CN113671397A - 一种锂离子电池的一致性配组方法 - Google Patents

一种锂离子电池的一致性配组方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池的一致性配组方法，属于锂离子电池分选技术领域，通过将额定容量、额定内阻各分多个档位配组实现第一次筛分；通过荷电保持能力和容量恢复能力测试进行第二次筛分；通过不同SOC下工作电压压差实现第三次筛分，保证了锂离子电池配组时的一致性，准确性高。三次筛分过程中，第二次筛分进行测试的时间相对第一次筛分和第二次筛分的用时较长，但总体筛分效率较高。且第二次筛分过程考虑了长期搁置时的可逆容量和不可逆容量对电池模组一致性的要求，可保证电池模组在长期搁置后依旧有较好的容量性能发挥。本发明基于电池的基本特性进行的筛分，这些特性在电池使用过程中最可能引起模组异常，因此具有普适性和工业化应用前景。

Description

一种锂离子电池的一致性配组方法
技术领域
本发明属于锂离子电池分选技术领域，具体涉及一种锂离子电池的一致性配组方法。
背景技术
现有技术中，锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长和自放电率低等优点，在储能和电动汽车等领域得到了广泛应用。目前，锂电池技术发展一直以控制成本、提高锂电池的能量密度和功率密度、增强使用安全性、延长使用寿命和提高成组一致性等为主轴。其中，在成组一致性方面，单体电池的不一致性是影响电池组性能的重要因素，当成组后的单体电池之间存在明显的不一致性时，将导致电池组的可用容量降低，使电池组的循环寿命降低。
为增加电池组循环使用次数，需选用较长使用寿命的单体电池组合成电池组，但为提升电池组整体性能，获得更长使用寿命和更高的安全性能，还应重视单体电池的一致性配组。目前，行业内存在的电池分选配组方法多样，主要包括静态分选配组方法和动态分选配组方法，其中，静态分选配组方法是基于开路电压、内阻、容量或自放电等参数进行分选配组，准确性不高；动态分选配组方法一般为基于充放电电流、电压曲线的分选配组法，但该方法对设备的要求较高，需要专门的锂离子电池充放电设备，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池的一致性配组方法，用于解决现有配组方法准确性低和成本高的问题。
基于上述目的，一种锂离子电池的一致性配组方法的技术方案如下：
进行单体电池的第一次筛分：测量各单体电池的内阻和容量，根据设定的内阻分档标准，对各单体电池进行内阻分组，根据设定的容量分档标准，对每一分组内的各单体电池进行分档；
进行单体电池的第二次筛分：对分为同一档位内的各单体电池，进行荷电保持能力测试和容量恢复能力测试，剔除所述档位内荷电保持能力测试和容量恢复能力测试不合格的单体电池；
进行单体电池的第三次筛分：在进行所述容量恢复能力测试过程中，获取在第一放电容量下各单体电池的工作电压，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第一压差，剔除第一压差不满足第一设定压差范围的单体电池；
获取在第二放电容量下各单体电池的工作电压，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第二压差，剔除第二压差不满足第二设定压差范围的单体电池，所述第二放电容量小于第一放电容量。
上述技术方案的有益效果是：
本发明的一致性配组方法，通过将额定容量、额定内阻各分多个档位配组实现第一次筛分；通过荷电保持能力和容量恢复能力测试进行第二次筛分；通过不同SOC下工作电压压差实现第三次筛分，保证了锂离子电池配组时的一致性，准确性高。在三次筛分过程中，第一次筛分需要对单体电池进行容量和内阻测量，通过额定容量和额定内阻进行筛分，初次筛分耗费的时间短、效率高；第三次筛分是第二次筛分过程中的放电容量数据进行的，不需要额外测试，筛分时间短、效率高，相较而言，第二次筛分时进行测试的时间相对第一次筛分和第二次筛分的用时较长，但总体的筛分效率较高。并且，本发明进行的第二次筛分过程充分考虑到了长期搁置时的可逆容量和不可逆容量对电池模组一致性的要求，可以保证电池模组在长期搁置后依旧有较好的容量性能发挥。
进一步的，所述根据设定的内阻分档标准，对各单体电池进行内阻分档包括：
以单体电池额定内阻的10％为内阻分档标准，且单体电池的内阻不高于额定内阻的90％，也不低于额定内阻的60％，将内阻分为三档：80～90％，70～80％，60～70％；
或者，以单体电池额定内阻的10％为内阻分档标准，且单体电池的内阻不高于额定内阻，也不低于额定内阻的70％，将内阻分为三档：90～100％，80～90％，70～80％。
进一步的，所述根据设定的容量分档标准，对每一分档内的各单体电池，进行进一步分档包括：
