CN111744827A - 一种分选锂电芯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种分选锂电芯的方法，包括快速分选和高精度分选；本发明的方法可以实现快速精确的将电芯按照自放电进行分类，同时采用的设备成本低，适用于大规模的自放电分选。本发明通过快速分选以及高精度分选两个分选方法，可以实现批量电芯中剔除自放电率大的电芯，以及实现自放电率相近的电芯分选成组，适用范围更广。

Description

一种分选锂电芯的方法
技术领域
本发明涉及电芯分选技术领域，尤其涉及一种分选锂电芯的方法。
背景技术
随着电动汽车越来越广泛的应用在民用领域，电池系统作为电动汽车最重要的系统之一也得到越来越多的关注。限于单体电池的电压和容量，为了满足电动汽车的使用要求，采用串联、并联的方式将车用锂电池混联成组。然而在实际应用中发现，电池组的循环使用寿命和性能远低于混联前的单体电池水平。为了提升电池组的循环使用寿命和性能，必须保证电池组内的电池具有良好的一致性。电池组一致性常用的评价指标有SOC、内阻、容量、库伦效率、衰减速率和自放电率，限于成本和技术条件，现阶段常见的满足电池组一致性的指标主要是SOC，容量，内阻等的一致性。然而保证SOC、容量、内阻的一致性被称为是“伪一致性”，电池组的一致性会随着时间的累积被破坏。保证库伦效率、衰退速率和自放电率的一致性才能更好的保证电池组的一致性。
由于老化实验所需要的时间很长，现阶段保证衰退速率的一致性只能从电池制造阶段入手。电池的库伦效率与自放电率和衰退速率有关，然而库伦效率极难获得很难根据电池的库伦效率来分选电池。JeffDahn等人研究了超高精度的库伦效率测量方法，然而该方法成本较高很难用于大规模分选电芯。Zheng等人研究了串联电池之间的库伦效率差异，但是耗时较长。相比而言，基于自放电率分选电芯更为易于实现，并且研究电池组自放电率具有极其重要的意义。自放电率差异将会导致电池组单体电芯之间的SOC差异，若电池组中存在自放电率较大的电池，会导致电池组循环使用寿命以及性能显著下降。一般来说，电芯的自放电率在2％～5％/月即可满足使用要求。目前常规的筛选方法是把电芯来路搁置很长一段时间在测量其两端电压，这种方法耗时较长成本较高。李革臣等人研究了一种新的测量电池自放电率的手段，需要12个小时即可计算出电池的自放电率。这种方法计算量极为庞大，需要进行数以十万次的计算，对设备要求较高不适用于大规模分选。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够在短时间内完成大批量电芯的分选成组，并且筛选成本低的分选锂电芯的方法。
为达到上述目的，本发明提出一种分选锂电芯的方法，包括快速分选和高精度分选；
其中，所述快速分选包括以下步骤：
步骤1:将刚出厂的电芯进行均衡处理；
步骤2：随机选取一定数目的电芯，将多个电芯并联接入单电表并联电路；监测电表的电流变化，根据监测数据判断是否存在自放电大的电芯若没有，分选成组，若有，进入步骤3；
步骤3：在多个电芯并联的电路中，每一条支路上都接入一个高精度电表，根据建立的带有自放电的等效电路模型找出自放电率相差较大的电芯并将其余电芯分选成；
所述高精度分选包括以下步骤：
步骤a：将刚出厂的电芯进行均衡处理；
步骤b:随机选取一定数目的电芯，将该批次电芯并联连接，并在每一条支路上接入一个高精度电流表，观测各支路中电流变化，根据建立的带有自放电的等效电路模型剔除相对自放电率大的电芯，并将其余相对自放电率相近的电芯分选成组。
进一步的，在步骤1和步骤a中，所述电芯均衡处理不超过3h，均衡设备为环形传送装置，电芯置于均衡入口传送至装置内进行均衡，均衡后从均衡出口传送出去。
进一步的，在步骤2中和步骤bZ红，所述自放电大的电芯为相对自放电率大于3％/月的电芯。
进一步的，在步骤2中，在电表所在电路接入一块已知自放电率的参考电芯并设定一个阀值S，若规定时间内所述电表的电流变化量超过阀值S，即可认为该批次电芯中存在自放电率大于参考电芯自放电率的电芯。
进一步的，在步骤3中，每一条支路上都接入一个高精度电表的作用在于找出该批次电芯中自放电率较大的电芯并将其剔除。
进一步的，在步骤b中，每一条支路上都接入一个高精度电表的作用在于将相对自放电率相近的电芯分选成组；
