CN108539301B - 一种快速消除电池充放电极化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速消除电池充放电极化的装置及方法，涉及电池充放电引起的极化现象的消除。本发明是为了解决电池规模生产过程中，难以快速消除电池的极化作用，且不能保证单体电池开路电压一致性的问题。每个电池正极通过限流电阻与双向功率放大器的正端子相连，每个电池负极与双向功率放大器的负端子相连，电压检测器用于检测n个电池的并联电压，并将电压值发送至控制器，控制器的驱动信号输出端连接信号产生器的驱动信号输入端，信号产生器产生的交变信号经双向功率放大器给每个电池充电或放电。采用双向功率放大器输出衰减正弦波，电池被连续进行正反方向的充电极化和放电极化，电池的极化现象被消除。

Description

一种快速消除电池充放电极化的装置及方法
技术领域
本发明属于电池领域，尤其涉及电池充放电引起的极化现象的消除。
背景技术
目前，电池在移动通讯，电动汽车、储能等各领域的应用越来越广泛，几乎包括了我们的生活、生产、科研的所有领域。尤其是近期几年，国内外新能源汽车发展迅速，对电池的需求量越来越大，电池的性能要求也越来越高。在电池大规模应用的场合，通常需要多只单体电池进行串并联成为电池模块，单体电池的一致性好坏，直接影响电池模块的性能，甚至直接影响电池的安全性和使用寿命。
根据电化学原理，单体电池在充放电后会产生极化现象，使其开路电压偏离电池的平衡电压，充放电流越大，极化现象就严重，电池开路电压偏离平衡电压就越大，严重影响电池的一致性。即使在停止充放电之后，电池的极化现象在一定的时间内会仍然存在，甚至会保持很长时间。电池的极化作用主要分为电化学极化和浓差极化，电化学极化是由于电流产生的化学反应速度引起的，浓差极化是由于电子和离子的浓度扩散速度引起的，往往都会持续很长时间，正常情况下也会保持十几小时甚至几天时间。
不同材料和形状的电池以及不同的充放电流的极化作用差别很大，会导致不同的开路电压，因此，即使我们串并联前已经对电池的开路电压进行了分选，由于各电池的极化程度不同，极化恢复时间也不同，过段时间开路电压又会产生差别，又造成了开路电压不一致的现象，如果不同电压的电池进行串并联，会产生短路现象，形成很大的冲击电流，直接损坏电池的极板，隔膜和电解液，也会损坏电池极耳和引线，严重影响模块装配过程的质量，甚至会引发安全事故。
因此，电池模块在生产的过程中，如何克服单体电池的极化作用，保证单体电池开路电压的一致性是非常重要的。目前的技术状况是：几乎所有的电池模块生产厂家都知道要对单体电池开路电压的一致性提出要求，并且在电池并联前采用检测设备对单体电池进行分类。然后把开路电压接近相同的电池进行串并联组合。但是实际的情况是：由于电池的充放电原理决定的电化学极化作用和浓差极化过程，是一个长时间缓慢变化的过程，而且不同的电池的极化程度和恢复速度都有很大差别，用传统的充放电方法达到开路电压一致性的方法，需要非常长的时间消除极化，有时甚至需要十几天的时间。待其稳定后再进行分类。这在电池规模生产过程中是不可能实现的，因此，如何快速消除电池的极化作用，保证单体电池开路电压一致性，已经成为目前行业的难题。
发明内容
本发明是为了解决电池规模生产过程中，难以快速消除电池的极化作用，且不能保证单体电池开路电压一致性的问题，现提供一种快速消除电池充放电极化的装置及方法。
一种快速消除电池充放电极化的装置，包括：限流单元、电压检测器、控制器、信号产生器和双向功率放大器；限流单元由串联在每个电池正极侧的限流电阻构成，n块电池并联，n为正整数，每个电池正极通过限流电阻与双向功率放大器的正端子相连，每个电池负极与双向功率放大器的负端子相连，电压检测器用于检测n个电池的并联电压，并将电压值发送至控制器，控制器的驱动信号输出端连接信号产生器的驱动信号输入端，信号产生器产生的交变信号经双向功率放大器给每个电池充电或放电。
