CN110935655A - 一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其包括：步骤一，利用电芯均衡装置对待筛选的电芯进行均衡；步骤二，将均衡后的电芯接入并联电路，监测每个支路电流变化，结合带有自放电的等效电路模型估计并联电池组各电芯的相对自放电率；步骤三，将步骤二中筛选出的相对自放电率已测的电芯平均分配到各个分选设备中，重复步骤二，得到各筛选设备间的电芯的相对自放电率。本发明能够在很短的时间内对电芯的自放电进行分选归类，同时具有较高的精度。并且所采用的设备成本很低，适用于大规模电芯自放电分选。

Description

一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法
技术领域
本发明涉及电芯筛选领域，尤其涉及一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法。
背景技术
近些年来，人们在享受着汽车工业飞速发展所带来的便利的同时，大规模使用汽车对环境的伤害也日益加重。随着人们对环境的日益重视，减少温室气体的排放，开发新能源汽车成为汽车工业健康发展的重中之重。而在新能源汽车领域中，电动汽车由于其令人满意的性能和效率而得到了人们的充分关注。锂离子动力电池由于其高的能量密度，长的待机时间以及无污染的优点而广泛应用于电动汽车上。
目前对电动汽车动力性等使用性能的要求越来越高。但是由于电池组的不一致性的制约，往往会导致电池组在使用时，性能指标达不到单体电芯的原有水平，严重影响其在电动汽车上的应用。电动汽车上的电池组主要是由大量电芯单体经过配组后串、并联组成，单体电芯的一致性差别直接决定了电池组的性能。评价电池一致性的指标主要有容量、内阻、衰减速率、库伦效率以及自放电率等，其中容量和内阻是当前状态量，而衰减速率、库伦效率和自放电率等是累积量。常规筛选限于效率和成本，一般多考虑当前状态量的筛选。然而当前状态量的一致性仅是一种“伪一致性”，根据串联电池组容量演化机理，保证累积量的一致性，即保证衰减速率、库伦效率和自放电率的一致性才是长期提高电池组一致性关键。衰减速率的一致性目前尚没有很好的分选方法，一般只能通过材料的一致性和工艺控制进行改善。库伦效率与衰减速率和自放电率均相关，其分选难度也很大。Jeff Dahn等人研究了超高精度的库伦效率测量方法用于分选，然而成本很高，难以大规模使用。我们通过串联电池进行库伦效率差异的区分，然而和衰减速率分选一样，需要的时间非常长。相对来说，自放电的分选更易于实现，同时电池自放电率的一致对于提高电池的一致性具有重要的意义。电芯的自放电率一般2％～5％/月即可满足使用要求，然而，当电芯串联成组后，如果存在自放电较大的电池，由容量电量图可知，电量差异将导致串联电池组寿命下降较大，这时需要电池均衡装置频繁的工作才能恢复电池组的容量，与此同时串联电池组的工作效率也会有所折损。因此在提高累积量的一致性上，研究自放电的一致性检测方法是相对有效和可实施的。目前常规的筛选方法主要是把电芯开路搁置很长一端时间再测量其两端电压，但这种方法耗时长久，常温下至少需要五天时间，这对于场地占用与资金利用是不利的。
基于以上的原因，为了提高电芯的自放电筛选效率，本发明公开了一种基于并联电芯各支路电流变化对电芯自放电进行分选的方法，能够在很短的时间内对电芯的自放电进行分选归类，同时具有较高的精度。并且所采用的设备成本很低，适用于大规模电芯自放电分选。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种能够提高电芯的自放电筛选效率的基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其能够在很短的时间内对电芯的自放电进行分选归类，同时具有较高的精度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其包括：
步骤一，利用电芯均衡装置对待筛选的电芯进行均衡；
步骤二，将均衡后的电芯接入并联电路，监测每个支路电流变化，结合带有自放电的等效电路模型估计并联电池组各电芯的相对自放电率；
步骤三，将步骤二中筛选出的相对自放电率已测的电芯平均分配到各个分选设备中，重复步骤二，得到各筛选设备间的电芯的相对自放电率。
本发明提供的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的步骤一中，所述电芯均衡装置包括：双向DCDC变化器、多路机电开关；
所述双向DCDC变化器两侧分别与待筛选电芯组成的电芯箱体的输出极柱和多路机电开关的公共端相连。