在高精度分选方案中接入自放电率已知的电芯，根据高精度电流表实时采集到的规定时间内电流变化量，对比自放电率为已知的电芯所在支路的电流变化量，将自放电率为1％、2％、3％、4％、5％左右的电芯区分开来并分别分选成组。
进一步的，所述带有自放电率的等效电路模型是指建立的用于计算各电芯自放电率的模型，由于在电池筛选过程中不存在动态工况，所以建模采用的是Rint模型；在计算中将存在自放电率的电芯认为是在Rint模型中并联一个自放电内阻，将流经这个自放电内阻的电流认为是自放电电流，从而计算每块电芯的自放电率。
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的方法可以实现快速精确的将电芯按照自放电进行分类，同时采用的设备成本低，适用于大规模的自放电分选。
本发明通过快速分选以及高精度分选两个分选方法，可以实现批量电芯中剔除自放电率大的电芯，以及实现自放电率相近的电芯分选成组，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明实施例中分选锂电芯的流程图。
图2为本发明实施例中单电表并联电路的整体结构示意图；
图3为本发明实施例中多电表并联电路的整体结构示意图；
图4为本发明实施例中快速分选方案中步骤2自均衡电流变化图；
图5为本发明实施例中快速分选方案中步骤3各支路自均衡电流图；
图6为本发明实施例中高精度分选中步骤b中各支路电表的电流变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示，本发明提出一种分选锂电芯的方法，包括快速分选和高精度分选；
其中，所述快速分选包括以下步骤：
步骤1:将刚出厂的电芯进行均衡处理，均衡处理采用“一进一出”的方式进行均衡，均衡时间不超过3h。均衡设备为环形传送装置，电池经均衡入口后开始均衡，经均衡出口后结束均衡；
步骤2：如图2所示，随机选取一定数目的电芯，将多个电芯并联接入单电表并联电路；监测电表的电流变化，根据监测数据判断是否存在自放电大的电芯，若没有，分选成组，若有，进入步骤3；
在步骤2中，所选的待筛选电芯数目与接入电路的高精度电流表数目无关，仅需在第一条支路接入一个高精度电表同时设置一个阈值S，若规定时间内的电流变化量超过阈值S，即可认为该批次电芯中存在自放电率较大的电芯，如图2所示，单电表筛选原理是由于各电芯之间或多或少存在自放电率，自放电率高的电芯其SOC下降的要比自放电率低的电池要快，这将会导致各电芯间的开路电压产生差异。通过高精度电表观测支路电流变化就可以判断接入并联电路的电芯是否存在自放电率较大的电芯。当待分选电芯接入并联电路后，若该批次的电池中不存在自放电率较大的电芯，因为并联电路本身就存在自均衡电流，随着各电芯的开路电压不断趋于一致，这将会导致各电芯之间的压差不断下降，相应呈现在高精度电表上的是一条不断减小的电流曲线；若存在自放电率较大的电芯，该电芯与其余正常电芯之间的压差会不断增大，并联电路中的自均衡电流将会不断增大，相应呈现在高精度电表上的是一条不断增加的电流曲线。通过观测电路曲线的趋势，即可判断该批次的电芯中是否满足成组条件。
步骤3：在多个电芯并联的电路中，如图3所示，每一条支路上都接入一个高精度电表，根据建立的带有自放电的等效电路模型找出对自放电率大的电芯并将其余电芯分选成组；
每一条支路均接入一个高精度电流表监测各支路电流变化，根据建立的等效电路模型计算出电芯间的相对自放电率，如图3所示，初始时刻，由于事先经过均衡各电芯之间的开路电压相差不大，然而随着时间的累积，自放电率较大的电芯SOC下降较大，正常电芯与自放电率较大的电芯之间便会出现压差，电流表左端电位相同，电流表示数变化决定于各电芯正极电位。由于并联电路本身存在的自均衡现象，正常电芯会持续的为带有自放电的电芯充电。相对于参考电芯而言，自放电率较高的电芯其自均衡电流增大趋势明显，而自放电率较低的电芯其自均衡电流增加趋势较缓，正常电芯的自均衡电流会不断趋于稳定。通过观测各支路电流表示数变化即可确定各电芯相对自放电率大小。
在步骤3中，每一条支路上都接入一个高精度电表的作用在于找出该批次电芯中自放电率较大的电芯并将其剔除。
所述高精度分选包括以下步骤：
