CN102231446A - 一种控制动力电池组一致性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制动力电池组一致性的方法，用于在动力电池组的制备过程和工作过程中对动力电池组进行一致性控制，动力电池组由参数一致的多个单体电芯串并联组成，单体电芯包括正极、负极和第三电极；方法包括：1）单体电芯匹配过程一致性控制；2）动力电池组充放电循环过程一致性控制：2-1）实时监控动力电池组中单体电芯在充放电循环过程中的第一参数、第二参数和第一类常规参数，第一参数为充放电循环过程中单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位；第二参数为充放电循环过程中单体电芯的负极相对于第三电极的电极电位；2-2）根据第一参数和第二参数对单体电芯进行一致性充放电管理。本发明能有效改善动力电池组工作过程中的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池组控制领域，特别是涉及一种控制动力电池组一致性的方法。
背景技术
现有的动力电池组由参数变化一致的多个单体电芯串并联组成，单体电芯为包括正极、负极的两电极体系的电池电芯。对于动力电池组，影响其安全性及使用寿命的最主要因素是其多个单体电芯之间的一致性。现有的一致性控制包括动力电池组制备过程中的一致性控制和动力电池组充放电循环工作过程中的一致性控制。
动力电池组制备过程中的一致性控制，即单体电芯匹配过程的一致性控制，是控制待组成动力电池组的单体电芯为参数变化一致的单体电芯，即通过测量单体电芯的开路电压、容量、带电量、内阻、充放电温度、自放电等参数，选择上述参数一致的单体电芯组成动力电池组，以保证动力电池组内各单体电芯在串并联组成动力电池组之前各参数均是一致的。而动力电池组充放电循环工作过程中的一致性控制是控制单体电芯在串并联组成动力电池组后在工作过程中充放电均衡一致，即通过电源管理***实时监控动力电池组中各单体电芯在充放电循环过程中的充放电电压-时间曲线、电流、充放电温度、容量等参数，根据上述参数对单体电芯实施均衡充放电管理，对充电过快或放电过慢的单体电芯进行均衡放电处理，对充电过慢或放电过快的单体电芯进行均衡充电处理，以保证各单体电芯的工作过程是一致的。
然而，尽管通过上述两方面的控制，但由于一致性控制过程中依据的参数是电芯电压参数，其仅能确保各单体电芯两个电极的相对电压一致，不能确保各单体电芯在充放电过程中正极电位的变化一致、负极电位的变化一致，因此上述动力电池组在制备和工作过程中的一致性仍然不十分理想，将直接导致动力电池组的寿命较短，安全性得不到保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种控制动力电池组一致性的方法，能有效控制单体电芯在工作过程中充放电时正极电位的变化一致、负极电位的变化一致，使得动力电池组工作过程中的一致性得到有效改善。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种控制动力电池组一致性的方法，控制动力电池组一致性的方法，该方法用于在动力电池组的制备过程和工作过程中对动力电池组进行一致性控制，所述动力电池组由参数一致的多个单体电芯串并联组成，所述单体电芯包括正极、负极和第三电极；所述方法包括：1）单体电芯匹配过程一致性控制：测量待组成所述动力电池组的所述单体电芯的参数，选择参数变化一致的多个所述单体电芯串并联组成所述动力电池组；2）动力电池组充放电循环过程一致性控制：2-1）实时监控所述动力电池组中单体电芯在充放电循环过程中的第一参数、第二参数和第一类常规参数，所述第一参数为充放电循环过程中所述单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位；所述第二参数为充放电循环过程中所述单体电芯的负极相对于第三电极的电极电位；2-2）根据第一参数和第二参数对所述单体电芯进行一致性充放电管理。
优选的技术方案中，
所述第一类常规参数包括所述单体电芯在充放电循环过程中的容量和充放电温度。
进一步优选的技术方案中，