所述电池为方形、圆柱形或软包装等各种外形尺寸型号的电池，可以是锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、银锌电池、锂硫电池或铅酸电池等各种二次电池。
所述限流电阻用于保证电池并联时的冲击电流过大造成的电池损坏，限流电阻可以是碳膜电阻、金属膜电阻或线绕电阻等各种电阻。
所述电压检测器为电压检测装置，可以是模拟仪表、数字仪表、单片机、DSP或计算机信号采集装置。用于精确采集电池两端电压并送给控制器。
所述控制器是整个系统的控制装置，用于接收电压检测器采集到的并联电池的电压VX，并控制信号产生器产生所需要的消除极化的信号，该信号作为双向功率放大器的输入信号。
信号产生器产生的交变信号为衰减周期为T0、频率为f0、初始峰值为M0的衰减正弦波，经双向功率放大器放大后与电池的目标电压V0叠加后输出给每个电池。所述衰减周期T0、频率f0、初始峰值M0和目标电压V0是根据不同种类的电池，不同的极化程度确定的。
所述双向功率放大器是指其输出电流方向可正可负，即具有充电和放电的功能。双向功率放大器是一个能量输出装置，接收信号产生器的交变周期信号，进行功率放大后与电池的平均开路电压V0叠加，输出给并联的电池充放电。这里的平均开路电压是指所有并联电池的开路电压的算术平均值。
一种快速消除电池充放电极化的方法，首先将电池通过限流电阻并联后连接到双向功率放大器上，有效防止了冲击电流过大。根据电池极化情况确定衰减周期T0、频率f0和初始峰值M0，根据常用电池的电化学特性，大多数情况下衰减周期T0选择4小时、频率f0取0.5Hz，初始峰值M0为并联电池总电压VX的5％。电路开始工作后，电池以交流正弦波的频率对电池进行充放电，正反向极化作用反复交替，原来不一致的极化作用被强制向同一目标逼近，当正弦波峰值逐步衰减，电池的正反极化作用都逐步衰减，当衰减时间足够长，M0趋于0，信号产生器的输出信号趋于直流目标电压V0，并且电压检测器检测到的所有并联电池总电压VX趋于V0。极化现象被消除，达到了快速消除极化的目的。
本发明最初每个电池原始的极化作用和开路电压差别较大，采用双向功率放大器输出衰减正弦波，电池被连续进行正反方向的充电极化和放电极化，经过很短的几小时时间，正弦波衰减接近于零，电池电压接近目标电压V0，电池的极化现象很被消除，实现了传统方法需要几天的一致性效果。
附图说明
图1为一种快速消除电池充放电极化的装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式中采用2只具有不同极化程度的18650型号磷酸铁锂1,5Ah/3.2V单体电池。
控制器K采用数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP由大规模或超大规模集成电路心片组成、用来完成信号处理任务的处理器。为了实现快速计算功能，数字信号处理器采用了TMS320F2812DSP应用系统板，TMS320F2812DSP应用系统板带有数模转换器与模数转换器，因此是一种优选地的信号处理装置。本实施方式还能够使用具有信号处理功能的其他装置，例如：工业控制机，可编程序控制器，以及其他系列的单片机嵌入式系统。
电压检测器是一个电压检测装置，其工作任务是精确采集电池电压，输送给控制器。具体地，本实施方式采用ADI公司的高速模数转换器AD9220实现波形信号的采集，AD9220最高采样速率可达10MHz，采用外部晶体振荡器8MHz，FPGA内部通过采样实现波形存储。可以采集电池模块的电压信号，并转换成数字信号输出。
限流电阻R1、R2采用1/2W0.5欧姆的金属膜电阻，经过0.01％高精度分选和72小时85℃老化，达到要求的精度和稳定度。
信号产生器采用FY6600双通道任意波形发生器，仪器采用DDS直接数字合成技术，产生精确、稳定、低失真的输出信号，所有参数均由仪器的内部程序校准，通讯协议公开，使所有操作非常简单。在控制器指挥下产生衰减的正弦波的信号。
