CN102394315A - 一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，包括如下步骤：将待配组电池进行一次0.2C放电，再2C充放电，最后静置一段时间。记录2C放电容量C_0.5，2C充电中恒压容量与恒流容量的比值CI，最后一步静置后的恢复电压与放电下限电压的比值V0，电池的2C恒流充电和2C恒流放电的电压数值组成的特征向量与标准特征向量的相关系数r_YS，根据C_0.5、CI、V0、r_YS确立合适的分档数值范围进行分档，将在规定范围内的电池单体进行配组。本发明充分表征了电池之间的差异，筛选出一致性相近的电池进行组装使用，提高了电池组的性能。

Description

一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池配组，特别涉及一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法。

背景技术

随着社会的发展，锂离子电池的应用也越来越广泛。在实际应用中，经常需要将数十甚至数百只单体电池通过串连或并联组装在一起，以满足高电压高容量的需求。理论上来讲，单体电池之间的不一致性是绝对存在的，故在实际应用中，必须通过配组策略筛选出一致性相对较好的单体电池进行配组、组装，才有可能使得电池组的整体性能达到令人满意的程度。

目前普遍采用的配组方法是：根据单体电池分容后的容量、内阻、电压、自放电等等，拟定各个组别的参数范围，在同一范围内的归为一档，同一档的则可以组装使用。该方法的缺陷在于，这些配组参数并不能充分反映出电池之间的差别，导致组装使用后，电池组的整体性能发挥较差。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够充分反映出电池之间差别的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，使得电池组装使用后，电池组的整体性能得到更好地发挥。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，包括如下步骤：

(1)将待配组的锂离子电池进行充放电检测，检测过程设置为：

(1.1)用0.2C的电流恒流放电至下限电压，

(1.2)静置10～30分钟，

(1.3)用2C的电流恒流充电至上限电压，

(1.4)充电至上限电压后，恒压充电至电流小于0.02C，

(1.5)静置10～30分钟，

(1.6)用2C的电流恒流放电至下限电压，

(1.7)静置120～240分钟；

(2)记录第(1.3)步充电容量C1和第(1.4)步充电容量C2，计算二者的比值CI＝C2/C1；

(3)记录第(1.6)步放电容量C_0.5；

(4)记录第(1.7)步完成后电压值V1，计算V0＝V1/下限电压；

(5)采集第(1.3)、(1.6)步的电压数据，即：采集在时间间隔T内，待分组锂离子电池电压的数值，并按时间顺序排列在一起，组成一个向量Y(y₁，y₂，…y_n)，即为待配组的单体锂离子电池的电池特征向量；每个待配组锂离子电池的电压数据点数应一一对应，即在时间轴上是同步的；根据公式(I)，计算电池特征向量与标准特征向量的相似性：

$r_{\mathrm{YS}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})(s_i-\stackrel{\‾}{S})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(s_i-\stackrel{\‾}{S})}}$ 公式(I)；

其中，y_i表示待分组锂离子电池特征向量的第i维，即第i个数据点，n表示向量的维数，即电池电压数据点的个数；表示待分组锂离子电池特征向量的平均值；s_i表示标准特征向量的第i维，

表示标准特征向量的平均值；r_YS表示待配组的锂离子电池的电池特征向量与标准特征向量之间的相关系数；需要说明的是：标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)是根据生产数据进行确定的，具体确定方法如下：在同一稳定生产批次的锂离子电池中，随机选取500只锂离子电池作为“标准电池”，按照上述步骤1.1～1.7采集第一只“标准电池”第1.3、1.6步的电压数据，即：采集在时间间隔T内第一只“标准电池”电压的数值，并按时间顺序排列在一起，组成第一只“标准电池”的向量

即为第一只“标准电池”的电池特征向量；其余“标准电池”按照同样的方法采集，从而得到每只“标准电池”的电池特征向量

“i”表示第i只“标准电池”；500个标准电池的电压数据点数应一一对应，即在时间轴上是同步的；标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)中的 $({\stackrel{1}{s}}_1+\·\·\·+{\stackrel{i}{s}}_1+\·\·\·+{\stackrel{500}{s}}_1)/500,$ $s_n=({\stackrel{1}{s}}_n+\·\·\·+{\stackrel{i}{s}}_n+\·\·\·+{\stackrel{500}{s}}_n)/500.$ 另外，随机选取的“标准电池”只数越多越好，这样会使得标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)更加准确；如果随机选取的“标准电池”少于100只，则标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)的准确性就比较差，一般应随机选取100只以上的批量生产锂离子电池作为“标准电池”。

(6)根据C_0.5，CI，V0，r_YS值，按分档数值范围进行分档，将所有待配组锂离子电池进行归类，各项参数均在同一分档数值范围的为一档，同一档次的电池则可以配组使用。分档数值范围是人为确定的数值范围，本领域技术人员可以根据实际需要进行确定，是本领域人员可以自由选择的；只要确保同一档次的电池配组使用，就能够实现“电池组装使用后电池组的整体性能得到更好地发挥”，上述分档数值范围的具体数值并不影响本发明创造的发明目的的实现。