所述步骤1）具体包括，测量所述单体电芯的第三参数、第四参数和第二类常规参数，选择所述第三参数、第四参数和常规参数变化一致的多个单体电芯串并联组成所述动力电池组；所述第三参数为所述单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时正极相对于第三电极的电极电位；所述第四参数为所述单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时负极相对于第三电极的电极电位。
所述第二类常规参数包括所述单体电芯的容量、内阻和充放电温度。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的一种控制动力电池组一致性的方法，动力电池组采用包括正极、负极和第三电极的三电极体系电芯作为单体电芯，动力电池组充放电循环过程一致性控制时，除了进行第一类常规参数的一致性监控，配合实时监控单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位（第一参数）和负极相对于第三电极的电极电位（第二参数），根据上述两个参数变化情况对单体电芯进行均衡充放电管理，使充放电循环工作过程的第一参数和第二参数的变化能一致，从而有效改善动力电池组工作过程中的一致性。进一步地，在单体电芯匹配组成动力电池组的过程一致性控制时，除了进行第二类常规参数的一致性匹配，还依据单体电芯分选容量时充放电过程中正极相对于第三电极的电极电位（第三参数）和负极相对于第三电极的电极电位（第四参数）选择匹配单体电芯，使得单体电芯在串并联之前第三参数和第四参数变化也能一致，进一步有效改善动力电池组制备过程中的一致性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的控制动力电池组一致性的方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式的实施例中测量四个三电极体系单体电芯充放电时的第三参数-时间曲线图；
图3是本发明具体实施方式的实施例中测量四个三电极体系单体电芯充放电时的第四参数-时间曲线图；
图4是本发明具体实施方式的比较例中测量四个两电极体系电池充放电时的电芯电压-时间曲线图；
图5是本发明具体实施方式中测试得到的实施例和比较例中制备的动力电池组的寿命曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本具体实施方式中一种控制动力电池组一致性的方法，其中，动力电池组由参数变化一致的多个单体电芯串并联组成，所述单体电芯包括正极、负极和第三电极，其中，第三电极作为在单体电芯的电化学体系内电化学性能稳定的参比电极。该方法用于在动力电池组的制备过程和工作过程中对动力电池组进行一致性控制，如图1所示，为其流程图，包括，
S1），测量待组成所述动力电池组的单体电芯的参数，选择参数变化一致的多个单体电芯串联和/或并联组成动力电池组，此即动力电池组的制备过程中单体电芯匹配过程一致性控制。
其中，串并联组成动力电池组，优选为先将2-10个的单体电芯串联和/并联成电池单元，再在电池单元内置入温度感应器，然后再将电池单元进行串并联组合。
S2），动力电池组充放电循环过程一致性控制，此阶段先将动力电池组与电源管理***连接，利用电源管理***进行循环充放电过程的实时监控和控制，具体包括：
S2-1），实时监控在充放电循环过程中动力电池组的单体电芯的第一参数、第二参数和第一类常规参数，其中，第一参数为充放电循环过程中单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位；第二参数为充放电循环过程中单体电芯的负极相对于第三电极的电极电位。而第一类参数为现有需监控的常规参数，包括单体电芯在充放电循环过程中的容量和充放电温度。
S2-2），根据第一参数和第二参数对单体电芯进行一致性充放电管理。具体来说，充放电过程中，当检测到某一单体电芯的第一参数和/或第二参数偏离正常值的情形时，则对该单体电芯进行均衡充电或放电处理，使该单体电芯的充放电状态与其它单体电芯的充放电状态保持一致。
