系数δ最大的时刻，根据该时刻的标准差σ，选出该时刻满足的单体电池，其中0<N≤1。
一种电池一致性筛选装置，包括电池组充放电单元、电压测量单元及计算判断模块，该电池组充放电单元能够对由n个单体电池串联组成的电池组进行恒流充电、恒流放电及弛豫，其中n>1；该电压测量单元能够实时测量该电池组中各个单体电池的电压；计算判断模块，该计算判断模块能够根据该各个单体电池在所述三个时刻的电压对所述三个时刻的标准差σ及标准差系数δ进行计算，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压，该计算判断模块判断标准差系数δ最大的时刻，并根据该时刻的标准差σ，输出该时刻满足的单体电池的编号，其中0<N≤1，该三个时刻分别为充电末t1、放电末t2及弛豫预定时间末t3。
相较于现有技术，本发明提供的电池一致性筛选方法和筛选装置中，被筛选的所有单体电池相互串联，作为整体进行充放电，能够排除环境等外界因素对单体电池一致性准确判断的影响。在筛选过程中的所述三个时刻，各单体电池的电压同时测量，更为节约时间，可降低人工及时间成本。更重要的是，本发明各单体电池特性是在同一测试环境和条件下通过充放电过程中端电压的变化来体现，也可间接体现电池充放电容量、内阻、充放电平台、电极极化程度以及寿命等规律，因此充放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性。通过动态特性配组原理，可以模拟电池组实际使用情况，设定一定的测试环境和条件，统一、相同的施加到各单体电池上，通过简单数学统计可迅速方便的进行一致性配组及筛选。
附图说明
图1为本发明实施例的电池一致性筛选方法的流程图。
图2为本发明另一实施例的电池一致性筛选方法的流程图。
图3为本发明另一实施例的电池一致性筛选方法的流程图。
图4为本发明实施例电池一致性筛选装置的连接框图。
图5为本发明实施例120只18650电池串联组成的电池组的电压-时间曲线。
图6为图5的120只18650电池在三个时刻的电压。
图7为筛选后得到的80只18650电池在三个时刻的电压。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例的电池一致性筛选方法和筛选装置。
请参阅图1，本发明实施例提供一种电池一致性筛选方法，包括以下步骤：
S1，将待筛选的n个单体电池相互串联形成电池组，其中n>1；
S2，对该电池组进行恒流充放电，记录三个时刻该电池组中各单体电池的电压，该三个时刻分别为充电末、放电末及放电截止后弛豫预定时间末；
S3，分别计算该三个时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压；以及
S4，选择该标准差系数δ最大的时刻，根据该时刻的标准差σ，选出该时刻满足的单体电池，其中0<N≤1。
该单体电池优选为锂离子电池。该单体电池的数量n优选为≥3，更优选为≥10。该单体电池的类型不限，例如可以是各种软包电池或18650电池。该电池组的开路电压为该n个单体电池的开路电压之和。该电池组中的n个单体电池优选为基本相同，例如具有相同的种类及参数，更优选为同批次制造。
在该步骤S2中，该电池组至少经历一个恒流充电过程、一个恒流放电过程，以及一个弛豫过程，上述三个过程的顺序不限，可以先充电，然后放电，最后弛豫，也可以先放电，然后弛豫，最后充电。该弛豫过程是该电池组既不充电也不放电的静置过程，相比于放电末，在弛豫预定时间后单体电池的电压可能发生变化。该弛豫过程的所述预定时间可根据需要人为设置，例如30分钟至2小时。该充电末(记作t1)指的是将该电池组恒流充电至该电池组或电池组中的单体电池的电压达到预定的充电截止电压的时刻，在该时刻该恒流充电停止。该放电末(记作t2)指的是将该电池组恒流放电至该电池组或电池组中的单体电池的电压达到预定的放电截止电压的时刻，在该时刻该恒流放电停止。该放电截止后弛豫预定时间末(记作t3)指的是将该电池组在恒流放电后静置达到该预定时间的时刻。对该电池组进行恒流充放电优选在20℃±5℃温度下进行。
该电池组恒流充放电所用的电流、充电截止电压及放电截止电压根据单体电池自身种类及参数预先人为设定，可以是该电池组正常工作时使用的充放电电流和充放电截止电压。由于电池组中单体电池数量不同，充放电截止电压也不同，在优先的实施例中，该电池组的充电截止电压＝n×单体电池的充电截止电压，该电池组的放电截止电压＝n×单体电池的放电截止电压。该单体电池的充电截止电压和放电截止电压均可根据单体电池自身种类及参数预先人为设定。该恒流充电过程和恒流放电过程中使用的电流可以相同或不同，根据单体电池自身种类及参数预先人为设定。
理论上，当采用相同的单体电池时，每个单体电池在某一时刻的电压均是该时刻电池组总电压的1/n。但实际上，受制造工艺限制，即使同批次生成的单体电池，也会存在电压、容量、内阻及自放电率的差异性，从而造成相同时刻不同单体电池的实际电压不同。在该步骤S2中，所述电压指的是在该三个时刻各单体电池实际测得的电压。