上述基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，所述下限电压对于锰酸锂电池、三元材料电池或钴酸锂电池，为2.7V～3.0V；所述下限电压对于磷酸铁锂电池，为2.0V～2.3V。

上述基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，所述上限电压对于锰酸锂电池、三元材料电池或钴酸锂电池，为4.1V～4.25V；所述上限电压对于磷酸铁锂电池，为3.5～3.9V。

上述基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，第(5)步中的时间间隔T小于等于60S，数据采集点大于等于300个，第(1.3)数据采集点与第(1.6)步数据采集点数量相等，即：第(1.3)数据采集点大于等于150个，第(1.6)步数据采集点大于等于150个。

上述基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，每个待分组锂离子电池的电压数据采集点数相同。

上述基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，每个待分组锂离子电池的电压数据点根据第(1.3)、第(1.6)步的测试先后，按时间顺序排列在一起。

以上所有步骤均在锂离子电池分容设备上进行，数据提取、分析、分选在与测试仪相应的数据分析软件上进行。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过CI值、C_0.5值、V0值、r_YS值的配组，能充分反映出单体电池容量、内部极化和电池充放电的整体性能情况，充分表征了电池之间的差异，筛选出一致性相近的电池进行组装使用，避免了一般分选方法对电池一致性的表征能力的不足，提高了配组质量，使得电池组的性能得到提高。(2)本发明配组所需时间较短、分选方法操作直观、简单、易于程序化操作，便于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中电池组循环测试曲线(充电：CC，5000mA恒流充电，截止电压42V；CV，42V恒压充电，截止电流200mA。放电：5000mA恒流放电，截止电压27V。温度：室温)。

具体实施方式

本实施例基于电池特征向量的锂离子电池配组方法选取本公司生产的IMP1865130电池(标称容量10Ah)，生产批次为20110706；其包括如下步骤：

1、将待配组的锂离子电池放置到锂离子电池程控测试设备上进行充放电检测，检测过程设置为：

1.1、恒流放电：恒定电流2A，截止电压2.7V，

1.2、静置：静置时间30分钟，

1.3、恒流充电：恒定电流20A，截止电压4.2V，

1.4、恒压充电：恒定电压4.2V，截止电流200mA，

1.5、静置：静置时间30分钟，

1.6、恒流放电：恒定电流20A，截止电压2.7V，

1.7、静置：静置时间240分钟；

2、在相应的测试软件上采集记录第1.3步恒流充电容量C1，第1.4步充电容量C2，计算二者的比值CI＝C2/C1；

3、记录第1.6步放电容量C_0.5；

4、记录第1.7步完成后电压值V1，计算V0＝V1/2.7；

5、在测试软件上采集第1.3、1.6步的电压明细数据。采集方法为：从第1.3步的第0秒开始，记录第1个数据，然后每隔10秒记录一个电压数据，至采集到150个数据点截止；第1.6步重复以上采集方法，也采集150个点；将采集到的300个数据点按时间顺序排列成一个向量，记为Y(y₁，y₂，…y_n)，即为待配组的单体锂离子电池的电池特征向量；每个待配组锂离子电池的电压数据点数应一一对应，即在时间轴上是同步的。同时，根据生产数据，确定标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)，具体确定方法如下：在同一稳定生产批次的锂离子电池中，随机选取500只锂离子电池作为“标准电池”，按照上述步骤1.1～1.7采集第一只“标准电池”第1.3、1.6步的电压数据，即：每隔10秒采集第一只“标准电池”电压的数值，并按时间顺序排列在一起，组成第一只“标准电池”的向量

即为第一只“标准电池”的电池特征向量；其余“标准电池”按照同样的方法采集，从而得到每只“标准电池”的电池特征向量

“i”表示第i只“标准电池”；500个标准电池的电压数据点数应一一对应，即在时间轴上是同步的；标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)中的 $s_1=({\stackrel{1}{s}}_1+\·\·\·+{\stackrel{i}{s}}_1+\·\·\·+{\stackrel{500}{s}}_1)/500,$ $s_n=({\stackrel{1}{s}}_n+\·\·\·+{\stackrel{i}{s}}_n+\·\·\·+{\stackrel{500}{s}}_n)/500.$ 另外，随机选取的“标准电池”只数越多越好，这样会使得标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)更加准确；如果随机选取的“标准电池”少于100只，则标准特征向量S(s₁，s₂，…s_n)的准确性就比较差，一般应随机选取100只以上的批量生产锂离子电池作为“标准电池”。

根据下公式，计算待配组锂离子电池的电池特征向量与标准特征向量的相关系数：

$r_{\mathrm{YS}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})(s_i-\stackrel{\‾}{S})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(s_i-\stackrel{\‾}{S})}}$

