CN101814632A - 基于充放电特征的电芯优化配组技术 - Google Patents
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Abstract
一种锂动力电池电芯的优化配组技术，用来实现M并联N串联(如图1所示的连接方式)的电池电芯的快速配组。选择锂动力电池电芯的若干重要性能指标，如电压V、内阻R和电容C(容量)、充电和放电曲线等作为配组参数，根据电压V的一致性、内阻R*电容C的一致性以及放电曲线的一致性、充电曲线的一致性选出N个M并联组，再根据每个并联组的容量的一致性进行配组。如果某个并联组的一致性不符合要求，按照减一加一方法调整该并联组内的电芯。经过对电芯生产厂家提供的电芯实际数据的配组实验，验证了本发明技术的效率和性能都比人工配组有显著的提高。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种锂动力电池电芯的优化配组技术，属于新能源和电子技术领域。
背景技术
目前，动力锂电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，得到广泛的认可。自从商业化以来，锂离子电池已在手提电脑、摄像机、移动通讯设备、汽车以及电动汽车中得到普遍应用。
动力锂电池的性能和质量涉及到生产和使用环节的多项因素。仅就生产环节来看，主要影响因素有如下几点：(1)电芯本身的质量。(2)配组技术。(3)连接技术。(4)管理水平。单体动力锂电池不存在配组问题，目前已经基本具备推广应用条件。当需要动力锂电池输出功率较大时，现在解决的方法一般是把多个电芯适当的组合成组。但是现有的成组技术、成组应用技术和设备水平还不成熟。例如，动力电池成组后安全性和使用寿命显著下降，甚至频繁发生电池燃烧、***等严重事故。造成上述问题的主要原因是动力锂电池成组技术、成组应用技术和设备研究滞后。实现动力锂电池***集成，为用户提供动力锂电池***集成技术和产品，是解决当前面临的问题。
在动力电池配组过程中，单体电池或者电芯的性能一致性尤其重要。目前在生产过程中一般是通过对生产出来的单体电池或者电芯按其实际性能进行筛选、分组、装配，这样配组的效率较低，配组后的电池性能也不理想。对电池进行配组，配组参数控制标准决定了配组完成时电池组各单体电池状态一致性。动力锂电池发展需要生产工艺控制水平的提高，更需要科学的电池电芯筛选和配组方法。
锂动力电池的配组是生产过程中的一个重要环节，它是指由多个电芯通过适当的串联和并联组合而成锂动力电池的过程。目前，锂动力电池的配组方法主要是根据每个电芯的静态技术参数来配组。例如电压、容量、内阻等多个技术参数。理想的锂动力电池电芯的主要技术参数具有高度一致性，而实际情况是，即使同一厂家生产的同一批次的同类型号的电芯，经实测后也会发现各个电芯的技术参数会存在一定的差异。研究表明，随电池充电-放电循环次数的增加，电池容量下降，电池的内阻增加，电池内部性能劣化直至最终彻底失效的过程是一个逐渐累积的过程，电池组中的不一致性会加速电池组进入不安全状态。
在为锂动力电池配组时，一般有成千上万个电芯可供选择。配组的目的是从众多电芯中选择出若干个电芯组合成一个锂动力电池，并且满足有关的标准和要求。在批量生产过程中，人工配组不仅生产效率低，而且配组后的电池性能也不能达到最佳。锂动力电池生产厂家希望采用科学的配组技术，利用现有的电芯生产出尽可能多的符合标准的电池，以实现利润最大化。要达到这样的目标，就需要在配组时综合考虑电芯的特征、产品的标准、利润等多项因素。事实上，锂动力电池的配组问题是一个多目标、多因素的组合优化问题，也是一个NP难题。