对现有技术中的动力电池组的一致性进行分析，从其监控的参数的角度进行分析，由于实时监控时参考的参数是电芯电压（正极和负极之间的相对电压），因此尽管也通过实时监控控制循环过程中的一致性，但仅能确保各单体电芯的相对电压是一致的，不能确保各单体电芯的正极电位、负极电位变化一致，因此循环工作过程中实时监控的单体电芯的一致性并不十分理想。而本具体实施方式中一种控制动力电池组一致性的方法，动力电池组采用包括正极、负极和第三电极的三电极体系电芯作为单体电芯，充放电循环过程一致性控制时，配合实时监控单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位（第一参数）及负极相对于第三电极的电极电位（第二参数），根据上述两个参数对单体电芯进行均衡充放电管理，监控的是正极和负极的电位，则充放电循环工作过程中的各单体电芯的正极、负极的电位变化能保持一致，而不再仅仅是正极和负极之间的相对电压保持一致，从而有效改善动力电池组充放电循环工作过程中的一致性。
优选地，步骤S1）中具体包括测量单体电芯的第三参数、第四参数和第二类常规参数，选择第三参数、第四参数和常规参数变化一致的多个单体电芯串并联组成动力电池组。其中，第三参数为单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时正极相对于第三电极的电极电位，第四参数为单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时负极相对于第三电极的电极电位。而第二类常规参数即是现有常见监控的参数，如单体电芯充放电时充放电温度、内阻和容量。即选择单体电芯匹配时，依据现有常见监控的参数的同时，还依据第三参数和第四参数，选择上述参数变化均一致的单体电芯进行匹配，即能保证选用分选容量时正极电位、负极电位变化一致的单体电芯进行串并联组合成动力电池组，从而有效改善动力电池组在制备过程中的一致性。
实验验证：
实施例：制备锂聚合物动力电池组-144V100Ah（动力电池组内部嵌有电源管理***），动力电池组的单体电芯选用包括正极、负极和第三电极的三电极体系电池电芯，电芯型号为6099160，电压为3.6V，容量为10Ah的单体方形锂聚合物。在动力电池组的制备过程中，依据第三参数、第四参数和常规参数对其进行一致性控制。
匹配前的准备工作：锂聚合物电芯卷绕成型后，经注液、封口等工序制得半成品三电极体系锂聚合物电池。半成品三电极体系锂聚合物电池常温或40度高温搁置2-5天后，对电池进行充放电，使其充分活化。电池活化后, 再对电池充电使其荷电量为50%-60%，之后常温搁置一个月。
单体电芯匹配过程一致性控制：测量单体电芯充放电过程中的正极相对于第三电极的电极电位（第三参数）、负极相对于第三电极的电极电位（第四参数），以及第二类常规参数，如容量、内阻和充放电温度。经过上述匹配前的准备工作常温搁置一个月后，进行分选容量，即将单体电芯进行充放电，测量单体电芯的第三参数、第四参数，以及电芯容量、内阻和充放电温度。选择容量、内阻及充放电温度一致的电芯，再根据第三参数-时间曲线图和第四参数-时间曲线图选择变化均匀一致的单体三电极电芯串并联组合在一起。测量四个三电极体系电芯（A、B、C、D）得到的第三参数-时间曲线图如图2所示，得到的第四参数-时间曲线图如图3所示。图中B电池和C电池对应的第三参数、第四参数曲线变化一致，如两电池对应的第二类常规参数变化也均匀一致，则可选择B电池和C电池组合在一起；而对于A电池，则需要另外选择第三参数、第四参数以及第二类常规参数均变化一致的电池与A电池组合在一起；同理，D电池，则需要另外选择第三参数、第四参数以及第二类常规参数均变化一致的电池与D电池进行组合。将匹配好的待组合在一起的单体电池进行10个串联组装，组装成三电极锂聚合物电池单元36V10Ah，然后在每个三电极锂聚合物电池单元中置入一个温度感应器，选择40个电池单元，按每4个电池单元进行串联组成10组144V10Ah的电池组单元，然后再将10组144V10Ah的电池组单元并联即组成144V100Ah的动力电池组。
比较例：制备锂聚合物动力电池组-144V100Ah（动力电池组内部嵌有电源管理***），动力电池组的单体电芯为包括正极和负极两电极体系电池电芯，电芯型号为6099160，电压为3.6V，容量为10Ah的单体方形锂聚合物。在动力电池组的制备过程中，依据常规参数对其进行一致性控制。
匹配前的准备工作：该阶段同实施例中分选容量充放电测试前的准备工作，在此不重复说明。
