WO2013097273A1

WO2013097273A1 - 一种锂二次电池均衡配组方法及系统

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Publication number: WO2013097273A1
Application number: PCT/CN2012/001504
Authority: WO
Inventors: 唐胜成; 曾石华; 成定波; 曾小平
Original assignee: 广州丰江电池新技术股份有限公司
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-07-04
Also published as: DE112012001301T5; CN103178306A; US9577293B2; DE112012001301B4; US20140167685A1; CN103178306B

Abstract

本发明一种锂二次电池均衡配组方法及系统属于二次电池领域，锂二次电池的分档，以自耗电流Ic的大小分为一个以上的档，档数h，以电压差△V的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差，本发明方法所配置的电池系统，将自耗电流分档转化为搁置后电压差分档，方便快捷；电芯自耗电流极差、搁置时间、均衡充电周期、均衡电流、充电器截止电流全部在掌控之中，相互匹配，均衡成本较低，充电均衡时间较短；能够在配组时设计或预知电池组的搁置寿命和维护周期，预估电池组的超长时间搁置后需要多少次充放电能将电池组充平衡；降低电池组坏品率，提高电池组可靠性。

Description

一种锂二次电池均衡配组方法及系统技术领域

本发明一种锂二次电池均衡配组方法及系统属于二次电池领域，特别是涉及一种锂离子电池组、均衡保护板和充电器的配套方法及形成的电源系统。

背景技术

现在有很多关于电池均衡配组、均衡保护板、均衡充电器、均衡电源系统的专利和文献。申请号为 201 U0186716. 1的中国专利申请介绍了一种锂二次电池一致性筛选方法，采用多段恒流恒压充电到某一低荷电状态，搁置合适的时间，选择电压在某一范围的电芯，用于配组。不管怎么挑选，两个电池之间总是有差异的，一致性要求太高，可配组的合格率低；一致性要求太低，配出来的电池组的可靠性低，二者需要权衡选择。

现在电芯分档配组的控制指标有容量、电压、内阻等，对自耗电的控制，一般是将电芯荷电态 SOC (State of charge )设于满电态 SOC 100%或半电态 SOC50%、在室温或 45 0°C搁置设定时间，以电压大于等于设定的标准值为合格，或者电压分档，即测量电芯电压并分档。电压分档对自耗电水平有了一定的控制，但充或放电后，由于电芯的差异和测试柜点的差异，电芯电压本身就不同，电压分档不能准确对自耗电分档。

现有的自耗电测试分选系统，也有通过电压差分档实现的，即测量电压后搁置设定时间再测电压，前后电压之差，电压差分档比电压分档有了进步，但不同电压差档的电芯其自耗电或自耗电流是不同的，甚至差距很大，并不知道自耗电流和自耗电流极差的大小，不能设计和明确地控制电池组搁置寿命。标准的测试自耗电的方法是按照国家或行业标准，测试电池的荷电保持能力，电池或电池组标准充放 1周，测出标准容量 C₅，将电池或电池组标准充电后，在环境温度为 23°C ±2°C条件下，将电池或电池组开路搁置 28d后，以 0. 2C₅mA电流进行放电至终止电压，测出搁置后容量 C₅' ，荷电保持能力 =C₅' / C₅*100%。损失的部分为自耗电率 = (C₅- C₅' ) I C₅*100%。行业内搁置、储存、组装电池，多采用满电态或半电态操作。在 S0C5(T100%区间，某些类型的电池电压变化是很不明显的，比如满电态的 10Ah磷酸铁锂 -石墨电池，充饱后开路稳定电压为 3. 338V, 用 1A放电 lh，放掉了 lAh， SOC为 90%，开路稳定电压为 3. 334V; 用 1A再放电 lh，又放掉了 lAh， S0C为 80%，开路稳定电压为 3. 332V, 虽说现在的电压测量技术可以测准至 0. lmV甚至更高精度，但工厂的批量生产中，环境温度、空调风向、测量探头压力、接触位置等都会影响电压测量精度，或者测量显示值跳跃不定，人工难以确定，机器也只能随机确定，实际可以测准至 0. nmV。

电池组中各电芯的自耗电流总是有差异的，在储存、搁置、停放、使用过程中，由于自耗电流的差异，各电芯的一致性尤其是荷电态 S0C总在变化，拉大距离，长此以往，电池组就会失效。电池组需配置均衡保护板，在充电过程中使各电芯的荷电态 S0C趋于一致。如果均衡保护板均衡电流和电芯自耗电流极差不匹配，电芯自耗电流极差太大，充电过程中就不能在合理的充电时间内使各电芯的荷电态 S0C趋于一致。如果充电器和均衡保护板均衡能力不匹配，充电器的充电截止电流远大于均衡保护板均衡电流，均衡尚未开始或刚开始就停止充电，充电过程中也不能使各电芯的荷电态 S0C趋于一致。

现在主要的均衡方法有两种，一种为被动均衡的方法，只在充电时起作用，某一电芯到达均衡启动电压时，通过旁路电阻漏掉部分电流，降低高电压电芯的充电速度，等待电压低的电芯升高电压，均衡时会发热，均衡效率较低，主要优点是价格便宜，这是现在普遍采用的均衡方法。一种为主动均衡的方法，通过电感线圈从电压高的电芯抽取能量，输送给电压低的电芯，能量损耗小，几乎不发热，均衡效率高，这是很好的均衡方法，但是均衡成本太高，是被动均衡方法的 3 倍（相同工作电流的保护板对比）。

现在的锂二次电池均衡配组方法有不足之处，不能保证自耗电流极差在可控范围之内，不能将自耗电流极差跟均衡保护板均衡电流和充电器充电截止电流做关联设计，不能有效控制电池组搁置寿命。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术难题，而提供一种应用成本较低的一种锂二次电池均衡配组方法。