当问题规模较大时(即可供选择的电芯数目)，人工配组是不现实的，必须借助于计算机才能实现，其难点是配组方法的设计。如果设计的配组方法不适合，即使采用目前最先进的计算机也难以解决电池配组问题。例如，对于任意给定的一批电池电芯，理论上可以采用穷举法找出最佳配组方案，而且这样的穷举法可以用计算机程序实现。但是，穷举法的计算复杂性是指数级的，当问题规模较大时其计算量是非常大的，目前最先进的计算机也难以在短时间内完成，这样就不能对锂动力电池的生产活动有任何实质性帮助。本发明设计了一种近似方法，可以提供一种锂动力电池电芯的优化配组技术，该技术可以在计算机上用程序实现，需要的计算时间较短，从而可以提高配组的生产效率，提高配组后的电池性能。经过对锂动力电池生产厂家提供的电芯实际数据的配组实验，验证了本发明技术的效率和性能都比人工配组有显著的提高。
发明内容
本发明涉及一种锂动力电池电芯M并联N串联的优化配组技术，也称为M并N串配组技术。M并联是指将M个电芯按照并联的方式连接起来，这样连接起来的M个电芯称为一个M并联组，也称为一个并联组。再将N个并联组按照串联的方式连接起来，称为N串联。M并N串的连接方式如图1所示。本发明的主要实现方法如下：
1.电池电芯技术参数的选择与测定
锂动力电池电芯的技术参数很多，本发明根据配组的要求，选择了如下的主要技术参数：内阻R、电压V、电容C(容量)和充电、放电曲线。其中，内阻R、电压V、电容C称为静态参数或特征，充电、放电曲线称为动态参数或特征。对于每个电芯，通过测量得到其上述特征参数。根据内阻R和容量C可以计算出参数RC＝R*C。一般情况下，各个电芯的充电曲线在开始充电时差别较大，随着充电时间的增加而逐渐减小。各个电芯的放电曲线在开始放电时差别较小，随着放电时间的增加而逐渐增大。锂动力电池的充电曲线和放电曲线分别如图2和图3所示。测定锂动力电池电芯充电、放电特征参数的过程是记录不同时刻电池电芯的电压值变化情况。这是一组离散值，采用线性插值的方法得到在一定时间内任意时刻电压值的变化情况。本发明测定锂动力电池电芯在1C情况下的充电特征参数，开始阶段的采样时间间隔较小(0.01秒左右)，随着充电时间的增加采样间隔逐渐增大(0.1秒左右)。本发明测定锂动力电池电芯在1C和5C两种情况下的放电特征参数，开始阶段和结束阶段的采样时间间隔较小(0.01秒左右)，中间阶段的采样间隔较大(0.1秒左右)。对于各个电芯测定了其内阻R、电压V、电容C(容量)和充电、放电曲线特征参数后，得到类似于下表1所示的一组数据。
表1锂动力电池电芯特征参数表(样例)
| 电芯标号 | 电压V | RC＝内阻R*容量C | 充电曲线 | 1C放电曲线 | 5C放电曲线 |
| 1 | 3.333 | 7.603*2310 | 2.5，2.6，... | 3.60，3.51，... | 3.60，3.45，... |
| 2 | 3.322 | 8.282*2233 | 2.6，2.7，... | 3.61，3.52，... | 3.61，3.46，... |
| 3 | 3.316 | 7.538*2222 | 2.5，2.6，... | 3.60，3.54，... | 3.60，3.43，... |
| ... | |||||
| ... |
2.配组顺序和要求
