CN109901076A - 锂离子电池稳定荷电状态的选取方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，该方法通过测量电池在不同荷电状态下的电压U、电量Q、直流内阻DCR，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ，以及直流内阻DCR与荷电状态的变化关系Ⅱ；然后选取两种变化关系中合适的SOC，以两种变化关系选取出的SOC的交集作为电池稳定的荷电状态。该方法兼顾了电池内部的极化和材料的相变问题，在选取出的稳定的荷电状态下，锂离子电池内部极化最小且材料处于非相变阶段。该选取方法适用于电池包中单体锂离子电池的分选，在选取出的荷电状态下，锂离子电池单体的一致性好，能够有效提高电池包的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，该选取方法适用于电池包中单体锂离子电池的分选。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高的优点，但是在动力电池领域，单个锂离子电池无法满足动力要求，需要制备电池包来提高输出功率。电池包由一定数量的单体电池串并联组成，因此会存在特有的“木桶效应”，即单体电池性能的不一致会影响电池包的性能，具体表现为某一单体电池性能不一致会直接影响与其串联或者并联的所有电池，进而影响整体电池包的性能。
为了降低上述“木桶效应”对电池包的影响，需要提高单体锂离子电池的一致性，常用方法为对单体电池进行分选，将性能接近的电池进行分组配对。分选往往参考电池的电压和容量数据。容量数据可通过既定的测试流程与标准得出，数值比较稳定；而电压数值则随荷电状态（SOC）的变化而改变。当电池处于不稳定的SOC时，电压波动较大，容易影响分选结果及配组的一致性，因此需要确保电池在分选前处于稳定的SOC。
目前选取电池稳定SOC的方法一般是参考锂离子电池在特定倍率下充电时的电压-充电时间曲线，找出曲线中斜率最低点所对应的SOC，以此SOC作为锂离子电池稳定的SOC。该方法存在一定的局限性：首先，该方法没有考虑电池内部的极化问题，电池充电过程中存在极化，充电结束后，极化逐渐恢复，位于不同极化状态的电池，即使通过恒流充电达到相同的电压值，在充电结束后，电压也会产生不同的波动。其次，该方法没有考虑电池内部材料的相变过程，伴随锂离子在正负极之间的传递，材料存在不同的相变过程，当材料发生相变时，很小的电量变化就将引发很大的电压变化。因此在选取电池的合适SOC时，需要在此SOC下电池内部极化较小且材料处于非相变阶段，保证相同SOC的锂离子电池具有良好的一致性。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，该选取方法通过测量锂离子电池在不同荷电状态下的电压U、电量Q、直流内阻DCR，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ，以及直流内阻DCR与荷电状态的变化关系Ⅱ；然后选取两种变化关系中合适的SOC，以两种变化关系选取出的SOC的交集作为锂离子电池稳定的荷电状态。该选取方法兼顾了锂离子电池内部的极化和材料的相变问题，在选取出的稳定的荷电状态下，锂离子电池内部极化最小且材料处于非相变阶段。该选取方法适用于电池包中单体锂离子电池的分选，在选取出的荷电状态下，锂离子电池单体的一致性好，能够有效降低“木桶效应”对电池包的影响，提高电池包的综合性能。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明提供了一种锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，包括如下步骤：
步骤一：测量锂离子电池在不同荷电状态下的电压U、电量Q、直流内阻DCR，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ，以及直流内阻DCR与荷电状态的变化关系Ⅱ；
步骤二：确定所述变化关系Ⅰ中dU/dQ或dQ/dU随荷电状态的变化率为零时的荷电状态SOC1；确定所述变化关系Ⅱ中DCR随荷电状态的变化率为零时的荷电状态SOC2；
