CN111036575B - 一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：将电池正负极分别与对应接口连接；将电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；设置恒温A；待温度恒定所设温度后保温；对电池进行恒流充电，记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；待电池充电完成后静置，然后对电池进行放电，记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；导出、分析数据；将数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求。本发明使用温度作为锂离子电池分选的主要状态依据，工作过程中的电池老化情况、内阻变化情况等都会通过电池工作状态下产热体现出来。
Description
技术领域
本发明涉及电池分选方法，具体为一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法。
背景技术
电池组或电池模块在有能量或者无能量(电能和热能)输入输出的情况下，各单体电池参数(电压、电荷状态、温度、容量及其衰减率、自放电率及其随时间的变化率、充放电效率及其随时间的变化率、内阻及其随时间的变化率等)的相同程度称为电池的一致性。由于电池制造原材料、生产零部件、制作工艺以及使用环境的差别，在组合成电池组时将不可避免地出现单体性能差异，并且参与组合的单体电池数量越多，各单体之间出现差异的可能性就越大。目前，在电动自行车中使用的电池组一般为十几只单体电池的串联组合。在电动汽车应用中，电池单体数量多达几百只甚至几千只，因而各单体电池之间造成不一致性的现象会更加明显。同一批次的单体电池的循环寿命可达几千次，然而当串并联成电池组使用后其寿命只有几百次，这就是典型的不一致性现象。电池组中单体电池的不一致性不仅影响对电池组电荷状态、健康状况等的正确判断，而且还会造成电池组容量衰减和寿命降低，甚至可能引发安全问题。
针对锂离子电池的不一致性问题，目前研究者们提出两种解决思路：(1)第一种是通过电池管理系统(BMS)对电池包中电芯的状态进行监测管理，其中均衡是电池管理中常用的手段，通过均衡系统将对电池的电量和电压等状态参量进行调节，可使同一电池包中的电芯维持在一致性较高的出力状态；(2)第二种是在电芯成组之前通过电压、内阻、容量等参数的测量比对，将参数相近的电池分选成组，提高成组后电池包内电芯的一致性。
第一种方法在应用过程中的缺点主要有：(1)目前仅能依据某一判据对电芯状态进行调节，而不同电芯在某一状态相同时，其余状态可能并不相同，例如以电压作为均衡判据，将同一电池包中的电芯电压调节为某一相同值，此时电芯的电量可能并不相同；(2)仅能通过电压、表观SOC等可测量的外部参量进行调节，而这种外部参量并不能完整反映电芯内部工作状态(如SOH等)。
第二种方法的不足之处主要有：(1)在电池静态情况下对电芯进行检测，对于电池实际运行过程中的动态工况反映不足；(2)电池在储能系统或电动汽车等实际应用中的使用环境较为复杂，电池需要进行串并联以达到一定容量，且工况变化频繁，现有静态分选方法无法应对电池进行大容量成组后复杂系统对电池一致性的要求。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种能够反映电池动态工作过程中内部性能的基于温度变化分析的锂离子电池分选方法。
技术方案：本发明所述的一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将2～10块72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接；
步骤2，将电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为恒温A，A为-15-45℃中的某一值；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为步骤3所设置的温度后，将电池保温1-5小时；
步骤5，对电池进行恒流充电，充电倍率为0.25-5C，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置0-5分钟，然后对电池进行放电，放电倍率为0.25-5C，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值，则认为该电池的不符合一致性要求。预先设定的阈值可通过经验值设定，也可以通过下述数学分析方法计算得出。
电池为磷酸铁锂或三元锂离子电池，电池形状可以为方形、圆柱形、软包电池中的任意一种。
电池数据处理方法可由如下公式计算：
1、计算不同电池相对初始温度的变化值ΔTi
2、对于同一组电池的两次测量结果，记第一次测量结果的值为X，第二次测量结果值为Y，电池组内电池数为n，两次结果的测量可信度可以用下述公式表示，当r的值大于0.7时，计算结果可以采纳。
3、电池组温度真实方差计算公式为：ST 2＝SV 2+SI 2，其中ST为真实方差，SV为与测试有关的方差，SI为与测试无关的方差。当ST/SI＜1.05时认为该组数据可靠。
4、温度差的经验值可由下列公式计算：统计被测型号多块电池(数量大于100)在测量条件下的温度升高值，一般认为在随机干扰条件下，电池温度分布状态可由下列公式计算，其中σ为统计方差。一般认为分布状态位于2σ以外的电池为不合格电池。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、能够解决电芯内部工作状态反应不足的问题，本发明使用温度作为锂离子电池分选的主要状态依据，工作过程中的电池老化情况、内阻变化情况等都会通过电池工作状态下产热体现出来，当同款型号的新电池和旧电池并联在一起工作时，由于旧电池的内部老化情况(例如活性锂数量、电解液杂质、SEI膜厚度等)要大于旧电池，造成旧电池充放电过程的能量损失较大，这些损失的能量会以发热的形式体现出来，相应的旧电池的温升速度也要要明显高于新电池；
2、在电池充放电过程中对电池动态温度变化情况进行检测，电池温升大小和电池温升速率的大小反映电池动态工作过程中内部性能；
3、在电池成组后在电池模块内部多处位置布置温度探测单元，可以对模组内部每一节电芯的状态进行跟踪监测，能反应大容量成组后复杂系统的一致性的问题。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明磷酸铁锂电池25℃充放电温度变化图；
图3是本发明磷酸铁锂电池-5℃充放电温度变化图；
图4是本发明磷酸铁锂电池45℃充放电温度变化图；
图5是本发明10块磷酸铁锂电池25℃充放电温度变化图。
具体实施方式
实施例1
如图1，基于温度变化分析的锂离子电池分选方法包含的以下步骤：
步骤1，将2块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中一块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另一块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将2块电池置入高低温测试箱中，在两块电池上表面中心点均贴有一片热电偶用于检测温度，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为25℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为25℃后，将电池保温4小时；
步骤5，对电池进行1C充电至电池充满，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置1分钟，然后对电池进行1C放电至电量放光，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，数据采集仪可直接导出TXT格式的数据，然后使用Origin做成图表或者用excel分析，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
电池充放电过程中的温度变化情况如图2所示。可以看到，在25℃保温时，旧电池(既老化程度较高的电池)其充放电过程中的温升要高于新电池。
实施例2
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将2块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中一块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另一块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将2块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为-5℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为-5℃后，将电池保温4小时；