对于M并联N串联的电池配组(如图1)，按照先并联后串联的顺序实施。首先从可供选择的电芯中选出M个电芯作为第一个并联组，然后再选出第二个并联组，直到选出第N个并联组。最后将这N个并联组进行串联，组成一个锂动力电池组。对于每一个并联组中的M个电芯，要求它们任意两个之间的电压差不大于0.03伏，而且它们的技术参数RC的一致性好或者符合规定范围，充电曲线和放电曲线一致性好或者符合规定范围。对于每一个并联组，计算其容量，即并联组内M个电芯的容量之和，称为并联组的容量。在选出了N个并联组并计算出了每个并联组的容量之后，对这N个并联组进行串联(如图1)。串联的要求是这N个并联组的容量一致性好或者符合规定范围。根据并联和串联电芯的数目以及实际需要，具体设定配组要求“一致性好或者符合规定范围”的指标，如最大误差不超过标定值的1％。因此，对于M并联N串联的电池配组总体要求是：每一个并联组中的M个电芯之间的差异越小越好(称为组内约束)，同时N个并联组之间的容量差异越小越好(称为组间约束)。实验和计算结果都表明，这两种约束是相互影响、相互制约的，配组的关键是如何同时满足这两项约束，并且在某种意义下得到的配组结果是最佳的。
对于一个有M个电芯的并联组，它的某个参数(如电压，RC等)的极差是指该并联组中任意两个电芯关于该参数的差的最大值。例如，一个M并联组G的参数RC的极差G_RC的计算公式如下：其中Ai表示并联组G中的第i个电芯，Ai(RC)表示并联组G中的第i个电芯的参数RC的值。其他参数的极差的计算公式类似。
3.配组方法
配组的方法是：首先将参与配组的所有电芯的主要技术参数(包括：内阻R、电压V、电容C(容量)和充电、放电曲线)按照上述表1的格式进行存储，得到电芯的主要技术参数表，也称为参数表；设定并联的数目M和串联的数目N；然后选出N个M并联组，再将这N个M并联组串联起来。
选出N个M并联组的方法有四个步骤，即：
(1)对于上述参数表根据参数RC列的数值从小到大进行排序。根据排序后的结果选出一个并联组的方法如下：在排序后的参数表中，计算连续M个电芯的参数RC的极差。如果参数RC的极差满足要求，选择这M个电芯作为一个并联组。否则，配组失败。如果得到了一个并联组，则将这个并联组的M个电芯从参数表中暂时删除，再从参数表中余下的数据中选择下一个并联组，直到用这种方法选出N个这样的并联组。
(2)计算每个并联组电压的极差。如果电压的极差不满足组内约束，调整该并联组内的电芯，调整的方法是减一加一法。将该并联组内的M个电芯按照电压值从小到大进行排序，分别计算排序后最前面两个电芯的电压差V1和最后两个电芯的电压差V2；如果V1≥V2，将最前面的一个电芯从该组中去除，否则，将最后一个电芯从该组中去除。再从不属于任何一个并联组的电芯中找一个加入该并联组，使得加入该电芯后该并联组电压的极差满足要求，而且该并联组参数RC的极差也满足要求。这样调整每个并联组，使得每个并联组都满足电压的极差要求和参数RC的极差要求。
(3)计算每个并联组中电芯放电曲线的平均模式，计算并联组中每个电芯放电曲线与该组平均模式的相似度；如果组内某个电芯的放电曲线与该组平均模式的相似度较小且不符合要求，将该电芯从该组中去除，再从不属于任何一个并联组的电芯中找一个加入该并联组，使得加入该电芯后该并联组电压的极差满足要求，该并联组参数RC的极差满足要求，且该并联组中每个电芯放电曲线与该组平均模式的相似度也满足要求。该步的计算分为1C和5C放电两种情况分别进行，计算方法相同。
(4)计算每个并联组中电芯充电曲线的平均模式，计算并联组中每个电芯充电曲线与该组平均模式的相似度；如果组内某个电芯的充电曲线与该组平均模式的相似度较小且不符合要求，将该电芯从该组中去除，再从不属于任何一个并联组的电芯中找一个加入该并联组，使得加入该电芯后该并联组电压的极差满足要求，该并联组参数RC的极差满足要求，该并联组中每个电芯放电曲线与该组放电曲线平均模式的相似度满足要求，且该并联组中每个电芯充电曲线与该组充电曲线平均模式的相似度也满足要求。