单体电芯匹配过程一致性控制：测量单体电芯充放电过程中的电芯电压、容量、内阻和充放电温度，根据上述电芯电压参数和容量、内阻和充放电温度参数选择变化均匀一致的单体三电极电池串并联组合在一起。测量四个两电极体系电池（E、F、G、H）得到的电芯电压-时间曲线图如图4所示。图中F电池和G电池对应的电芯电压-时间曲线变化一致，如两电池对应的常规参数变化也均匀一致，则可选择F电池和G电池组合在一起；而对于E电池以及H电池，则选择相应电芯电压参数，常规参数变化一致的电池进行组合。将组合在一起的单体电池进行10个串联组装，组装成三电极锂聚合物电池单元36V10Ah，然后在每个三电极锂聚合物电池单元中置入一个温度感应器，选择40个电池单元，按每4个电池单元进行串联组成10组144V10Ah的电池组单元，然后再将10组144V10Ah的电池组单元并联即组成144V100Ah的动力电池组。
将上述实施例中制备的144V100Ah的动力电池组和比较例中制备的144V100Ah的动力电池组进行电动车模拟寿命测试，测试标准为：常温1C，100%DOD。
模拟寿命测试时，实施例动力电池组依据第一参数和第二参数进行充放电循环过程一致性控制：将组装的实施例动力电池组与电源管理控制***进行连接，电源管理控制***包括单片机，单片机的信号输入端分别连接动力电池组中每个单体三电极锂聚合物电池的正极、负极和第三电极，从而实现对每个单体电池单元的电流、温度的实时监控，以及对每个单体电池的正极相对于第三电极的电极电位（第一参数）和负极相对于第三电极的电极电位（第二参数）的实时监控。根据第一参数和第二参数对各单体电芯进行均衡充放电管理，实现一致性充放电管理。
模拟寿命测试时，比较例动力电池组依据电压参数进行充放电循环过程一致性控制：将组装的比较例动力电池组与电源管理控制***进行连接，电源管理控制***包括单片机，单片机的信号输入端分别连接动力电池组中每个单体三电极锂聚合物电池的正极和负极，从而实现对每个单体电池单元的电压、电流、温度的实时监控。根据电压参数对各单体电芯进行均衡充放电管理，实现一致性充放电管理。
测试后得到测试结果如图5所示，图中，G1曲线为测试得到的实施例中制备的锂聚合物动力电池组的循环寿命示意图，G2曲线为测试得到的比较例中制备的锂聚合物动力电池组的循环寿命示意图图。比较曲线G1和G2，可知是实施例中，采用三电极体系的锂聚合物动力电池组，配合第一参数和第二参数的实时监控，以及第三参数和第四参数的匹配控制，其循环工作寿命达2000次以上，而比较例中，采用传统的两电极体系的锂聚合物动力电池组，实时监控仅监控电压曲线，以及匹配控制时仅参考充放电电压曲线，其循环工作寿命仅1000次左右。实施例中的动力电池组相对比较例中的动力电池组循环寿命延长了100%。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种控制动力电池组一致性的方法，该方法用于在动力电池组的制备过程和工作过程中对动力电池组进行一致性控制，其特征在于：所述动力电池组由参数一致的多个单体电芯串并联组成，所述单体电芯包括正极、负极和第三电极；所述方法包括：
1）单体电芯匹配过程一致性控制：测量待组成所述动力电池组的所述单体电芯的参数，选择参数变化一致的多个所述单体电芯串并联组成所述动力电池组；
2）动力电池组充放电循环过程一致性控制：
2-1）实时监控所述动力电池组中单体电芯在充放电循环过程中的第一参数、第二参数和第一类常规参数，所述第一参数为充放电循环过程中所述单体电芯的正极相对于第三电极的电极电位；所述第二参数为充放电循环过程中所述单体电芯的负极相对于第三电极的电极电位；
2-2）根据第一参数和第二参数对所述单体电芯进行一致性充放电管理。
2.根据权利要求1所述的控制动力电池组一致性的方法，其特征在于：所述第一类常规参数包括所述单体电芯在充放电循环过程中的容量和充放电温度。
3.根据权利要求1所述的控制动力电池组一致性的方法，其特征在于：所述步骤1）具体包括，测量所述单体电芯的第三参数、第四参数和第二类常规参数，选择所述第三参数、第四参数和常规参数变化一致的多个单体电芯串并联组成所述动力电池组；所述第三参数为所述单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时正极相对于第三电极的电极电位；所述第四参数为所述单体电芯在匹配过程中分选容量充放电时负极相对于第三电极的电极电位。
4.根据权利要求2所述的控制动力电池组一致性的方法，其特征在于：所述第二类常规参数包括所述单体电芯的容量、内阻和充放电温度。
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