本发明的目的是针对现有的技术难题，而提供一种应用成本较低的一种锂二次电池均衡配组系统。

对带无均衡保护板的电池组研究了自耗电差异及搁置时间、容量差异、内阻差异、充电恒流比差异对电池组充放电性能的影响，发现自耗电差异及搁置时间是最主要的影响因素，容量差异的影响因素居其次，内阻差异和充电恒流比差异影响较小。电池组失效的大多数原因是电池组中某只电芯电压特别低甚至零压，测试同组电芯自耗电，该低压电芯自耗电较大。我们研究电池组搁置寿命与自耗电流极差的关系，得到表 1。

表 1、电池组搁置寿命与自耗电流极差

0. 102 15 0. 0002232C₅ 0. 160704C₅ 0. 482112C₅

0. 13 12 0. 0001785C₅ 0. 128520C₅ 0. 385560C₅

0. 17 9 0. 0001339C, 0. 096408C₅ 0. 289224C₅

0. 25 6 0. 0000892C₅ 0. 064224C₅ 0. 192672C₅

0. 5 3 0. 0000446C, 0. 032112C₅ 0. 096336C₅

1 1. 5 0. 0000223C₅ 0. 016056C₅ 0. 048168C₅

1. 5 1 0. 0000148C_S 0. 010656C₅ 0. 031968C₅

2 0. 75 0. 0000111C₅ 0. 007992C₅ 0. 023976C₅

3 0. 5 0. 0000074C₅ 0. 005328C, 0. 015984C₅

符号与定义

Tg-搁置寿命：电池组充饱后搁置，因自耗电极差使电芯荷电容量产生差异，直到容量差值大于 0. 2C₅的总搁置时间。计算方法是：

Tg =0. 2C₅/ ( Δ Ιο *24*365 ) 单位： y (年）反过来，要保证满电态搁置寿命，电池配组需要控制的自耗电流极差

Δ lc=0. 2C₅/ (Tg *24*365 ) 单位： mA

C₅_电芯额定容量，单位 mAh。以 5h率放电至终止电压时所应提供的电量。讲述具体电芯容量时 C₅指电芯按 5小时率放出的标准容量。

C₅ ' -在室温条件下，标准充电的单体电芯或电池组开路贮存 28天后保持的容量，单位 mAh。

P -自耗电率：在室温条件下，标准充电的单体电池或电池组开路贮存 28 天后损失的容量（C₅- C₅ ' ) 占其标准放电放出的容量 (：₅的比例，无单位。可简称自耗电。

= (C₅- C₅ ' ) / C₅*100%

P min-最小自耗电率：是同组电池中满电态自耗电率最小的电芯的满电态自耗电率，无单位。

P max-最大自耗电率：是同组电池中满电态自耗电率最大的电芯的满电态自耗电率，无单位。

Ic-自耗电流，单位 mA。电芯按室温满电搁置 28天测出的自耗电率，计算出自耗电流。是满电搁置测出的，有时也称满电态自耗电流。

Ic= C₅ * P / ( 24*28 )

Ics-设定的自耗电流标准，单位 mA。

W -自耗电流分档系数，无单位。

h_自耗电流分档的档数，单位档。

h ' -自耗电流分档中的任一档，单位档。 h ' = ( 0， h]自然数。

Icmax-是同组电池中自耗电流最大的电芯的自耗电流，单位 mA。讲述自耗电流分档和配组时，指自耗电流分档的上限。 Icmax= C₅ * P max/ ( 24*28)

Icmin-是同组电池中满自耗电流最小的电芯的自耗电流，单位 mA。讲述自耗电流分档和配组时，指自耗电流分档的下限。

Icmin= C₅ * P min/ (24*28)

△ Ic-自耗电流极差，单位 mA。同组电芯按室温满电 28天测出的自耗电，计算出自耗电流，最大值与最小值之差。讲述自耗电流分档和配组时，指自耗电流分档的上限与下限之差，同自耗电流档的电芯配组，所配某一特定电池组的自耗电流极差小于等于该档次电芯的自耗电流上限与下限之差。

Δ Ic= Icmax - Icmin

C-电芯容量，是分容时测量出的各电芯容量，单位 mAh。

Cs-设定的容量标准，单位 mAh。

X-容量分档系数，无单位。

i_容量分档的档数，单位档。

R -内阻，是电芯的内阻，单位 ηι Ω。

Rs-设定的内阻标准，单位 π) Ω。

Υ -内阻分档的系数，无单位。

j-内阻分档的档数，单位档。

Cc-恒流比：电芯按行业标准放电后，按行业标准恒流恒压充饱电，恒流充入的容量跟恒流恒压充入总容量的比值，无单位。

Ccs-设定的恒流比标准，无单位。

Z -恒流比分档的系数，无单位。

k-恒流比分档的档数，单位档。

Vc-定点充电电压，单位 mV。在放电曲线电压敏感区设定的充电电压值。 V0-定点电压充电后稳定电压，单位 mV。是定点电压充电后开路搁置，每小时测量记录 1次电压， 2次之间电压差小于 lmV，认为稳定电压。

Vt-定点电压充电后搁置设定时间 t后电压，单位 mV。

V7-定点电压充电后搁置设定时间 7天后电压，单位 mV。

A V-电压差，单位 mV。定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值。

△ V= V0- Vt

VI -通过 Ic- A V方程，对应 Ics的电压差标准，单位 mV。

V2, V3-通过 Ic- A V方程，对应 h ' WIcs的电压差档次，单位 mV。

lb-均衡保护板均衡电流，单位 mA。

Icut-充电器恒压充电截止电流，单位 mA。

Tb-均衡时间，单位 h。是电池组因自耗电流差异 Δ Ic使搁置时间后电芯之间产生 soc差异，需要通过均衡电流弥补 S0C差异的时间。是需要弥补搁置容量极差所需的总的均衡时间，可能需要多次均衡累计的总的均衡时间，不是一次充电的总时间。