以单体电池额定容量的2.5％为容量分档标准，且单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的110％；将容量分为四档：100～102.5％，102.5～105％，105～107.5％，107.5～110％；
或者，以单体电池额定容量的2％为容量分档标准，且单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的106％；将容量分为三档：100～102％，102～104％，104～106％。
进一步的，在第二次筛分过程中，所述荷电保持能力测试不合格的单体电池为荷电保持能力低于第一设定值的单体电池。
进一步的，所述荷电保持能力的计算式如下：
Figure BDA0002494193690000021
式中，Q％为荷电保持能力，Qo为单体电池搁置设定时间并放电后的电量，Qn为单体电池的额定电量。
进一步的，在第二次筛分过程中，所述容量恢复能力测试不合格的单体电池为容量恢复能力低于第二设定值的单体电池。
进一步的，所述容量恢复能力的计算式如下：
Figure BDA0002494193690000031
式中，C％为容量恢复能力，Co为恢复容量，Cn为额定容量。
进一步的，所述第一设定压差范围为0～5mV，所述第二设定压差范围为0～20mV。
附图说明
图1是本发明实施例1的锂离子电池的一致性配组方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施例1：
本实施例以8Ah磷酸铁锂电池为例，来阐述锂离子电池的一致性配组方法，如图1所示，具体配组步骤如下：
(一)通过将额定容量、额定内阻分档配组进行单体电池的第一次筛分：
将单体电池以额定内阻的10％为内阻分档标准，单体电池的内阻不高于额定内阻，也不低于额定内阻的60％，将内阻分为三档：80～90％，70～80％，60～70％。
对每一内阻分档内的各单体电池，进一步进行容量分档，将单体电池以额定容量的2.5％为容量分档标准，单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的110％；将容量分为四档：100～102.5％，102.5～105％，105～107.5％，107.5～110％。按照上述内容，进行第一次筛分的具体分档标准见表1所示。
表1
Figure BDA0002494193690000032
上表中，容量Q表示单体电池的额定容量，单位为mAh；电压U表示单体电池的开路电压，单位为V；内阻R表示单体电池的额定内阻，单位为mΩ；档位Ai-j，i表示内阻分档，i＝1,2,3；j表示容量分档，j＝1,2,3,4。
考虑到了电池在长期使用或长期搁置后的模组压差问题，在本步骤的筛分中，还根据单体电池的开路电压进行了筛分，目的是为了有效缓解压差过大对电池模组寿命的影响。
(二)通过测试电池的荷电保持能力和容量恢复能力，对每一档位Ai-j内进行单体电池的第二次筛分：
对分为同一档位内的各单体电池，以0.5C恒流放电至2.5V后搁置30min，以0.5C恒流充电至3.65V后，转恒压充电，当充电电流下降至0.05C时停止充电；在20±5℃环境下，搁置28天；然后以0.5C放电至2.5V，测试其荷电保持能力，要求荷电保持能力不低于96％，因此，将测试荷电保持能力低于96％的单体电池从当前配组中剔除。
本步骤中，荷电保持能力是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力，其计算公式为：
Figure BDA0002494193690000041
式中，Q％为荷电保持能力，Qo为电池搁置28天后以0.5C放电至2.5V的电量，Qn为电池的额定电量。
测试完荷电保持能力后，对当前配组中剩余的单体电池进行三次充放电，每次充放电的过程为：
以0.5C恒流充电至3.65V后，转恒压充电，当充电电流下降至0.05C时停止充电；搁置30min后，以0.5C恒流放电至2.5V。
按照上述过程循环三次后，记录第三次(即最后一次)的放电容量数据，并以最后一次放电容量(即恢复容量)作为评价容量恢复能力的评测标准，要求是其容量恢复能力(恢复容量与额定容量的比值)不低于98％，将测试容量恢复能力低于98％的单体电池从当前配组中剔除。
本步骤中，其容量恢复能力的计算式如下：
Figure BDA0002494193690000042
式中，C％为容量恢复能力，Co为恢复容量，即最后一次放电容量，Cn为额定容量。
(三)通过不同SOC下的工作电压进行压差计算，对每一档位Ai-j内进行单体电池的第三次筛分：
在上述第三次放电过程中，以放电容量为50％SOC和95％SOC时的工作电压为计算点，计算其各自压差，即计算当前配组中各单体电池为放电容量4Ah时的工作电压，得到若干个单体电池的工作电压，例如为1.667、1.664、1.665、1.665、1.666、1.661、1.662、1.662、1.663、1.661、1.665，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第一压差ΔV1，计算式如下：