步骤三：选取荷电状态SOC1与荷电状态SOC2的交集SOC3作为锂离子电池稳定的荷电状态。
进一步地，所述变化关系Ⅰ中，荷电状态SOC1为dU/dQ随荷电状态先减小后增大的过程中变化率为零时的荷电状态，或dQ/dU随荷电状态先增大后减小的过程中变化率为零时的荷电状态。
进一步地，所述变化关系Ⅱ中，荷电状态SOC2为DCR随荷电状态先减小后增大的过程中变化率为零时的荷电状态。
本发明中通过电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系来判断锂离子电池内部材料的相变情况。当电池材料发生相变时，很小的脱/嵌锂量就能使电池电位发生较大的变化，此时电压对电量的微分会出现峰值，即dU/dQ随荷电状态的变化出现峰值；当电池材料处于非相变阶段时，dU/dQ随荷电状态的变化出现谷值，因此当dU/dQ随荷电状态先减小后增大的过程中变化率为零时，锂离子电池在此SOC区间内处于非相变阶段。锂离子电池内部材料处于两相共存时其电极电位保持不变，在此电位下，电量对电压的微分会出现峰值，即dQ/dU随荷电状态先增大后减小，出现dQ/dU随荷电状态的变化率为零的SOC区间。因此，通过dQ/dU随荷电状态的变化可以判定电池内部材料的相变情况。
锂离子电池的直流内阻DCR包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻包括电池内部固有的阻抗和各部分零件接触内阻，数值相对固定；极化内阻受电流密度、SOC等多种因素影响，数值波动较大。因此可以通过直流内阻间接判断极化内阻，进而判断电池内部的极化情况。现有工艺产线充电电流密度相对固定，因而主要考虑SOC对直流内阻的影响。随着SOC增大，直流内阻出现波动，形成波峰与波谷。波峰处电池内部极化严重，波谷处电池内部极化较小；通过明确DCR-SOC的关系曲线（即变化关系Ⅱ），选择DCR处于波谷的SOC范围，即为电池内部极化较小时的SOC范围。
进一步地，所述直流内阻DCR的测量方法包括如下步骤：
S01：将锂离子电池放电至空电，然后以电流I1充电至设定的荷电状态，静置；
S02：静置完成后，记录锂离子电池的电压U1，然后采用电流I2放电，记录电流I2放电后的锂离子电池的电压U2，根据DCR=（U1 –U2）/I2计算锂离子电池在设定的荷电状态的直流内阻DCR。在测量DCR过程中，每测完一组SOC对应的DCR都将电池放电至空电状态，重新充电至新设定的SOC再进行测量，可以保证电池SOC的准确性。通过充电过程中不同SOC对应的DCR数值来评估电池内部极化随SOC的变化情况，选取极化较小的SOC区间。
优选地，所述电流I1为0.1~0.8C；所述电流I2为0.5~2C；所述静置时间为0.5~3min。
优选地，所述电流I3放电时间为10~40s。
进一步地，所述变化关系Ⅰ的确定方法为：将锂离子电池充电至满电，采用电流I3恒流放电，记录放电过程中锂离子电池的电压U、电量Q，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ。
优选地，所述电流I3为0.01~0.03C。
本发明还提供了一种上述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法的应用，所述选取方法应用于电池包中单体锂离子电池的分选。在电池包的制备过程中，通过上述选取方法，选取出锂离子电池稳定的荷电状态，在选取的荷电状态下，锂离子电池内部极化作用较小并且材料处于非相变阶段，此时单体锂离子电池的一致性好，能够有效降低“木桶效应”对电池包的影响，提高电池包的综合性能。
进一步地，根据所述选取方法选取锂离子电池的荷电状态SOC3，以所述荷电状态SOC3为标准确定锂离子电池的充电参数，根据所述充电参数对单体锂离子电池进行充电。选取出稳定的荷电状态后，以此荷电状态为标准，确定单体锂离子电池的充电电流、充电时间等充电参数，将单体锂离子电池充电至选取出的荷电状态，此时单体锂离子电池的一致性好，然后进行串并联制备电池包。
本发明具有以下优点：
