CN113125973A - 快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，采用恒流恒压充电方式对预装电池组内的各个单体电池进行单独充电，调整电池间的电压差异；将单体电池依次串联组装成电池组；对电池组整体进行恒流‑恒压充电，并监控恒压阶段各个单体电池的电压，记录电压的变化情况；计算每个单体电池从恒压阶段初始至充电截止的电压变化量△U i ，将△U i 中的最大值和最小值，满足Max（△U i ）‑Min（△U i ）≤△Umax则判定该单体电池符合所述预装电池组的配组要求。本发明可快速发现电池组中性能不一致的个别电池；保证实际使用时，电池组内部电池的电化学性能相对一致，延长电池组的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法。
背景技术
目前最常见的可充电电池是锂离子电池，由于其最高的能量密度、循环稳定性和能量效率而被广泛应用于手机、电脑等电子产品以及新能源汽车领域。而水系可充电金属离子电池相较于传统锂离子电池，具有以下优点：（1）它从根本上解决了易燃有机电解质的安全问题；（2） 避免了严格的制造条件和昂贵的电解质价格；（3）水电解质的离子导电率比有机电解质高2个数量级，即使使用体积庞大且可扩展的电极，也会产生较高的库伦效率和能量密度；（4）采用环境友好的水作为电解质。因此，水系电池在未来的大规模储能中具有广大的应用前景。
水系电池以水为电解液，即使存在短路等严重问题也不会发生燃烧等剧烈反应，但也因此通过表面现象难以判断电池是否存在问题，只能依赖电池实际测试的结果判断电池的好坏。如果问题电池的原因是微短路、接触电阻稍大等，测试数据与正常情况很接近，很难短时间内进行确认，但当问题电池进入电池组整体时，长时间使用，问题电池与其它电池的差异会不断拉大，影响电池组整体性能。
此外，实际使用时，通常电池会在进行一定串并联连接组成电池组后投入使用。需要保证电池组内电池的性能具有较高的一致性。若电池组内存在性能差异较大的电池，同样会因电池间性能差异导致组内电池电压差迅速拉开。极端情况下，会导致个别电池过充、过放，使电池组提前失效。
目前锂电池对电池一致性的相关检测方法有：
CN109143106A 是通过交流阻抗测试来快速检测电池一致性， 但其需要用到精密电化学设备，不适用于大规模生产，且水系钠离子电池相对于锂电池，其内阻范围较大，且易受温度影响，与容量的关联性不大，因此无法使用类似方式。
CN102861726B 使用不同倍率下恒压充电，然后常温搁置，测量开路电压，此类方法耗时较长，水系电池体积较大，长期测试会占用大量空间，且易受温度影响，保证恒温环境成本会更大。
CN 101764259 B通过充电后不同时间内的电压降作为初步分选后，将分选出的电池调整电压并串联放电，以截止时电池间的电压差作为衡量一致性的方法，但适用于锂电池等精度高的电池，对于能量效率较低的水系电池，本身电池间的差异较锂电池大，难以通过同类型方法进行确认。且该方法耗时较长，同样存在上文所述的空间使用问题。
目前水系钠离子电池一致性检测方法是通过化成阶段得到的内阻、容量等数据作为依据，通过将数据相似的电池归为同组，此种方式虽耗时较短，但存在一定的极限性，如化成阶段环境温度若出现小幅波动，造成的偏差更会掩盖原来的数据差异。故难以保证串联使用时电池的一致性能得到确切的保证。
因此，需要找出一种快速且适用的检测手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，采用恒流充电，恒压保持的方法进行检测，具体包括以下步骤：
S1：将化成结束的单体电池，0.1C（C表示额定容量）电流下循环1圈，初步分选容量差异在1Ah以内的电池可作为同组预装电池组的选用电池。采用恒流-恒压充电方式对预装电池组内的各个单体电池进行单独充电，调整配组中单体电池的电压，要求在充电结束1小时时，所有单体电池间的最大电压差小于3mv；
S2：将步骤S1中电压调整完成后的单体电池依次串联组装成电池组；
S3：对步骤S2中的电池组整体进行恒流-恒压充电，并监控恒压阶段各个单体电池的电压，记录电压的变化情况；
S4：根据步骤S3中监控的各个单体电池的电压变化情况，计算每个单体电池从恒压充电初始至截止的电压变化量△U i ，其中电压变化量△U i =U i截止-U i初始， 式中，U i截止为恒压阶段的截止电压，U i初始为恒压阶段的初始电压，△U i 的符号有正，有负，当符号为正时，表示单体电池电压升高，当符号为负时，表示单体电池电压降低；将△U i 中的最大值Max（△U i ）和最小值Min（△U i ）相减，满足Max（△U i ） -Min（△U i ）≤△Umax则判定配组的单体电池符合所述预装电池组的配组要求，能够被选入所述预装电池组内，反之，将Max（△U i ）或Min（△U i ）对应的单体电池挑出，更换其他的单体电池，再继续进行比较，直到配组的n个单体电池均满足要求；其中，i=1,2,3……n，n表示电池组内单体电池的总数，△Umax为预设的配组单体电池之间电压衰减幅度最大差值，取值范围为3~5mv。本发明中是控制同一电池组内的单体电池的相对差异来提高配组后的电池组的使用寿命的，不仅仅考虑单体电池自身的衰减幅度。