ΔV1＝Vh1-Vl1
式中，Vh1为放电容量为50％SOC时的单体电池的最高电压，Vl1为放电容量为50％SOC时的单体电池的最低电压，按照上述给出的工作电压，确定Vh1＝1.667，Vl1＝1.661，因此ΔV1＝0.006V＝6mV。
同理，计算当前配组中各单体电池放电容量为7.7Ah时的工作电压，得到若干个单体电池的工作电压，例如为0.182、0.168、0.178、0.175、0.169、0.173、0.164、0.171、0.170、0.155、0.173，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第二压差ΔV2，计算式如下：
ΔV2＝Vh2-Vl2
式中，Vh2为放电容量为50％SOC时的单体电池的最高电压，Vl2为放电容量为50％SOC时的单体电池的最低电压，按照上述给出的工作电压，确定Vh2＝0.182，Vl2＝0.155，因此ΔV2＝0.027V＝27mV。
本步骤中，第三次筛分标准为在电池配组时，要求该电池组内单体电池在50％SOC时工作电压的第一压差ΔV1不高于5mV，在95％SOC时工作电压第二压差ΔV2不高于20mV，数学表达式如下：
Figure BDA0002494193690000051
式中，ΔV1为放电容量4Ah时的单体电池的最高工作电压和最低工作电压间的压差，ΔV2为放电容量为7.7Ah时的单体电池的最高工作电压和最低工作电压间的压差。
得到第一压差和第二压差后，将第一压差高于5mV的单体电池从当前配组中剔除，将第二压差高于20mV的单体电池从当前配组中剔除，因此根据计算得到的结果，ΔV1＝6mV，ΔV2＝27mV，不满足第三次筛分标准，将第一个单体电池和第十个单体电池剔除。
然后，在当前配组的剩余单体电池中，按照上述步骤再次计算第一压差和第二压差，并进行比较，直到第一差压和第二压差满足上述第三次筛分标准为止，即第一压差不高于20mV和第二压差不高于5mV。本实施例中，根据当前配组的剩余九个单体电池，再次计算第一压差ΔV1＝1.666-1.661＝5mV，第二压差ΔV2＝0.178-0.164＝14mV，满足第三次筛分标准，不再剔除单体电池。
本实施例中，第一压差和第二压差是分别以放电容量为50％SOC(第一放电容量)和95％SOC(第二放电容量)时计算得到的，作为其他实施方式，还可以采用其他数值，例如45％SOC(第一放电容量)和90％SOC(第二放电容量)，具体的放电容量数值本实施例不做限定，需要注意的是，在设定两个放电容量时，需保证两个放电容量差不能太小，本实施例优选为不小于30％SOC。
本实施例中，为了剔除掉荷电保持能力测试不合格的单体电池，设定了荷电保持能力的最低限值为96％，作为其他实施方式，该最低限值还可以采用其他百分值，例如为95％等。类似的，为了剔除掉容量恢复能力测试不合格的单体电池，设定了容量恢复能力的最低限值为98％，作为其他实施方式，该最低限值还可以采用其他百分值，例如为96％等。
本发明的一致性配组方法，通过将额定容量、额定内阻各分多个档位配组实现第一次筛分；通过荷电保持能力和容量恢复能力测试进行第二次筛分；通过不同SOC下工作电压压差实现第三次筛分，保证了锂离子电池配组时的一致性，准确性高。
整体来看，三次筛分过程中，第一次筛分需要对单体电池进行容量和内阻测量，通过额定容量和额定内阻进行筛分，初次筛分耗费的时间短、效率高；第三次筛分是第二次筛分过程中的放电容量数据进行的，不需要额外测试，筛分时间短、效率高，相较而言，第二次筛分时进行测试的时间相对第一次筛分和第二次筛分的用时较长，但总体的筛分效率较高。并且，本发明进行的第二次筛分过程充分考虑到了长期搁置时的可逆容量和不可逆容量对电池模组一致性的要求，可以保证电池模组在长期搁置后依旧有较好的容量性能发挥。
本发明的一致性配组方法，是基于电池的基本特性进行多次筛分，由于这些特性在电池使用过程中往往是最可能引起模组异常，因此具有普适性和工业化应用前景。
实施例2：
本实施例的锂离子电池的一致性配组方法步骤如下：
(一)通过将额定容量、额定内阻分档配组进行单体电池的第一次筛分：
将单体电池以额定内阻的10％为内阻分档标准，单体电池的内阻不高于额定内阻，也不低于额定内阻的70％，将内阻分为三档：90～100％，80～90％，70～80％。
对每一内阻分档内的各单体电池进行容量分档，将单体电池以额定容量的2％为容量分档标准，单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的106％；将容量分为三档：100～102％，102～104％，104～106％。按照上述内容，进行第一次筛分的具体分档标准见表2所示。