1. 本发明中通过锂离子电池电压、电量的微分与电池SOC的关系，判定电池内部的相变情况，选取出非相变阶段的SOC区间。通过DCR与SOC的关系，判定电池内部极化较小的SOC区间。取两个区间的交集作为锂离子电池稳定的SOC区间，兼顾了电池内部极化与材料相变对SOC的影响，在选取出的稳定的SOC区间内，单体锂离子电池具有良好的一致性。
2. 本发明中SOC区间选取方法适用于电池包中单体电池的分选，能够有效降低“木桶效应”对电池包的影响，提高电池包的综合性能。
附图说明
图1为本发明中锂离子电池放电过程中dU/dQ与SOC的关系曲线。
图2为本发明中锂离子电池充电过程中DCR与SOC的关系曲线。
图3为本发明中锂离子电池充电过程中SOC与充电时间的关系曲线。
图4为本发明中锂离子电池充电过程中电压与充电时间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
本发明中实施例和对比例中所用的实验电池均为满足出厂要求的18650圆柱锂离子电池，但是不对本发明中锂离子电池的型号进行限定，即本发明中稳定荷电状态的选取方法和应用方法适用于圆柱电池、方形电池、软包电池等生产上常用的电池型号。
实施例1
1. 绘制dU/dQ与SOC关系曲线。
取一组锂离子电池，编号为A，该组锂离子电池为100pcs，将A组锂离子电池均充电至满电状态。
对A组电池以0.02C恒流放电，截止电压为2.75V，记录电池电压与电量数据，分别取平均值作为A组的电压、电量数据。
以A组的电压、电量数据绘制dU/dQ与SOC关系曲线，曲线变化趋势在图中标号为a，如附图1所示。
由附图1可知，曲线a上出现三个波谷，对应的SOC分别为13%、45%、85%；在此三个SOC状态下，锂离子电池内部材料处于非相变阶段。
2. 绘制DCR与SOC的关系曲线。
取两组锂离子电池，编号分别为B1、B2，每组锂离子电池均为100pcs，将B1组、B2组锂离子电池均放电至空电状态。
对B1组电池以0.5C恒流充电至10%SOC状态，然后静置1min，静置完成后以1C恒流放电30s，计算10%SOC时的直流内阻DCR，以DCR平均值作为B1组电池在10%SOC时的DCR。
对B2组电池以0.5C恒流充电至10%SOC状态，然后静置1min，静置完成后以1C恒流放电30s，计算10%SOC时的直流内阻DCR，以DCR平均值作为B2组电池在10%SOC时的DCR。
将B1组电池均放电至空电状态，重复上述DCR测量步骤。不同之处在于：将B1组电池充电至20%SOC状态，计算20%SOC时的DCR。然后再将电池均放电至空电状态，重复上述DCR测量步骤，计算SOC分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%时的DCR。对B2组电池采用与B1组电池相同的方法，计算B2组电池SOC分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%时的DCR。绘制DCR与SOC的关系曲线，如附图2所示。
由附图2可知，曲线出现两个波谷，分别为20%SOC、40%~45%SOC，在此两个SOC状态下，锂离子电池内部极化较小。
3. 综合电池内部极化较小且为非相变阶段的SOC。
由dU/dQ与SOC关系曲线和DCR与SOC的关系曲线选取出的SOC状态为：13%、45%、85%、20%、40%~45%。当SOC为13%和85%时，电池直流内阻较大，内部极化严重；当SOC为20%时，电池内部处于相变不稳定状态；当SOC为45%时，同时满足电池内部极化较小且为非相变阶段条件。所以选取45%SOC作为锂离子电池稳定的荷电状态。
4. 选取的锂离子电池稳定荷电状态的应用。
取三组锂离子电池，编号分别为C1、C2、C3，每组锂离子电池均为100pcs，将C1组、C2组、C3组锂离子电池均放电至空电状态。以0.5C电流恒流充电至电压为4.2V，记录充电过程中充电时间、SOC数据。分别以各组电池的SOC数据的平均值作为各组的SOC数据，绘制SOC与充电时间关系曲线，如附图3所示。
由附图3可以，45%SOC时对应的充电时间为48~50min。所以在电池包制备过程中，对空电状态的单体锂离子电池，采用0.5C电流恒流充电48~50min，此时单体电池的荷电状态为45%，且个单体电池之间一致性好；然后再进行串并联，制备所需的电池包。
对比例1