具体的，步骤S1中恒流-恒压充电具体为：
恒流充电阶段，在0.2C电流下进行恒流充电，直到电池电压达到V1；恒压保持阶段，在电压V1下保持充电，直到恒压阶段电流降至0.01C。
前述V1的大小取决于步骤S1阶段单体电池充电的整体容量控制在额定容量C的70%-90%。对本发明所述某公司生产的水系钠离子电池，V1取6.5V-7V，步骤S1阶段恒流-恒压充电总容量为完全充电电池容量的80%~90%。
具体的，步骤S3中恒流-恒压充电方式具体为：
恒流充电阶段，在0.2C电流下进行恒流充电，直到电池组电压达到V2（V2=V1*n）；恒压保持阶段，在电压V2下保持充电状态，持续一定时间T。作为优选，T一般为1~2天，即可较明显观察到是否存在异常电池。
前述n的取值，可参考实际运用端电池系统内的串并联方式，以最基层串联电池数量作为n的取值。
进一步，步骤S1中的单体电池为经过化成后的电池。
作为优选，所述预设的配组单体电池之间电压变动幅度最大差值△Umax取值范围为3~5mv。
上述方法利用了电池间电能转化效率的差异性。电池充电时充入的电能不可能完全转化，存在一定的损失，其与电池电芯内部材料差异性以及电池是否存在微短路等异常有关。因电池组内电池初始电位、串联充电的容量均一致，电压的变化基本完全取决与电池的充放电能量转化能力。转换效率相近的电池，其在恒压阶段电压是一致的，入组整体使用时，可以更长时间地保持电池状态一致，而电压存在差异的单体电池，当入组使用是，尤其是串联使用时，因其短板效应，会极大影响整个电池组的性能。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，可快速发现电池组中性能不一致的个别电池；保证实际使用时，电池组内部电池的衰减速度相对一致，延长电池组的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的测试系统示意图。
图2为恒流-恒压充电曲线示意图。
图3为恒流-恒压测试过程中存在异常电池的电池组内的电池电压曲线。
图4为恒流-恒压测试过程中正常电池组内电池电压曲线。
图5为存在异常电压电池电池组与正常电池组的循环容量衰减对比曲线。
图中：1、充电电源，2、单体电池，3、电压监控单元。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，充电电源1对单体电池2串联后形成的电池组进行充电，并且采用电压监控单元3连接至每个单体电池2，监控单体电池2在不同阶段的电压情况。电压监控单元3可以采用多路电压采集设备来实现。
本实施例中以某公司生产的水系钠离子电池为例进行说明，额定容量60Ah，取两组单体电池2，每组8个，组成两个电池组进行测试。
实施例1：第一组单体电池2在0.1C（6A）电流下循环1圈，放电数据如表1所示，电池间容量差异为0.08Ah，满足初步分选要求。
表1 第一组单体电池2在0.1C充放数据
| 单体电池编号 | 内阻/mΩ | 实际容量/Ah |
| B1 | 33.25 | 64.622 |
| B2 | 33.5 | 64.623 |
| B3 | 33.5 | 64.647 |
| B4 | 33.75 | 64.682 |
| B5 | 32.5 | 64.702 |
| B6 | 33.25 | 64.673 |
| B7 | 33 | 64.652 |
| B8 | 33.5 | 64.625 |
对8个单体电池2先用0.2C（12A）恒流充电至6.875V，然后在电压为6.875V下进行恒压充电，直至充电电流至0.6A，过程整体容量为51Ah，为额定容量的85%，充电结束1小时时，电池间的电压差为3mv，满足串联要求。
表2 第一组S1、S3阶段单体电池2电压
| 单体电池编号 | S1结束1h电压/v | S3串联恒压充电阶段初始电压/v | S3串联恒压充电阶段截止时电压/v | △U<sub><i>i</i></sub>/mv |
| B1 | 6.824 | 6.875 | 6.876 | 1 |
| B2 | 6.823 | 6.875 | 6.876 | 1 |
| B3 | 6.824 | 6.875 | 6.876 | 1 |
| B4 | 6.825 | 6.876 | 6.878 | 2 |
| B5 | 6.826 | 6.876 | 6.876 | 0 |
| B6 | 6.826 | 6.876 | 6.876 | 0 |
| B7 | 6.825 | 6.875 | 6.876 | 1 |
| B8 | 6.824 | 6.872 | 6.867 | -5 |
将所有单体电池2串联后形成电池组，用12A恒流充电至55.0 V（6.875v*8），然后在电压为55.0 V下恒压维持2天后，电池组内各个单体电池2分电压如表2、图3所示，压降最大的B8降低了5mv，压降最小的B4上升了2mV，△Umax为7mv，超过了上限，认定该电池不符合配组要求。