在该步骤S3中，在t1时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ分别为σ1及δ1；在t2时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ分别为σ2及δ2；在t3时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ分别为σ3及δ3。则有：
其中V1,i为t1时刻的所述n个单体电池的平均电压，V2,i为t2时刻的所述n个单体电池的平均电压，V3,i为t3时刻的所述n个单体电池的平均电压。
在该步骤S4中，比较该δ1、δ2及δ3，选择最大的标准差系数δ所对应的时刻，以该时刻各单体电池的电压Vi及标准差σ作为筛选依据，将满足 的单体电池选出，作为满足一致性条件的单体电池。例如，该δ1、δ2及δ3中δ2最大，则将t2时刻，即放电末时刻的V2,i及标准差σ2作为筛选依据，选出的单体电池。N为精度系数，只要满足0<N≤1即可，可以根据实际需要人为设置，选出的是在该精度系数下最满足一致性的单体电池。
在较为理想的情况下，该电池组中的各单体电池之间已经具备较好的一致性，但也有可能各单体电池之间的一致性较差。请参阅图2，因此在优选的实施例中，可在进行该步骤S3之前，进一步包括预筛选步骤S5：排除在该三个时刻中任一时刻不满足的单体电池，并对新的电池组重复所述步骤S2，直至电池组中所有单体电池在该三个时刻均满足 然后进行步骤S3及S4。其中Vi为第i个单体电池的电压，为所述n个单体电池的在同一时刻的平均电压。该排除的方法可以是用新的单体电池替换所述不满足的单体电池，从而形成新的电池组。
请参阅图3，在另一实施例中，可在进行该步骤S3之前，进一步包括预筛选步骤S5’：将在该三个时刻中任一时刻不满足的x个单体电池从该电池组中去除。该电池组中剩余的单体电池的数量n’＝n-x。在该实施例中，该步骤S3替换为步骤S3’：分别计算该三个时刻的所述n’个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n’个单体电池的平均电压。该步骤S4替换为步骤S4’：选择该标准差系数δ最大的时刻，根据该时刻的标准差σ，选出该时刻满足的单体电池，其中0<N≤1。上述步骤S3’及S4’与步骤S3及S4基本相同，区别仅在仅计算剩余的单体电池的标准差σ、标准差系数δ及平均电压
请参阅图4，本发明实施例还提供一种电池一致性筛选装置100，包括电池组充放电单元110、电压测量单元120，以及计算判断模块130。
该电池组充放电单元110能够对该电池组10进行恒流充电、恒流放电及弛豫。该电压测量单元120在该电池组10充放电和弛豫的过程中，能够实时测量该电池组中各个单体电池的端电压。该计算判断模块130能够根据各个单体电池在所述三个时刻的端电压，计算所述三个时刻的标准差σ及标准差系数δ，判断标准差系数δ最大的时刻，并根据该时刻的标准差σ，输出该时刻满足 的单体电池的编号，其中0<N≤1。
在优选的实施例中，该电压测量单元120能够将各个单体电池在所述三个时刻的端电压传送至该计算判断模块130。
在更为优选的实施例中，该电压测量单元120能够在所述三个时刻实时的将各个单体电池的端电压传送至该计算判断模块130。该计算判断模块130能够在该三个时刻从该电压测量单元120接收各个单体电池的端电压。
该电池组充放电单元110及该电压测量单元120可以设置恒流充放电规程，包括充电截止电压、放电截止电压及放电截止后弛豫时间。该电压测量单元10可对电池组10端电压进行实时测量。在一个实施例中，在恒流充电过程中，当该电压测量单元120测得该电池组10的端电压或者该电池组10中任一单体电池的端电压达到预设的充电截止电压时，记录此时各个单体电池的端电压数据，该电池组充放电单元110停止对该电池组10充电。在恒流放电过程中，当该电压测量单元120测得该电池组10的端电压或者该电池组10中任一单体电池的端电压达到预设的放电截止电压时，记录此时各个单体电池的端电压数据，该电池组充放电单元110停止对该电池组10放电。当电池组10弛豫达到预定弛豫时间时，该电压测量单元120记录此时各个单体电池的端电压数据。
该计算判断模块130具体可以包括计算单元132、比较判断单元134及单体电池选择单元136。该电压测量单元120可以将得到的所述三个时刻的各个单体电池的端电压数据及对应的电池编号实时或在后传输至该计算判断模块130。该计算单元132能够根据各个单体电池的端电压数据对标准差σ及标准差系数δ进行计算，并将得到的三个时刻的标准差系数δ传输至该比较判断单元134，该比较判断单元134对该三个时刻的标准差系数δ进行比较，得到最大的标准差系数δ。该单体电池选择单元136根据该最大的标准差系数δ对应的标准差σ及各单体电池的端电压，选出满足的单体电池，并输出该单体电池的编号。
本发明实施例提供的电池一致性筛选方法和筛选装置中，被筛选的所有单体电池相互串联，作为整体进行充放电，能够排除环境等外界因素对单体电池一致性准确判断的影响。在筛选过程中的所述三个时刻，各单体电池的电压同时测量，更为节约时间，可降低人工及时间成本。而单独对每个单体电池的电压、内阻、容量及自放电率进行测量和比较所需要的工序较多、耗时较长。更重要的是，本发明实施例各单体电池特性是在同一测试环境和条件下通过充放电过程中端电压的变化来体现，也可间接体现电池充放电容量、内阻、充放电平台、电极极化程度以及寿命等规律，因此充放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性。通过动态特性配组原理，可以模拟电池组实际使用情况，设定一定的测试环境和条件，统一、相同的施加到各单体电池上，通过简单数学统计可迅速方便的进行一致性配组及筛选。