取100pcs锂离子电池，编号D组，将锂离子电池均放电至空电状态。以0.5C电流恒流充电至电压为4.2V，记录充电过程中充电时间、电池电压数据、SOC数据。以组内电池电压数据的平均值作为D组电池电压数据，绘制电池电压与充电时间关系曲线，如附图4所示。
由附图4可知，曲线中斜率最低点对应充电时间为34min，SOC状态为32%。
实施例1中选取出的SOC为45%，对比例1中选取出的SOC为32%。由附图1可知，32%SOC位于13%SOC波谷和40%~45%SOC波谷之间靠近波峰的位置，说明此时电池内部正在发生相变。由附图2可知，32%SOC时，直流内阻较高，说明此时电池内部极化严重，因此，对比例1所得32%SOC不是锂离子电池的最佳荷电状态。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测量锂离子电池在不同荷电状态下的电压U、电量Q、直流内阻DCR，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ，以及直流内阻DCR与荷电状态的变化关系Ⅱ；
步骤二：确定所述变化关系Ⅰ中dU/dQ或dQ/dU随荷电状态的变化率为零时的荷电状态SOC1；确定所述变化关系Ⅱ中DCR随荷电状态的变化率为零时的荷电状态SOC2；
步骤三：选取荷电状态SOC1与荷电状态SOC2的交集SOC3作为锂离子电池稳定的荷电状态。
2.如权利要求1所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述变化关系Ⅰ中，荷电状态SOC1为dU/dQ随荷电状态先减小后增大的过程中变化率为零时的荷电状态，或dQ/dU随荷电状态先增大后减小的过程中变化率为零时的荷电状态。
3.如权利要求1所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述变化关系Ⅱ中，荷电状态SOC2为DCR随荷电状态先减小后增大的过程中变化率为零时的荷电状态。
4.如权利要求1所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述直流内阻DCR的测量方法包括如下步骤：
S01：将锂离子电池放电至空电，然后以电流I1充电至设定的荷电状态，静置；
S02：静置完成后，记录锂离子电池的电压U1，然后采用电流I2放电，记录电流I2放电后的锂离子电池的电压U2，根据DCR=（U1 –U2）/I2计算锂离子电池在设定的荷电状态的直流内阻DCR。
5.如权利要求4所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述电流I1为0.1~0.8C；所述电流I2为0.5~2C；所述静置时间为0.5~3min。
6.如权利要求4所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述电流I3放电时间为10~40s。
7.如权利要求1所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述变化关系Ⅰ的确定方法为：将锂离子电池充电至满电，采用电流I3恒流放电，记录放电过程中锂离子电池的电压U、电量Q，确定电压对电量的微分dU/dQ或电量对电压的微分dQ/dU与荷电状态的变化关系Ⅰ。
8.如权利要求7所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法，其特征在于：所述电流I3为0.01~0.03C。
9.一种如权利要求1~8任一所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法的应用，其特征在于：所述选取方法应用于电池包中单体锂离子电池的分选。
10.如权利要求9所述锂离子电池稳定荷电状态的选取方法的应用，其特征在于：根据所述选取方法选取锂离子电池的荷电状态SOC3，以所述荷电状态SOC3为标准确定锂离子电池的充电参数，根据所述充电参数对单体锂离子电池进行充电。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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