实施例2：第二组同型号单体电池2，0.1C充放数据如表3所示，最大容量差异0.488Ah，满足初步分选要求。
表3 第二组单体电池2在0.1C充放数据
| 单体电池编号 | 内阻/mΩ | 实际容量/Ah |
| C1 | 33.5 | 64.531 |
| C2 | 33.55 | 64.643 |
| C3 | 33.25 | 64.638 |
| C4 | 33.55 | 64.838 |
| C5 | 33.15 | 64.946 |
| C6 | 33.25 | 64.701 |
| C7 | 33.15 | 64.637 |
| C8 | 33 | 64.458 |
对8个单体电池2先用0.2C（12A）恒流充电至6.875V，然后在电压为6.875V下进行恒压充电，直至充电电流至0.6A，过程整体容量为51.3Ah，为额定容量的85.5%，结束1小时后，电池间的电压差为3mv，满足串联要求。
表4 第二组S1、S3阶段单体电池2电压
| 单体电池编号 | S1结束1h后电压/v | S3串联恒压充电阶段初始电压/v | S3串联恒压充电阶段截止时电压/v | △U<sub><i>i</i></sub>/mv |
| B1 | 6.823 | 6.872 | 6.872 | 0 |
| B2 | 6.824 | 6.872 | 6.874 | 2 |
| B3 | 6.826 | 6.872 | 6.875 | 3 |
| B4 | 6.825 | 6.874 | 6.877 | 3 |
| B5 | 6.826 | 6.875 | 6.877 | 2 |
| B6 | 6.825 | 6.875 | 6.877 | 2 |
| B7 | 6.824 | 6.875 | 6.877 | 2 |
| B8 | 6.824 | 6.874 | 6.874 | 0 |
测试参数基本一致，测试情况如表4、图4，△Umax（即△U3-△U1）为3mv，处于要求范围内，认定合格。
将前述两组电池进行0.1C循环充放对比，如图5所示，图中虚线实施例1表示第一组的容量衰减曲线，实线实施例2表示第二组的容量衰减曲线，由于第一组中存在电压衰减一致性差的单体电池2，因此，第一组单体电池2组成的电池组容量衰减明显更快，使用寿命比第二组单体电池2组成的电池组要短。
由此也可以看出，如果只是根据0.1C初步分选容量差异来判定电池组性能一致性存在误判，而本发明的方法则可以提供更精确的判断。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将化成结束的单体电池，在0.1C电流下循环1圈，初步分选容量差异在1Ah以内的单体电池作为预装电池组的选用电池，其中，C表示额定容量；采用恒流-恒压充电方式对预装电池组内的各个单体电池进行单独充电，调整配组中单体电池的电压，要求在充电结束1小时时，所有单体电池间的最大电压差小于3mV；
S2：将步骤S1中电压调整完成后的单体电池依次串联组装成电池组；
S3：对步骤S2中的电池组整体进行恒流-恒压充电，并监控恒压阶段各个单体电池的电压，记录电压的变化情况；
S4：根据步骤S3中监控的各个单体电池的电压变化情况，计算每个单体电池从恒压充电初始至截止的电压变化量△U i ，将△U i 中的最大值Max（△U i ）和最小值Min（△U i ）相减，满足Max（△U i ） -Min（△U i ）≤△Umax则判定配组的单体电池符合所述预装电池组的配组要求，能够被选入所述预装电池组内，反之，将Max（△U i ）或Min（△U i ）对应的单体电池挑出，更换其他的单体电池，再继续进行比较，直到配组的n个单体电池均满足要求；其中，i=1,2,3……n，n表示电池组内单体电池的总数，△Umax为预设的配组单体电池之间电压衰减幅度最大差值。
2.如权利要求1所述的快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，其特征在于：步骤S1中恒流-恒压充电具体为：
恒流充电阶段，在0.2C电流下进行恒流充电，直到电池电压达到V1；恒压保持阶段，在电压V1下保持充电，直到恒压阶段电流降至0.01C，其中，V1的取值满足：步骤S1阶段单体电池充电的整体容量控制在额定容量C的70%-90%。
3.如权利要求2所述的快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，其特征在于：步骤S3中恒流-恒压充电方式具体为：
恒流充电阶段，在0.2C电流下进行恒流充电，直到电池组电压达到V2，其中V2=V1*n；恒压保持阶段，在电压V2下保持充电状态，持续一定时间T。
4.如权利要求3所述的快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，其特征在于：所述持续时间T为1-2天。
5.如权利要求1所述的快速判断水系钠离子电池组内电池性能一致性的检测方法，其特征在于：所述预设的配组单体电池之间电压变动幅度最大差值△Umax取值范围为3~5mv。
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