双向功率放大器采用ZM05-10HX开关式受控充放电源，受控输出电压范围1-5V，最大输出电流10A，电压准确度0.01％，电流准确度0.01％。
试验1：在开始试验前，测量电池B1、B2的开路电压分别是3,228V和3.271V，并且B1由于放电极化作用其开路电压每小时升高2,3mV，B2由于充电极化作用其开路电压每小时下降1.5mV。按图1的电路图连接好两只电池和设备后，设置信号产生器参数，选择衰减周期T0为120分钟、频率f0为0,45Hz、初始峰值M0为100mV，目标电压V0为3.250V。接通所有设备电源，试验开始进行，4小时后测量VX为3.253V。6小时后测量VX为3.251V。此时关闭所有设备电源，将电池取出电路置于开路状态。10小时后测量电池B1、B2的开路电压分别是3,251V和B2为3.250V，开路电压变化非常微小，极化作用已经基本消除。
试验2：在开始试验前，电池处于满电状态，测量电池B1、B2的开路电压分别是3,311V和3.367V，并且B1由于放电极化作用其开路电压每小时升高5,3mV，B2由于充电极化作用其开路电压每小时下降2.6mV。按图1的电路图连接好两只电池和设备后，设置信号产生器参数，选择衰减周期T0为120分钟、频率f0为0,5Hz、初始峰值M0为100mV，目标电压V0为3.340V。接通所有设备电源，试验开始进行，4小时后测量VX为3.343V。6小时后测量VX为3.341V。此时关闭所有设备电源，将电池取出电路置于开路状态。10小时后测量电池B1、B2的开路电压分别是3,341V和3.340V，开路电压变化非常微小，极化作用已经基本消除，达到了本发明的目的。

Claims (6)

1.一种快速消除电池充放电极化的装置，其特征在于，包括：限流单元、电压检测器、控制器、信号产生器和双向功率放大器；
限流单元由串联在每个电池正极侧的限流电阻构成，电压检测器用于检测n个电池的并联电压，并将电压值发送至控制器，控制器的驱动信号输出端连接信号产生器的驱动信号输入端，信号产生器的交变信号输出端连接双向功率放大器的交变信号输入端，
n块电池并联，每个电池正极通过限流电阻与双向功率放大器的正端子相连，每个电池负极均与双向功率放大器的负端子相连，n为正整数；
利用电压检测器检测n个电池的并联电压VX，
利用控制器采集n个电池的并联电压，并驱动信号产生器产生衰减周期为T0、频率为f0、初始峰值为M0的交变信号，
双向功率放大器将交变信号放大并与电池的目标电压V0进行叠加后输出至每个电池，对电池进行充/放电操作，实现极化现象的消除。
2.根据权利要求1所述的一种快速消除电池充放电极化的装置，其特征在于，所述限流电阻为碳膜电阻、金属膜电阻或线绕电阻。
3.根据权利要求1所述的一种快速消除电池充放电极化的装置，其特征在于，所述交变信号为正弦波、三角波、矩形波、梯形波或伪随机序列。
4.根据权利要求1所述的一种快速消除电池充放电极化的装置，其特征在于，所述电压检测器为模拟仪表、数字仪表、单片机、DSP或计算机信号采集装置。
5.根据权利要求1所述的一种快速消除电池充放电极化的装置，其特征在于，所述信号产生器为单片机、计算机或可编程控制器控制的信号产生器。
6.一种快速消除电池充放电极化的方法，其特征在于，该方法为：
将所有电池并联在双向功率放大器的两端，且每个电池正极侧均串联一个限流电阻，
利用电压检测器检测n个电池的并联电压VX，
利用控制器采集n个电池的并联电压，并驱动信号产生器产生衰减周期为T0、频率为f0、初始峰值为M0的交变信号，
双向功率放大器将交变信号放大并与电池的目标电压V0进行叠加后输出至每个电池，对电池进行充/放电操作，实现极化现象的消除。
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