Tb= A Ic* Tl/ lb

n-电池组串联单节电池的数量。

T1 -搁置时间，单位 h。包括运输、储存、待售、停放等时间。

S0C-荷电态。 0 SOC 1。

t_电芯搁置时间：是电芯定点电压充电后开路搁置的时间，单位 d。

Tm-维护周期：也称均衡充电周期，根据均衡电流和通常单次充电均衡时间为 0. 5h，所能弥补满电搁置容量极差，对应的搁置时间。均衡充电是使用配套的充电器充电至充电器截止或保护板截止，非人为提前截止。搁置时间超过均衡充电周期，需要多次均衡充电、放电才能弥补搁置容量极差。

Tm = lb *0. 5h / ( Δ Ιο *24h) 单位： d

Cm-电池组动态容量：电池组充饱电后随搁置时间延长其可用容量是变化的。

Cm = C₅ - Icmax *T1

电压敏感区：根据电芯放电特性，一般按 0. 2C₅放电特性，取放电电压变化大的电压区段，一般取 S0C范围在 0. 005以上， S0C变化 0. 001，电压变化大于 3mV以上、电压范围 30mV以上的电压区段。所有锂二次电池在放电末端都能找到这样的区段，某些体系如镍锰钴酸锂 -硬碳等在整个放电过程都能找到这样的区段。设定电芯在电压敏感区搁置，通过测量电压差，方便识别自耗电不同的电芯。选择不同的电压敏感区或充、放电到电压敏感区中不同的电压点，拟合出的 Ic- Δ ν方程会不相同。

满电态自耗电流一般大于低荷电态自耗电流，设计时控制满电态自耗电流在较小范围、同一档次水平，搁置时用户多数是充饱备用状态，满电态长期搁置能够保证电池组有合适的搁置寿命，那么在低荷电态下更能够保证电池组的搁置寿命。电芯自耗电流极差是可以选择控制的，均衡保护板均衡电流是可以设计和选择的，充电器充电截止电流也是可以设计和选择的。

本发明一种锂二次电池均衡配组方法是通过以下步骤实现的：

本发明锂二次电池以满电态自耗电流为控制基准，通过对应的函数关系，以电压差值为测量控制值，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组；

本发明锂二次电池的分档，以自耗电流 Ic的大小分为一个以上的档，档数 h，以电压差 Δ ν 的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

Ic-自耗电流，单位 mA，电芯按室温满电搁置 28天测出的自耗电率，计算出自耗电流； Δν-电压差，单位 mV，定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值， AV= V0- Vt_;

VO-定点电压充电后稳定电压，单位 mV，是定点电压充电后开路搁置，每小时测量记录 1次电压， 2次之间电压差小于 lmV，认为稳定电压；

Vt -定点电压充电后搁置设定时间 t后电压，单位 mV_;

本发明的自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, Ic Ics为合格，以 WIcs 为档距， W=0.05〜0.5，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs]， (2 WIcs, 3 WIcs]，… ((h-1) WIcs, h WIcs], hW=l, 档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

△Ic-自耗电流极差，单位 mA，同组电芯按室温满电 28天测出的自耗电，计算出自耗电流，最大值与最小值之差；

Ics-设定的自耗电流标准，单位 mA;

W -自耗电流分档系数，无单位；

h -自耗电流分档的档数，单位档；

Ic -自耗电流，单位 mA，电芯按室温满电搁置 28天测出的自耗电率，计算出自耗电流；

本发明的电压差分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区中一定点电压值 Vc，电芯在室温搁置时间 t，测试系列 Ic、 AV值，根据所分自耗电流极差 Δ Ic档次确定电压差档次，电芯室温搁置时间 t为广 28天；

本发明的电压差△ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=l〜28天，测量电压 Vt，搁置 t时间的电压差 AV_;

测量不同 AV的电芯其 AV跟满电态自耗电流 Ic的对应关系，拟合出 Ic - Δ V方程；

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² ^0.99, 拟合出 Ic-AV方程；

将电芯恒流恒压充电到 Vc，测量记录稳定电压 V0，搁置时间 t，测量记录电压 Vt，计算 AV;

AV= (0， VI]为自耗电合格

△ V= (V2， V3]为自耗电同档

VI用于控制电池组的最大自耗电，跟 Ics对应； V2、 V3用于控制电池组内电芯的最大自耗电极差，跟自耗电流分档 h' WIcs对应， h' = (0， h]自然数；不同 AV档次 V2、 V3不同，选择自耗电流同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

本发明设定电池容量档次，设定合格容量 Cs， C^Cs为合格； Cs C₅，以 XCs 为档距， X=0.01〜0.1，档次为 [Cs， (l+X)Cs), [ (1+X) Cs, (1+2X) Cs), [ (1+2X) Cs, (1+3X) Cs), ···[ (1+ (i-1) X) Cs, (1+iX) Cs); 档数 i与档距 XCs和容量分布的大小有关，一般 (1+iX) 1.5， iX^0.5, i^O.5/X;

本发明设定内阻档次，设定合格内阻 Rs， R Rs为合格；以 YRs为档距， Y=0.05^0.5, 档次为（0， YRs], (YRs, 2YRs] , (2YRs, 3YRs] , … ((j_l) YRs, jYRs]； jY =1，档数 j=l/Y;