步骤5，对电池进行1C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置4分钟，然后对电池进行1C放电至电量放光，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
电池充放电过程中的温度变化情况如图2所示。可以看到，在-5℃保温时，旧电池(既老化程度较高的电池)其充放电过程中的温升要高于新电池。
实施例3
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将2块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中一块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另一块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将2块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为45℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为45℃后，将电池保温4小时；
步骤5，对电池进行1C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后，对电池进行1C放电至电量放光，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
电池充放电过程中的温度变化情况如图4所示。可以看到，在45℃保温时，旧电池(既老化程度较高的电池)其充放电过程中的温升要高于新电池，且电池温升要高于45℃充放电情况。
实施例4
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将10块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中2块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另8块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将10块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为25℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为25℃后，将电池保温4小时；
步骤5，对电池进行1C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置2分钟，然后对电池进行1C放电至电量放光，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
电池充放电过程中的温度变化情况如图5所示。可以看到，2块旧电池的温升要明显高于8块新电池，而8块新电池的温度升高幅度接近。通过这种方法可以很好的鉴别电池不一致性，也可以用于不合格电池筛选。
实施例5
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将4块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中2块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另2块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将4块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为-15℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为-15℃后，将电池保温1小时；
步骤5，对电池进行0.25C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置1分钟，然后对电池进行0.25C放电，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
实施例6
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将6块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中3块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另3块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将6块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为-5℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为-5℃后，将电池保温5小时；
步骤5，对电池进行5C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置5分钟，然后对电池进行5C放电，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
实施例7
一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，包含以下步骤：
步骤1，将8块空电状态的72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接，其中4块是在储能电站中使用过一年时间的旧电池，另4块是新购置于厂家的新电池；
步骤2，将8块电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面的中心位置布置热电偶，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为15℃；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为15℃后，将电池保温3小时；
步骤5，对电池进行4C恒流充电，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置4分钟，然后对电池进行4C放电，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率数据；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值(通过经验值设定或上述数学分析方法计算得出)，则认为该电池的不符合一致性要求。
Claims (1)
1.一种基于温度变化分析的锂离子电池分选方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1，将2~10块72Ah方形磷酸铁锂电池正负极分别与充放电测试仪对应接口连接；
步骤2，将电池置入高低温测试箱中，在每个电池外表面布置热电偶，热电偶设置在每个电池外表面的中心位置，热电偶接到数据采集仪上；
步骤3，将高低温测试箱设置为恒温A，恒温A为-15-45℃中的某一值；
步骤4，待高低温测试箱温度恒定为步骤3所设置的温度后，将电池保温1-5小时；
步骤5，对电池进行恒流充电，充电倍率为0.25-5C，充电过程中通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤6，待电池充电完成后静置0-5分钟，然后对电池进行放电，放电倍率为0.25-5C，通过数据采集仪记录电池充电过程中各热电偶的温度变化情况；
步骤7，导出数据采集仪记录的电池温度变化情况，分析数据，分析数据包括各时间点的温度变化速率、锂离子电池充放电过程中的最高温度和最低温度、最大温升速率和最小温升速率；
步骤8，将步骤7的数据与提前设定的阈值进行比较，判断是否符合一致性要求，如果电池的实测值超出预先设定的阈值，则认为该电池的不符合一致性要求；
所述预先设定的阈值通过以下数学分析方法计算得出：
步骤一，计算不同电池相对初始温度的变化值ΔTi；
步骤二，对于同一组电池的两次测量结果，记第一次测量结果的值为X，第二次测量结果值为Y，电池组内电池数为n，两次结果的测量可信度可以用以下公式表示，
当r的值大于0.7时，计算结果可以采纳；
步骤三，电池组温度真实方差计算公式为：ST 2=SV 2+SI 2，其中ST为真实方差，SV为与测试有关的方差，SI为与测试无关的方差，当ST/SI<1.05时认为该组数据可靠；
步骤四，温度差的经验值可由下列公式计算：统计被测型号多块电池（数量大于100）在测量条件下的温度升高值，一般认为在随机干扰条件下，电池温度分布状态可由以下公式计算，
其中，σ为统计方差，分布状态位于2σ以外的电池为不合格电池。
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