步骤a：将刚出厂的电芯进行均衡处理；与步骤1相似，均衡处理采用“一进一出”的方式进行均衡，均衡时间不超过3h。
步骤b:随机选取一定数目的电芯，如图3所示，将该批次电芯并联连接，并在每一条支路上接入一个高精度电流表，观测各支路中电流变化，根据建立的带有自放电的等效电路模型剔除相对自放电率大的电芯，并将其余相对自放电率相近的电芯分选成组。
在步骤b中，多电表并联电路的筛选原理如步骤3中所述，在步骤b中引入高精度电表的作用在于将自放电率相近的电芯分选成组，在高精度分选方案中接入自放电率已知的电芯，根据高精度电流表实时采集到的规定时间内电流变化量，对比自放电率为已知的电芯所在支路的电流变化量，将自放电率为1％、2％、3％、4％、5％左右的电芯区分开来并分别分选成组。
下面将通过具体的实验数据对本发明的优势之处做出进一步的解释说明：
步骤1，取8只容量为26Ah的软包锂电芯，常温下将其放入均衡设备中均衡3个小时。
步骤2，将均衡后的电芯接入单电表并联电路，四块电芯分别标记为cell#1、cell#2、cell#3、cell#4，电路图如图2所示。接入电路的高精度电流表量程为0～1000μA，内阻为10Ω。为了获得自放电率较高的电芯，结合式1通过给电芯并联电阻来模拟自放电。其中实验所用电芯参数与实验参数设置如表1，2所示。通过实验获得一个阈值S,当在2h内电流值变化超过S即将该批次电芯接入多电表并联电路进行进一步分选，若未超过即可分选成组。Test#1和Test#2在单电表方案中实验结果图如图4所示。
Figure BDA0002554501950000071
表1快速分选方案实验参数设置
Figure BDA0002554501950000072
注：*表示电芯自放电率为已知
根据要求，一般认为电芯自放电率在3％/月即满足使用要求，Test#1模拟的是存在自放电率为3％/月的电芯，Test#2中模拟存在自放电率为5％/月的电芯。根据实验结果，如图4所示，在6000s时，Test#1中电流变化ΔI＝5.5μA，ΔI≤S,满足分选成组要求，而Test#2中电流变化为ΔI＝10.1μA，ΔI＞S,将电芯接入多电表并联电路进行进一步分选。
步骤3，将步骤2中不满足成组要求的电芯接入多电表并联电路，电路连接图如图3所示。搁置一段时间后，得到实验数据如图5，表3所示：
表2各支路实验数据表
Figure BDA0002554501950000081
基于Test#2对各支路电流进行分析：初始阶段cell#2两端开路电压较高，由于并联电路存在的自均衡现象，cell#2给其余三块电芯充电。在这个阶段，自放电率小的电芯与cell#2之间的压差会随着均衡的作用逐渐减小，相应变现在支路电流上就是自均衡电流随着时间的推移不断趋于稳定；而对于自放电率较大的电芯，由于其内部漏电严重，并联支路存在的自均衡电流很难弥补其电量损失其与cell#2之间的压差将会不断增大，具体表现在支路电流上就是自均衡电流不断变化，自放电率越大，这个变化的趋势就越明显。通过以上分析可以判断，cell#1与cell#2电芯满足成组条件，cell#3自放电率已知为3％/月，cell#4自放电率较大。根据实验结果将cell#4剔除，其余电芯分选成组。
其中技术路线2高精度分选方案包括如下步骤：
步骤a，取8只容量为26Ah的软包锂电芯，常温下将其放入均衡设备中均衡3个小时。
步骤b，随机选取一定数目按照步骤a中均衡完毕的电芯，将该批次电芯接入多电表电路，实时观测各支路中电流变化。为了展示高精度电表的分选精度决定于接入电路中已知自放电率电芯的程度，在电路中接入自放电率为3％/月，5％/月的电芯，用于将自放电率低于3％/月的电芯，自放电率在3％/月～5％/月的电芯分选成组以及将自放电率高于5％/月的电芯剔除。实验参数设置如表4所示，表3高精度分选方案实验参数设置
Figure BDA0002554501950000091
注:*表示电芯自放电率为已知
将上述6块电芯接入全电表电路中，放置7000s后，由各支路高精度电流表记录的各支路电流变化量如表5及图6所示：
表4各支路实验数据表
Figure BDA0002554501950000092