本发明设定恒流比档次，设定合格恒流比 Ccs， Cc^Ccs 为合格，以 ZCcs 为档距， Z=0.0广 0.1，档次为， [Ccs， (1+Z) Ccs), [ (1+Z) Ccs, (1+2Z) Ccs), [ (1+2Z) Ccs, (1+3Z) Ccs), ···[ (1+ (k-1) Z) Ccs, (1+kZ) Ccs), (1+kZ) Ccs^l, k (1/ Ccs- 1) /l, 档数 k;

选择自耗电流和电压差合格且同档次、容量合格且同档次、内阻合格且同档次的、恒流比合格且同档次的电芯配组；

本发明的一种锂二次电池均衡配组系统，包括锂二次电池组、均衡保护板、充电器组成，锂二次电池以满电态自耗电流为控制基准，通过对应的函数关系，以电压差值为测量控制值，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组；

锂二次电池的分档，以自耗电流 Ic的大小分为一个以上的档，档数 h，以电压差 AV的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

Δν-电压差，单位 mV，定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值， AV= V0- Vt_;

Vt-定点电压充电后搁置设定时间 t后电压，单位 mV_;

自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, Ic Ics为合格，以 WIcs为档距， W=0.05〜0.5，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs], (2 WIcs, 3 WIcs]， … ((h_l) WIcs, h WIcs], hW=l，档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

Ale-自耗电流极差，单位 mA，同组电芯按室温满电 28天测出的自耗电，计算出自耗电流，最大值与最小值之差；

Ics-设定的自耗电流标准，单位 rnA; w-自耗电流分档系数，无单位；

h_自耗电流分档的档数，单位档；

Ic-自耗电流，单位 mA，电芯按室温满电搁置 28天测出的自耗电率，计算出自耗电流；

电压差 Δ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=l~28天，测量电压 Vt，搁置 t时间的电压差 AV_;

测量不同 AV的电芯其 AV跟满电态自耗电流 Ic的对应关系，拟合出 Ic-Δ V方程；

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² ^0.99, 拟合出 Ic- AV方程；

AV= (0， VI]为自耗电合格

△ V= (V2， V3]为自耗电同档

本发明的一种锂二次电池均衡配组系统，包括均衡保护板，均衡保护板的均衡电流是配组设计的自耗电流极差的 10(Γ1000倍， Ib=100AIc〜1000AIc_; 本发明的一种锂二次电池均衡配组系统,包括充电器，充电器充电截止电流应是均衡保护板均衡电流的广 10倍， Icut= lb〜10Ib。

电芯分档档次越多，管理越困难，越难找到自耗电流、电压差、容量、内阻、恒流比都同档的电芯，配组成功率低，可以进一步优化。

本发明的自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, Ic Ics为合格，以 WIcs 为档距， W=0.2〜0.3，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs], (2 WIcs, 3 WIcs], ··· ((h-1) WIcs, h WIcs], hW=l, 档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

Ics-设定的自耗电流标准，单位 mA_;

W -自耗电流分档系数，无单位； h-自耗电流分档的档数，单位档；

本发明的电压差 Δ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区中一定点电压值 Vc，电芯在室温搁置时间 t，测试系列 Ic、 AV值，根据所分自耗电流极差 Δ Ic档次确定电压差档次，电芯室温搁置时间 t=7天；

本发明的电压差△ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=7天，测量电压 Vt，搁置 t=7天的电压差 AV;

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² ^0.99, 拟合出 Ic-Δν方程；

△ V= (0， VI]为自耗电合格

AV= (V2， V3]为自耗电同档

本发明设定电池容量档次，设定合格容量 Cs， OCs为合格； Cs^C₅, 以 XCs 为档距， X=0.02〜0.05，档次为 [Cs， (l+X)Cs), [(l+X)Cs, (l+2X)Cs)， [(1+2X) Cs, (1+3X) Cs), ···[ (1+ (i-1) X) Cs, (1+iX) Cs); 档数 i与档距 XCs和容量分布的大小有关，一般（1+iX) 1.5， iX^0.5, i^O.5/X;

本发明设定内阻不分档，设定合格内阻 Rs， R Rs为合格；

本发明设定恒流比不分档，设定合格恒流比 Ccs， Cc^Ccs为合格；本发明的均衡保护板的均衡电流是配组设计的自耗电流极差的 20CT500倍； Ib=200AI_c〜500AIc;

本发明的充电器的充电截止电流是均衡保护板均衡电流的 2 倍； Icut=2Ib 〜5Ib。

本发明方法所配置的电池系统，将自耗电流分档转化为搁置后电压差分档，方便快捷；电芯自耗电流极差、搁置时间、均衡充电周期、均衡电流、充电器截止电流全部在掌控之中，相互匹配，均衡成本较低，充电均衡时间较短；能够在配组时设计或预知电池组的搁置寿命和维护周期，预估电池组的超长时间搁置后需要多少次充放电能将电池组充平衡；降低电池组坏品率，提高电池组可靠性。具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明一种锂二次电池均衡配组方法及系统是通过以下步骤实现的：

1.电池分档及电池配组：

1. 1 自耗电流和电压差分档：设定合格自耗电流 Ics, Ic Ics为合格。 Ics 0. 0002232C₅，相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；为保证产品符合行业标准，企业内部可以加严控制。以 WIcs为档距， W=0. 05〜0. 5，档次为（0， WIcs] , (WIcs, 2 WIcs] , (2 WIcs, 3 WIcs] , ··· ((h- 1 ) WIcs, h WIcs]。 hW=l，档数 h l/W，档数 h与档距 WIcs和自耗电流分布的大小有关，理论设定的某些档次不一定存在。