电池筛选实例：从120只18650电池中筛选出80只一致性最好的电池
将120只所述18650电池相互串联组成电池组；在20℃±5℃温度下先对空电状态下的该电池组(每个单体电池的平均电压约3.0V)以0.5C恒流充电，至总电压为120×4.2V时停止充电或任意一个电池电压大于4.21V时停止充电，记录该时刻各18650电池的电压；搁置30min；再对电池组以1C放电至总电压为120×3.0V时或任意一个电池电压小于2.95V时停止放电，记录该时刻各18650电池的电压；最后将该电池组搁置30分钟，记录该时刻各18650电池的电压。
请参阅图5及图6，从各18650电池充放电曲线来看，各电池一致性在充放电过程中总体表现良好，初步可判断一致性为：放电末＜放电截止后弛豫30min＜充电末。通过计算电池组所有18650电池的平均电压，可以判断三个时刻各电池的电压均满足故可直接进入下一步。
通过计算得到标准差系数δ为，充电末δ＝0.10％，放电末δ＝1.11％，放电截止后弛豫30分钟末δ＝0.06％，由此选用放电末时刻的σ及进行电池筛选，设定N＝1，根据可筛选得出一致性最好的80只电池。
将该80只电池串联成电池组，在20℃±5℃温度下先对该电池组以0.2C恒流放电，至总电压为80×3.0V时停止放电，记录该时刻各18650电池的电压，再对该电池组以0.5C恒流充电，至总电压为80×4.2V时停止充电，记录该时刻各18650电池的电压；最后将该电池组搁置30分钟，记录该时候各18650电池的电压。重新计算该标准差系数δ，充电末δ＝0.10％，放电末δ＝0.52％，放电截止后弛豫30分钟末δ＝0.06％。经筛选后放电末标准差系数δ较筛选前减小一半。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种电池一致性筛选方法，包括以下步骤：
S1，将待筛选的n个单体电池相互串联形成电池组，其中n>1；
S2，对该电池组进行恒流充放电，记录三个时刻该电池组中各单体电池的电压，该三个时刻分别为充电末t1、放电末t2及弛豫预定时间末t3；
S3，分别计算该三个时刻的所述n个单体电池电压的标准差σ及标准差系数δ，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压；以及
S4，选择该标准差系数δ最大的时刻，根据该时刻的标准差σ，选出该时刻满足的单体电池，其中0<N≤1。
2.如权利要求1所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该单体电池为锂离子电池。
3.如权利要求1所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该单体电池的数量n≥10。
4.如权利要求1所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该弛豫预定时间为30分钟至2小时。
5.如权利要求1所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该弛豫预定时间在该电池组恒流放电后。
6.如权利要求1所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，在进行该步骤S3之前，进一步包括预筛选步骤S5：排除在该三个时刻中任一时刻不满足 的单体电池。
7.如权利要求6所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该排除的方法是用新的单体电池替换所述不满足的单体电池，从而形成新的电池组，以及对该新的电池组重复所述步骤S2，直至电池组中所有单体电池在该三个时刻均满足然后进行该步骤S3及S4。
8.如权利要求6所述的电池一致性筛选方法，其特征在于，该排除的方法是将所述不满足的x个单体电池从该电池组中去除，以及对该电池组中剩余的单体电池的数量n’＝n-x进行该步骤S3及步骤S4。
9.一种电池一致性筛选装置，其特征在于，包括：
电池组充放电单元，该电池组充放电单元能够对由n个单体电池串联组成的电池组进行恒流充电、恒流放电及弛豫，其中n>1；
电压测量单元，该电压测量单元能够实时测量该电池组中各个单体电池的电压；以及
计算判断模块，该计算判断模块能够根据该各个单体电池在所述三个时刻的电压对所述三个时刻的标准差σ及标准差系数δ进行计算，其中Vi为第i个单体电池的某一时刻的电压，为在同一时刻所述n个单体电池的平均电压，该计算判断模块判断标准差系数δ最大的时刻，并根据该时刻的标准差σ，输出该时刻满足的单体电池的编号，其中0<N≤1，该三个时刻分别为充电末t1、放电末t2及弛豫预定时间末t3。
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