其中，y_i表示待分选电池特征向量的第i维，即第i个数据点，n表示向量的维数，即电池电压数据点的个数；

表示待分选电池特征向量的平均值；s_i表示标准特征向量的第i维，

表示标准特征向量的平均值。r_YS表示待分选电池的特征向量与标准特征向量之间的相关系数。

6、根据C_0.5，CI，V0，r_YS值，按以下分档数值范围进行分档：

C_0.5≥9.2Ah；

CI  10％～15％，16％～20％，21％～25％，26％～30％；

V0 1.05～1.10  1.11～1.15，1.16～1.20；

r_YS 0.90～0.95，0.96～1.0；

上述分档数值范围是人为确定的数值范围，本领域技术人员可以根据实际需要进行确定，是本领域人员可以自由选择的；只要确保同一档次的电池配组使用，就能够实现“电池组装使用后电池组的整体性能得到更好地发挥”的发明目的，即：上述分档数值范围的具体数值并不影响本发明创造的发明目的的实现。

在测试软件上设定相应的分档数值范围，将所有待配组锂离子电池进行归类，各项参数均在同一分档数值范围的为一档，利用测试仪上的LED灯提示下机，分类别下机放置，同一档次的电池则可以配组使用。

其中，各项参数在以上值范围之外的，不参与配组，为不合格品。

7、根据第6步的分档范围选定以下10只电池组成一个电池组36V10Ah电池组，单电池的配组数据为(电池组循环测试曲线如图1所示)：

电池编号	C0.5	CI	V0	rYS
					002	9.28Ah	22％	1.18	0.98
006	9.26Ah	23％	1.17	0.99
					007	9.30Ah	22％	1.16	0.97
012	9.29Ah	24％	1.19	0.96
					013	9.32Ah	21％	1.19	0.97
015	9.27Ah	22％	1.18	0.96
					024	9.28Ah	23％	1.17	0.96
028	9.31Ah	22％	1.18	0.98
					032	9.31Ah	24％	1.18	0.98
033	9.30Ah	25％	1.17	0.97

Claims (6)

1.一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将待配组的锂离子电池进行充放电检测，检测过程设置为：

(1.1)用0.2C的电流恒流放电至下限电压，

(1.2)静置10～30分钟，

(1.3)用2C的电流恒流充电至上限电压，

(1.4)充电至上限电压后，恒压充电至电流小于0.02C，

(1.5)静置10～30分钟，

(1.6)用2C的电流恒流放电至下限电压，

(1.7)静置120～240分钟；

(2)记录第(1.3)步充电容量C1和第(1.4)步充电容量C2，计算二者的比值CI＝C2/C1；

(3)记录第(1.6)步放电容量C_0.5；

(4)记录第(1.7)步完成后电压值V1，计算V0＝V1/下限电压；

(5)采集第(1.3)、(1.6)步的电压数据，即：采集在时间间隔T内，待分组锂离子电池电压的数值，并按时间顺序排列在一起，组成一个向量Y(y₁，y₂，…y_n)，即为待配组的单体锂离子电池的电池特征向量；每个待配组锂离子电池的电压数据点数应一一对应，即在时间轴上是同步的；根据公式(I)，计算电池特征向量与标准特征向量的相似性：

$r_{\mathrm{YS}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})(s_i-\stackrel{\‾}{S})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(s_i-\stackrel{\‾}{S})}}$ 公式(I)；

其中，y_i表示待分组锂离子电池特征向量的第i维，即第i个数据点，n表示向量的维数，即电池电压数据点的个数；

表示待分组锂离子电池特征向量的平均值；s_i表示标准特征向量的第i维，表示标准特征向量的平均值；r_YS表示待配组的锂离子电池的电池特征向量与标准特征向量之间的相关系数；

(6)根据C_0.5，CI，V0，r_YS值，按分档数值范围进行分档，将所有待配组锂离子电池进行归类，各项参数均在同一分档数值范围的为一档，同一档次的电池则可以配组使用。

2.根据权利要求1所述的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，所述下限电压对于锰酸锂电池、三元材料电池或钴酸锂电池，为2.7V～3.0V；所述下限电压对于磷酸铁锂电池，为2.0V～2.3V。

3.根据权利要求1所述的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，所述上限电压对于锰酸锂电池、三元材料电池或钴酸锂电池，为4.1V～4.25V；所述上限电压对于磷酸铁锂电池，为3.5～3.9V。

4.根据权利要求1所述的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，第(5)步中的时间间隔T小于等于60S，数据采集点大于等于300个，第(1.3)数据采集点与第(1.6)步数据采集点数量相等，即：第(1.3)数据采集点大于等于150个，第(1.6)步数据采集点大于等于150个。

5.根据权利要求1所述的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，每个待分组锂离子电池的电压数据采集点数相同。

6.根据权利要求1所述的基于电池特征向量的锂离子电池配组方法，其特征在于，每个待分组锂离子电池的电压数据点根据第(1.3)、第(1.6)步的测试先后，按时间顺序排列在一起。

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