同档自耗电流极差

△ Ic= WIcs

可以根据电池组搁置寿命来确定，搁置寿命要求越长，自耗电流分档越细。自耗电流 Ic和自耗电流分档是通过电压差体现出来的。

选择放电曲线电压变化大的电压敏感区，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区中一定点电压值 Vc，电芯在室温搁置时间 t，测试系列 Ic、 A V值，拟合出 Ic- A V方程，设定合格电压差和电压差档次。电芯室温搁置时间 t 为广 28 天。根据所分自耗电流极差 A le档次确定电压差档次。

例：对于磷酸铁锂 -石墨电池，可选取电压敏感区^ 3. 2V、 S0C0〜35%，充电到该电压区间任一电压点，或放电到该电压区间任一电压点。对于钴酸锂 -石墨电池、锰酸锂 -石墨电池、镍钴锰酸锂-石墨电池，可选取电压敏感区 2. 5〜3. 7V、 SOC(T20%，充电到该电压区间任一电压点，或放电到该电压区间任一电压点。一般充电到电压敏感区高段，电压会回落；放电到电压敏感区低段，电压会回升。

具体做法是，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=l〜28天，测量电压 Vt，搁置 t时间的电压差 A V。

测量不同 A V的电芯其 A V跟满电态自耗电流 Ic的对应关系，拟合出 Ic- Δ V方程。

Ic= f ( A V)

可以使用 excel的趋势图进行拟合，拟合到相关系数 R² ^0. 99, R²越接近 1越好，采用多项式拟合时，一般选择的阶数越高，拟合出的相关系数 R²越接近于 1 ; 或使用其他数据处理技术拟合出 Ic- A V方程。根据所选电压敏感区、搁置时间 t、搁置环境温度不同，采用多项式拟合时选择的阶数不同，拟合出的公式都会发生变化，即使有一定的偏差，但能体现 Ic跟 A V的关系。

有了系列 Ic、 A V值，也可以拟合出 Δ ν-Ic方程，以计算不同 Ic对应的 Δ V值。电压实际测试精确到 ± lmV容易实现，要精确到 ±0. ImV较难实现，测试环境温度、探头接触力度、接触位置等微小变化都影响着测试数据。一般电池的 A V值（精确到 ± lmV) 是在有限范围之内，正常地全数列举，非常的极少数列入不合格品。

n 个电芯串联的电池组，自耗电流最大跟自耗电流最小的差异为自耗电流极差

Δ Ic=Icmax-Icmin

这样可以清 ¾知道充到定点电压 Vc再搁置 t时间后压降 Δ ν不同的电芯其自耗电率和自耗电流的大小，可以计算电池组搁置寿命，可以匹配均衡保护板的均衡电流和充电截止电流。

完成基础工作，方便对 V0、 Vt、 A V、 Ic、 A le数量关系的理解。之后实际工作很简单：将电芯恒流恒压充电到 Vc，测量记录稳定电压 V0，搁置时间 t，测量记录电压 Vt，计算 Δ ν。

A V= (0， VI]为自耗电合格

A V= (V2, V3]为自耗电同档

VI用于控制电池组的最大自耗电，跟 Ics对应； V2、 V3用于控制电池组内电芯的最大自耗电极差，跟自耗电流分档 h' WIcs对应， h ' = (0， h]自然数；不同 A V档次 V2、 V3不同。选择自耗电流同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差。本发明以满电态自耗电流为控制基准，通过对应的函数关系，以电压差值为测量控制值，保证所配电池组有合适的搁置寿命。

测试、拟合 Ic- A V方程是基础工作，一个型号体系只需做一次。生产时将自耗电流分档转化为搁置后电压差分档，方便快捷。利用电池的条码系统和 excel的计算功能，测试记录了 V0、 Vt，就能计算出 A V、 Ic和配组电芯间的△ Ic。

选择放电曲线电压变化大的电压敏感区，将电芯恒流恒压充电到选择的电压区段中一定点电压值 Vc，电芯在室温搁置时间 t，测试系列 Ic、 Δ ν值，拟合出 Ic- A V方程，设定合格电压差和电压差档次。电芯搁置时间 t为广 28天。根据所分自耗电流极差 A le档次确定电压差档次。电压差档次不一定是等差数列。

例如，某一 10000 mAh磷酸铁锂电池，见表 2，定点充电到 3. 15V，室温开路搁置 7天， A V在 Γ20πιν之间，计算出对应自耗电流为 0. 09〜1. 371mA之间，以自耗电流 Ic小于等于 1. 371mA为合格， Ics=l. 371mA，取 W=0. 333，以 W Ics =0.457 mA 为档距，分档为（0， 0.457], (0.457， 0.914], (0.914， 1.371]。通过自耗电流 Ic与电压差 AV的转换，实际操作是 AV 20mV为合格，以 AV分档为（0， 12], (12， 16]，（16， 20]。电压差档次不是等差数列。

1.2容量分档：设定合格容量 Cs， OCs为合格。 Cs^C₅，为保证产品符合行业标准，企业内部可以加严控制。设定容量档次，以 XCs为档距， Χ=0.0Γ0.1，档次为 [Cs，（l+X)Cs)， [(l+X)Cs， (l+2X)Cs), [(l+2X)Cs, (l+3X)Cs), ·'·[(1+ (i-l)X)Cs，（l+iX)Cs)。档数 i与档距 XCs和容量分布的大小有关，一般（1+iX) 1.5,

例如某电芯额定容量为 lOOOOmAh, 设定合格容量为 lOOOOmAh, Cs=10000raAh , 取 Χ=0.02，档距 XCs =200 raAh , 电芯合格容量分布在 10000〜10980mAh，则分档为 [10000， 10200)， [10200, 10400)， [10400， 10600)， [10600, 10800)， [10800〜11000)。