表2
Figure BDA0002494193690000071
(二)通过测试电池的荷电保持能力和容量恢复能力，对每一档位Ai-j内进行单体电池的第二次筛分。
(三)通过不同SOC下的工作电压进行压差计算，对每一档位Ai-j内进行单体电池的第三次筛分。
本实施例的一致性配组方法的步骤(二)和步骤(三)的实现过程与实施例1中的步骤(二)和步骤(三)相同，不再赘述。与实施例1的步骤(一)不同，本实施例的步骤(一)中采用了不同的额定容量、额定内阻分档标准，以增加电池的配组效率。并且，本实施例的步骤(一)中不需要根据电池的开路电压进行初次筛分，通过步骤(三)的筛分，就能解决压差对电池模组寿命的影响。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，例如，实施例2中的容量分档可采用实施例1中的容量分档代替，实施例1中的内阻分档也可采用实施例2中的内阻分档代替，等等。因此，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行单体电池的第一次筛分：测量各单体电池的内阻和容量，根据设定的内阻分档标准，对各单体电池进行内阻分组，根据设定的容量分档标准，对每一分组内的各单体电池进行分档；
进行单体电池的第二次筛分：对分为同一档位内的各单体电池，进行荷电保持能力测试和容量恢复能力测试，剔除所述档位内荷电保持能力测试和容量恢复能力测试不合格的单体电池；
进行单体电池的第三次筛分：在进行所述容量恢复能力测试过程中，获取在第一放电容量下各单体电池的工作电压，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第一压差，剔除第一压差不满足第一设定压差范围的单体电池；
获取在第二放电容量下各单体电池的工作电压，比较其中最高工作电压和最低工作电压间的压差，得到第二压差，剔除第二压差不满足第二设定压差范围的单体电池，所述第二放电容量小于第一放电容量。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，所述根据设定的内阻分档标准，对各单体电池进行内阻分档包括：
以单体电池额定内阻的10％为内阻分档标准，且单体电池的内阻不高于额定内阻的90％，也不低于额定内阻的60％，将内阻分为三档：80～90％，70～80％，60～70％；
或者，以单体电池额定内阻的10％为内阻分档标准，且单体电池的内阻不高于额定内阻，也不低于额定内阻的70％，将内阻分为三档：90～100％，80～90％，70～80％。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，所述根据设定的容量分档标准，对每一分档内的各单体电池，进行进一步分档包括：
以单体电池额定容量的2.5％为容量分档标准，且单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的110％；将容量分为四档：100～102.5％，102.5～105％，105～107.5％，107.5～110％；
或者，以单体电池额定容量的2％为容量分档标准，且单体电池的容量不低于额定容量，也不高于额定容量的106％；将容量分为三档：100～102％，102～104％，104～106％。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，在第二次筛分过程中，所述荷电保持能力测试不合格的单体电池为荷电保持能力低于第一设定值的单体电池。
5.根据权利要求1或4所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，所述荷电保持能力的计算式如下：
Figure FDA0002494193680000021
式中，Q％为荷电保持能力，Qo为单体电池搁置设定时间并放电后的电量，Qn为单体电池的额定电量。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，在第二次筛分过程中，所述容量恢复能力测试不合格的单体电池为容量恢复能力低于第二设定值的单体电池。
7.根据权利要求1或6所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，所述容量恢复能力的计算式如下：
Figure FDA0002494193680000022
式中，C％为容量恢复能力，Co为恢复容量，Cn为额定容量。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池的一致性配组方法，其特征在于，所述第一设定压差范围为0～5mV，所述第二设定压差范围为0～20mV。
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