基于全电表方案Test#1对各支路电流进行分析，Cell#1为正常电芯，其自放电率视为0％/月，Cell#3电芯的自放电率为3％/月，Cell#5电芯的自放电率为5％/月。若该批次电芯中存在自放电率较小的电芯，随着并联电路的自均衡作用，其与Cell#1之间的压差会逐渐减少，反映在自均衡电流上就是一条斜率不断减小的曲线，由图6可以判断不存在自放电率为0％/月左右的电芯；电流变化量在Cell#1和Cell#3变化量之间的电芯其自放电率在0％/月～3％/月之间；电流变化量在Cell#3和Cell#5变化量之间的电芯其自放电率在3％/月到5％/月之间；电流变化量大于Cell#5变化量的电芯其自放电率应高于5％/月。根据以上分析结果，可将Cell#1、Cell#2分选成组，将电芯Cell#3、Cell#4和Cell#5分选成组，将Cell#6剔除。
本方法的分选精度由接入电路中已知自放电率电芯所决定，将高精度电表实时采集的数据与已知自放电率电芯支路高精度电表采集的数据对比，即可判断出各电芯相对自放电率的多少。上述实验最多只用了8块电芯进行验证，实际应用上电芯数目可以进一步增加，并且筛选时间并不会增加，应用该方法能够快速精确的将电芯按照自放电进行分类，同时所采用的设备成本低，适用于大规模的自放电分选。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分选锂电芯的方法，其特征在于，包括快速分选和高精度分选；
其中，所述快速分选包括以下步骤：
步骤1:将刚出厂的电芯进行均衡处理；
步骤2：随机选取一定数目的电芯，将多个电芯并联接入单电表并联电路；监测电表的电流变化，根据监测数据判断是否存在自放电大的电芯若没有，分选成组，若有，进入步骤3；
步骤3：在多个电芯并联的电路中，每一条支路上都接入一个高精度电表，根据建立的带有自放电的等效电路模型找出自放电率相差较大的电芯并将其余电芯分选成；
所述高精度分选包括以下步骤：
步骤a：将刚出厂的电芯进行均衡处理；
步骤b:随机选取一定数目的电芯，将该批次电芯并联连接，并在每一条支路上接入一个高精度电流表，观测各支路中电流变化，根据建立的带有自放电的等效电路模型剔除相对自放电率大的电芯，并将其余相对自放电率相近的电芯分选成组。
2.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，在步骤1和步骤a中，所述电芯均衡处理不超过3h，均衡设备为环形传送装置，电芯置于均衡入口传送至装置内进行均衡，均衡后从均衡出口传送出去。
3.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，在步骤2中和步骤bZ红，所述自放电大的电芯为相对自放电率大于3％/月的电芯。
4.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，在步骤2中，在电表所在电路接入一块已知自放电率的参考电芯并设定一个阀值S，若规定时间内所述电表的电流变化量超过阀值S，即可认为该批次电芯中存在自放电率大于参考电芯自放电率的电芯。
5.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，在步骤3中，每一条支路上都接入一个高精度电表的作用在于找出该批次电芯中自放电率较大的电芯并将其剔除。
6.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，在步骤b中，每一条支路上都接入一个高精度电表的作用在于将相对自放电率相近的电芯分选成组；
在高精度分选方案中接入自放电率已知的电芯，根据高精度电流表实时采集到的规定时间内电流变化量，对比自放电率为已知的电芯所在支路的电流变化量，将自放电率为1％、2％、3％、4％、5％左右的电芯区分开来并分别分选成组。
7.根据权利要求1所述的分选锂电芯的方法，其特征在于，所述带有自放电率的等效电路模型是指建立的用于计算各电芯自放电率的模型，由于在电池筛选过程中不存在动态工况，所以建模采用的是Rint模型；在计算中将存在自放电率的电芯认为是在Rint模型中并联一个自放电内阻，将流经这个自放电内阻的电流认为是自放电电流，从而计算每块电芯的自放电率。
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