1.3 内阻分档：根据电芯自身设计确定合格内阻 Rs， R^Rs为合格。设定内阻档次，以 YRs为档距， Y=0.05〜0.5，档次为（0， YRs], (YRs, 2YRs]， (2YRs， 3YRs]， … ((j-1) YRs, jYRs]。 jY =1，档数 j=l/Y, 与档距 YRs和内阻分布的大小有关，理论设定的某些档次不一定存在。

例如某电芯合格内阻 Rs=10mQ， R Rs为合格，取 Y=0.2，档距 YRs=2mQ，电池内阻分布在 5~10πΩ，则分档为（4， 6], (6， 8], (8， 10]。不存在（0， 2]，（2， 4]档次。

1.4恒流比分档：根据电芯自身设计确定合格恒流比 Ccs， Cc^Ccs为合格。设定恒流比档次，以 ZCcs为档距， Z=0.0广 0.1，档次为， [Ccs，（l+Z)Ccs)， [(1+Z) Ccs, (1+2Z) Ccs), [ (1+2Z) Ccs, (1+3Z) Ccs), ■··[ (1+ (k- 1) Z) Ccs, (1+kZ) Ccs), (1+kZ) Ccs^l, (1/ Ccs-1) /Z。档数 k与档距 ZCcs和恒流比分布的大小有关，理论设定的某些档次不一定存在。

例如某电芯设定合格恒流比标准 Ccs=90%， Cc^Ccs为合格，取 Z=0.02，档距 Ccs=1.8%，电芯恒流比分布为 90〜97.1%，分档为 [90%， 91.8%)， [91.8%， 93.6%), [93.6%, 95.4%), [95.4%, 97.2%)。不存在 [97.2%， 99%) 档次。

选择自耗电流和电压差合格且同档次、容量合格且同档次、内阻合格且同档次的、恒流比合格且同档次的电芯配组。

2.均衡保护板配置：均衡保护板的均衡电流是配组设计的自耗电流极差的 10CT1000倍。

Ib=100AIc〜1000AIc

3.充电器配置:充电器充电截止电流应是均衡保护板均衡电流的广 10倍。

Icut= lb 〜皿 b

实施例 1 : 本公司所生产 11585135Fe 型磷酸铁锂锂离子电池，标称电压 3.2V, 额定容量 10Ah，根据客户要求，需要做成 12串的电池组，需要配套保护板和充电器。客户要求电池组搁置寿命 8个月以上，终端用户每天充电 1次至每 5天充电 1次，都能将电池充均衡，发挥最佳功能。

基础工作：对于 11585135Fe型磷酸铁锂锂离子电池体系，其 0.2C₅放电平台较平，在放电末端， S0C从 0.3到 0之间， S0C变化量 0.3，电压下降较快，从 3.20V降到 2.00V。我们选择 2.00〜3.20V的电压区段做测试，选择定点电压值 3.15V，将电芯恒流恒压充电到选择的电压区段某一定点电压值 Vc=3.15V，开路搁置 4h后电压稳定， lh变化率小于 lmV，测量记录电芯初始电压为 V0，搁置 7天，测量记录电压 V7，选择 AV=V0-V7=5， 6， 7， 8， 9， 10， 11， 12， 13， 14， 15， 16, 17， 18， 19， 20， 21， 22， 23, 24, 25mV的电芯:

1) 0.2C₅ 充放 1周，放电容量为 C_5;

2) 0.2C₅ CC/CV 3.6V 1/20C充饱;

3) 搁置 28天；

4) 0.2C₅ CC 2V (放电容量 C₅' ) ；

5)计算 C₅' /C₅即为各档 Δν电芯的荷电保持能力， Ic=(C₅-C₅' )/ (24*28) 即为满电态各档 Δ V电芯的自耗电流；

以 Ic对 AV做曲线拟合，得到 Ic-AV方程；

Ic =8*1(T⁶ A V⁴ -0.0006 Δ V³ + 0.0188AV² - 0.1546 AV + 0.4634 相关系数 R² = 0.9992

n 个电芯串联的电池组，自耗电流最大跟自耗电流最小的差异为自耗电流极差；

Δ Ic=Icmax-Icmin

这样可以清楚知道充到定点电压 3.15V再搁置 7天后压降不同的电芯其自耗电率和自耗电流的大小，可以计算搁置寿命，可以匹配均衡保护板和充电器；表 2、批次电芯 AV和对应的 Ic

AV (mV) Ic(mA) Ic 转化为 C₅(mA)

5 0.090 0.0000090 C₅

6 0.093 0.0000093 C₅

7 0.116 0.0000116 C₅

8 0.155 0.0000155 C₃

9 0.210 0.0000210 C₅

10 0.277 0.0000277 C₅

11 0.356 0.0000356 C₅

12 0.444 0.0000444 C₅

13 0.541 0.0000541 C₅

14 0.645 0.0000645 C₅ 15 0.754 0.0000754 C₅

16 0.869 0.0000869 C₅

17 0.989 0.0000989 C₅

18 1.112 0.0001112 C₅

19 1.240 0.0001240 C₅

20 1.371 0.0001371 C₅

根据基础工作的结果和实际 Δν分布情况，没有 AV 4mV的电芯， Δν=[5， 6]较少可用， AV 21mV的电芯只有 1%。舍去。本项目控制电池组的自耗电水平在 9.2%以下，取 A V 20mV 的电芯为合格电芯，自耗电流 Ic 分布在 0.09(Tl.371mA之间，按下列要求分档；

1. 电池分档及电池配组

(1) 自耗电流和电压差分档：自耗电流标准 Ics=1.371mA， Ic Ics为合格。根据客户提出的搁置寿命要求，需要控制同档自耗电流极差△ Ic小于 0.2C₅/