经过上述四个步骤，选出了N个M并联组。计算每个并联组的容量值，再计算N个并联组的容量值的极差。如果该极差不满足要求，则对这N个并联组的容量值从小到大进行排序，分别计算排序后最前面两个组的容量值的差C1和最后两个组的容量值的差C2；如果C1≥C2，则调整第一个并联组，否则调整最后一个并联组，使得该并联组的容量值满足要求。调整一个并联组的方法如上述步骤(1)～(4)所述。
最后，顺序输出每一个并联组中电芯的标号，打印出一个配组方案及其配组结果(主要包括该配组方案产生的各种误差数据)。生产厂家的技术人员对配组方案进行审核并决定是否按照该方案进行配组生产。
附图说明
图1是锂动力电池电芯M并联N串联连接方式。本专利技术针对该连接方式进行配组。
图2是锂动力电池充电曲线。其中，横轴为时间(小时)，纵轴(左)为电压(伏)，纵轴(右)为电流(安)。实线为充电过程中电池电压的变化曲线，虚线为充电过程中充电电流的变化曲线。开始充电时，一般采用恒流充电，当电池电压达到一预定数值时，充电电流急剧下降，改为恒压充电。
图3是锂动力电池在两种倍率情况下(0.2CmA和0.5CmA)的放电曲线。其中，横轴为时间(小时)，纵轴为电压(伏)。开始放电时(大约几秒种内)，电池的电压下降较快，而后电压变化平稳，当电压下降到某阈值时，继续放电电压将急剧下降。
具体实施方式
(1)电池生产厂家将参与配组的所有电芯的主要技术参数(包括：内阻R、电压V、电容C(容量)和充电、放电曲线)进行测试，并按照上述表1的格式进行存储。
(2)电池生产厂家设定配组中并联的数目M和串联的数目N。
(3)在计算机上启动并运行锂电池配组程序，大约1-3分钟内计算机输出配组方案。
(4)电池生产厂家技术人员对计算机输出的配组方案进行审核，决定是否配组、生产。
Claims (6)
1.本发明涉及一种锂动力电池电芯M并联N串联的优化配组技术，用来实现电池电芯的快速自动配组。选择锂动力电池电芯的若干重要性能指标，如电压V、内阻R和电容C(容量)、充电和放电曲线等作为配组参数，根据电压V的一致性、内阻R*电容C的一致性以及放电曲线的一致性、充电曲线的一致性选出N个M并联组，再根据每个并联组的容量的一致性进行配组。如果某个并联组的一致性不符合要求，按照减一加一方法调整该并联组内的电芯。
2.根据权利要求1，其技术特征是：选择锂动力电池电芯的电压V、内阻R和电容C(容量)、充电和放电曲线等作为配组参数。
3.根据权利要求1，其技术特征是：根据电压V的一致性、内阻R*电容C的一致性以及放电曲线的一致性、充电曲线的一致性选出N个M并联组，再根据每个并联组的容量的一致性进行配组。如果某个并联组的一致性不符合要求，按照减一加一方法调整该并联组内的电芯。
4.根据权利要求1，其技术特征是：对所有参与配组的电芯根据其RC参数的值(即内阻R乘以电容C)从小到大进行排序，在排序后的电芯参数表中计算M个连续电芯的RC参数的极差。
5.根据权利要求1，其技术特征是：根据一个并联组内每个电芯的充电曲线与该组平均模式的相似度的大小决定是否替换该电芯。如果相似度较小或不符合要求，将该电芯从该组中去除，再从不属于任何一个并联组的电芯中找一个加入该并联组，使得加入该电芯后该并联组电压的极差满足要求，该并联组参数RC的极差满足要求，且该并联组中每个电芯充电曲线与该组充电曲线平均模式的相似度也满足要求。
6.根据权利要求1，其技术特征是：根据一个并联组内每个电芯的放电曲线与该组平均模式的相似度的大小决定是否替换该电芯。如果相似度较小或不符合要求，将该电芯从该组中去除，再从不属于任何一个并联组的电芯中找一个加入该并联组，使得加入该电芯后该并联组电压的极差满足要求，该并联组参数RC的极差满足要求，且该并联组中每个电芯放电曲线与该组放电曲线平均模式的相似度也满足要求。
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