( 8*30*24 )=0.00003478 C₅mA=0.3478 C₅mA;设计取 W=0.25，档距 Wlcs=0.3428mA, 即设计的同档自耗电流极差 A lc=0.3428mA,自耗电流分档为（0， 0.343]， (0.343, 0.686] ，（0.686， 1.028] ，（1.028， 1.371]；

转化为电压差： AV 20mV为合格， AV分档为第一档（0， 10]，第二档（10， 14], 第三档（14， 17], 第四档（17， 20]；电芯集中在第一档到第三档的较多，第四档较少；

(2) 容量分档：额定容量 lOOOOmAh, 设定容量标准 Cs=10000mAh， C^Cs 为合格。取 X=0.05，档距 XCs=500 mAh; 实际容量分布在 10000〜10999 mAh，容量分档为第一档 [10000， 10500)，第二档 [10500， 11000)；

(3) 内阻不分档：设定内阻标准 Rs=5mQ， R Rs为合格；

(4) 恒流比不分档：设定恒流比标准 Ccs=90%， Cc^Ccs为合格；抽取样本数据如表 3;

表 3、配组电芯参数

A9 10249 4 93 3. 125 20 1. 371

A10 10218 4 92 3. 130 18 1. 112

Al l 10262 4 94 3. 129 19 1. 240

A12 10222 4 93 3. 128 18 1. 112

Δ ν合格同为第四档，容量合格同为第一档，内阻合格，恒流比合格，将电配组；

2.均衡保护板配置：电池组设计 Δ I_C=0. 3428mA_;

选择均衡电流为 Ib=90mA的均衡保护板， Ib/ A Ic =262倍；均衡充电周期约为 5天；

3.充电器配置：选配 43. 8V/2A充电器，额定充电电压 43. 8 ± 0. 2 V，额定充电电流 2 A, 红灯转绿灯充电截止电流 Icut=200mA， Icut/ lb =2. 2倍。

4.验证

电池组组装后 0. 5C充放 1周，放电容量 10208mAh，充饱，开路搁置至电压稳定，测量记录电压；搁置 5天后再测量记录电压。对电池组充电，测量记录均衡充电后稳定电压。再放电，放电容量 10200mAh。数据见表 4, 均衡充电后放出容量大于额定容量。

表 4、搁置前后电压和均衡充电后电压

实施的方法不限于上述例子，只要使用本发明的精髓进行锂二次电池均衡配组和所制成的电池系统，如刻意增加可有可无的充电或放电操作、或增加可有可无的温度处理等，都属于本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1、一种锂二次电池均衡配组方法，以自耗电流为控制基准，通过对应的函数关系，以电压差值为测量控制值，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组。

2、根据权利要求 1所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是：以自耗电流 Ic的大小分为一个以上的档，档数 h，以电压差 AV的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

AV-电压差，单位 mV，定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值， t=l〜28天， Δν= V0- Vt;

Vt-定点电压充电后搁置设定时间 t后电压，单位 mV。

3、根据权利要求 2所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是：自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, levies为合格，以 WIcs为档距， W=0.05〜0.5，档次为 (0, WIcs], (WIcs, 2 WIcs], (2 WIcs, 3 WIcs], … ((h- 1) WIcs, h WIcs], hW=l，档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

Ics-设定的自耗电流标准，单位 rnA;

W -自耗电流分档系数，无单位；

h -自耗电流分档的档数，单位档；

电压差 AV分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区中一定点电压值 Vc，电芯在室温搁置时间 t，测试系列 Ic、 AV值，根据所分自耗电流极差 Ale 档次确定电压差档次，电芯室温搁置时间 t为广 28天。

4、根据权利要求 2所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是：自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, Ic Ics为合格，以 WIcs为档距， W=0.05〜0.5，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs]，（2 WIcs, 3 WIcs] , … ((h_l) WIcs, h WIcs], hW=l, 档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AI_c= WIcs

Ics-设定的自耗电流标准，单位 rnA;

W-自耗电流分档系数，无单位；

h_自耗电流分档的档数，单位档；

电压差 Δ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=l〜28天，测量电压 Vt，搁置 t时间的电压差 AV;

测量不同 Δ V的电芯其 Δ V跟满电态自耗电流 I c的对应关系，拟合出 Ic-△ V方程；

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² ^0.99, 拟合出 Ic-AV方程；

将电芯恒流恒压充电到 Vc, 测量记录稳定电压 V0，搁置时间 t，测量记录电压 Vt，计算 AV;

△ V= (0， VI]为自耗电合格

△ V= (V2， V3]为自耗电同档

VI用于控制电池组的最大自耗电，跟 Ics对应； V2、 V3用于控制电池组内电芯的最大自耗电极差，跟自耗电流分档 h' WIcs对应， h' = (0， h]自然数；不同 AV档次 V2、 V3不同，选择自耗电流同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差。

5、根据权利要求 4所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是- 电池容量分档，设定合格容量 Cs， OCs为合格， Cs C₅，以 XCs为档距， X=0.01〜0.1，档次为 [Cs， (1+X) Cs)， [ (1+X) Cs， (1+2X) Cs)， [ (1+2X) Cs， (1+3X) Cs)， ···[ (1+ (i-1) X) Cs， (1+iX) Cs)，档数 i与档距 XCs和容量分布的大小有关，一般（1+iX) 1.5， iX 0.5， i 0.5/X。

6、根据权利要求 4所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是：电池内阻分档，设定合格内阻 Rs， R Rs为合格，以 YRs为档距， Y=0.05^0.5，档次为（0， YRs]， (YRs， 2YRs]， (2YRs, 3YRs]， … ((j- 1) YRs， jYRs]， jY=l，档数

7、根据权利要求 4所述的一种锂二次电池均衡配组方法，其特征是- 电池恒流比分档，设定合格恒流比 Ccs， Cc^Ccs为合格，以 ZCcs为档距， Ζ=0·01〜0.1，档次为， [Ccs， (1+Z) Ccs), [ (1+Z) Ccs, (l+2Z) Ccs)， [ (1+2Z) Ccs， (1+3Z) Ccs), ···[ (1+ (k-1) Z) Ccs, (1+kZ) Ccs), (1+kZ) Ccs^l, k (1/ Ccs- 1) /Z，档数 k。

8、一种锂二次电池均衡配组系统，包括锂二次电池组，均衡保护板，充电器组成，其特征是：锂二次电池以满电态自耗电流为控制基准，通过对应的函数关系，以电压差值为测量控制值，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组。

9、根据权利要求 8所述的一种锂二次电池均衡配组系统，其特征是：锂二次电池的分档，以自耗电流 Ic的大小分为一个以上的档，档数 h，以电压差 Δν的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

Δν-电压差，单位 mV，定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值， t=l〜28天， AV= V0- Vt;

V0-定点电压充电后稳定电压，单位 mV，是定点电压充电后开路搁置，每小时测量记录 1次电压， 2次之间电压差小于 lmV，认为稳定电压；

Vt-定点电压充电后搁置设定时间 t后电压，单位 mV;

自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics, levies为合格，以 WIcs为档距， W=0.05〜0.5，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs], (2 WIcs, 3 WIcs] , …（（h- 1) WIcs, h WIcs], hW=l, 档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

Ics-设定的自耗电流标准，单位 rnA;

w-自耗电流分档系数，无单位；

h-自耗电流分档的档数，单位档；

电压差 AV分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=l〜28天，测量电压 Vt，搁置 t时间的电压差 AV;

测量不同 AV的电芯其 ΔΥ跟满电态自耗电流 Ic的对应关系，拟合出 Ic - Δ v方程；

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² ^0.99, 拟合出 Ic-AV方程；

△ V=(0， VI]为自耗电合格

△ V= (V2, V3]为自耗电同档

VI用于控制电池组的最大自耗电，跟 Ics对应； V2、 V3用于控制电池组内电芯的最大自耗电极差，跟自耗电流分档 h' WIcs对应， h' = (0， h]自然数；不同 Δν档次 V2、 V3不同，选择自耗电流同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

均衡保护板的均衡电流是配组设计的自耗电流极差的 10(Γ1000倍， Ib=100 △ Ic〜1000AIc;

充电器充电截止电流应是均衡保护板均衡电流的广 10倍， Icut= lb〜10Ib。

10、根据权利要求 8所述的一种锂二次电池均衡配组系统，其特征是：锂二次电池的分档，以自耗电流 Ic的大小分为一个以上的档，档数 h，以电压差 AV的大小分为与自耗电流相对应的档，选择自耗电流和电压差同档的电芯配组，就能控制电池组自耗电流极差；

△ V-电压差，单位 mV，定点电压充电后稳定电压 V0与搁置设定时间 t后电压 Vt的差值， t=7天, Δν= V0- Vt;

Vt-定点电压充电后搁置设定时间 t=7天后电压，单位 mV_;

自耗电流分档，设定合格自耗电流 Ics， Ic Ics为合格，以 WIcs为档距， W=0.2〜0.3，档次为（0， WIcs], (WIcs, 2 WIcs]，（2 WIcs, 3 WIcs]， … ((h-l) WIcs, h WIcs], hW=l，档数 h l/W，档数 h; Ics^O.0002232C₅, 相当于自耗电率小于等于 15%的电芯为自耗电流合格；

同档自耗电流极差 AIc= WIcs

Ics-设定的自耗电流标准，单位 rnA;

W-自耗电流分档系数，无单位；

h -自耗电流分档的档数，单位档； Ic -自耗电流，单位 mA，电芯按室温满电搁置 28天测出的自耗电率，计算出自耗电流；

电压差 Δ V分档，将电芯恒流恒压充电到选择的电压敏感区某一定点电压值 Vc，开路搁置，每小时测量记录 1次电压值，直至 2次之间电压差异小于 lmV，作为电芯搁置初始电压 V0，在室温搁置适当时间 t， t=7天，测量电压 Vt，搁置 t= 天的电压差 AV;

Ic= f (AV)

拟合到相关系数 R² 0.99，拟合出 Ic-AV方程；

将电芯恒流恒压充电到 Vc，测量记录稳定电压 V0，搁置时间 t，测量记录电压 Vt，计算 Δν;

△ V= (0， VI]为自耗电合格

△ V= (V2, V3]为自耗电同档

电池容量分档：设定合格容量 Cs， OCs为合格， Cs C₅，以 XCs为档距， X=0.02〜0.05，档次为 [Cs， (1+X) Cs), [ (1+X) Cs, (1+2X) Cs), [ (1+2X) Cs, (1+3X) Cs), ···[ (1+ (i-1) X) Cs, (1+iX) Cs), 档数 i与档距 XCs和容量分布的大小有关，一般 (1+iX) 1.5， iX^O.5, i^O.5/X_;

电池内阻不分档：设定合格内阻 Rs， R Rs为合格；

电池恒流比不分档：设定合格恒流比 Ccs， Cc^Ccs为合格；

均衡保护板的均衡电流是配组设计的自耗电流极差的 20(Γ500 倍， Ib=200 △ Ic〜500AIc;

充电器的充电截止电流是均衡保护板均衡电流的 2 倍， Icut=2Ib Ib。