本发明提供的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的步骤一中，对待筛选的电芯进行均衡方法为：根据测得最高电压的单体电芯，用多路机电开关将该单体电芯接入双向DCDC变化器对电池组进行充电，对所测得最低电压的单体电芯，用多路机电开关将该单体电芯接入双向DCDC变化器，利用电池组对该电芯进行充电，均衡完毕后，所有电芯电压趋于一致。
本发明提供的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的步骤二中，每个支路通过串联高精度电流表监测电流变化。
本发明提供的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的步骤三中，每一套分选设备中均有一块相对自自放电率已测的电芯。
相较于传统的筛选方法，本发明的优点在于，能够在很短的时间内对电芯的自放电进行分选归类，同时具有较高的精度。并且所采用的设备成本很低，适用于大规模电芯自放电分选。
附图说明
图1为一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的筛选流程图。
图2为本发明实施例中电芯均衡装置示意图。
图3为本发明实施例中电芯分选装置示意图。
图4为本发明实施例中三电芯并联筛选示意图。
图5为本发明实施例中各支路电流曲线图，其中，图(A)Test#1中对应自放电率分别为5％/月、4％/月、3％/月，1h内各自对应的电流变化分别为-1.577uA、-0.371uA、1.670uA；图(B)Test#2中对应自放电率分别为5％/月、5％/月、3％/月，1h内各自对应的电流变化分别为-1.38uA、-1.26uA、2.16uA。
图6为本发明实施例中相对自放电率仿真结果图，其中，图(A)为Test#1中2号与3号电芯的实际自放电率相对1号电芯分别为1％/月和2％/月，对应仿真值分别为1.075％/月和2.03％/月；(B)为Test#2中2号与3号电芯的实际自放电率相对1号电芯均为2％/月，对应仿真值分别为1.99％/月和2.08％/月。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
参见图1，该图给出了基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法的筛选流程，该流程包括I、电池均衡→II、初次筛选→III二次筛选，本发明主要用于对大批刚出厂的电芯进行自放电分选，把自放电率大的电芯剔除并且将自放电率相近的电芯分成一组，下面结合图1详细描述本发明。
步骤一，将待筛选的电芯1(未均衡)放入如图2所示的电芯均衡设备中进行均衡，电芯均衡装置包括双向DCDC变化器17和多路机电开关19。双向DCDC变化器17两侧分别与待筛选电芯1组成的电芯箱体8的输出极柱和多路机电开关19的公共端相连。根据所测得最高电压的单体电芯，用多路机电开关19将该单体电芯接入双向DCDC变换器17对电池组进行充电；对所测得最低电压的单体电芯，用多路机电开关19将该单体电芯接入双向DCDC变换器17，利用电池组对该电芯进行充电。均衡完毕后，各电芯电压趋于一致。
步骤二，选取n(n取决于筛选设备数目)块上述已均衡电芯2放入电芯分选装置，如图3，在分选设备中，各电芯负极与负极通过导线相接，各电芯正极都与一只高精度电流表3的负极柱相接，所有高精度电流表3的正极柱相互连接，通过每条支路上的高精度电流表3实时记录每条支路的电流变化，并且将采集到的电流信号传递给上位机，结合带有自放电的等效电路模型估计并联电池组各电芯的相对自放电率。
步骤三，将步骤二中已筛选出的相对自放电率已测的电芯5平均分配到各个分选设备中，重复步骤二，这样就能准确估计各筛选设备间的电芯的相对自放电率，分选设备(即电芯分选装置)如图3所示。
步骤一中所述的未均衡电芯即为待筛选电芯1，初始时刻这些电芯的荷电状态(SOC)均不一致，导致其开路电压也不一致，而本方法的前提条件就是保证并联电池组中的各电芯电压相近，因此在筛选前需对其进行均衡。
步骤一中通过多路机电开关19将某一单体电芯接入双向DCDC变换器17已对其进行充放电，从而达到均衡效果。
在图1的筛选流程中示出了待筛选电芯1、已均衡电芯2、高精度电流表3、相对自放电率未测的电芯4、相对自放电率已测的电芯5、数值计算单元6，高精度电流表3将数据传输给数值计算单元6，例如计算机等。
在图2中，电芯均衡装置包括双向DCDC变化器17、多路机电开关19。所述双向DCDC变化器17两侧分别与待筛选电芯1组成的电芯箱体8的输出极柱和多路机电开关19的公共端相连，在图2中还示出了电芯箱体8内的单体电芯7，多路机电开关19包括衔铁9、滑块10、联轴器11、步进电机12、轴承13、丝杆14、导轨20。衔铁9安装在滑块10上，步进电机12通过联轴器11与安装在轴承13上的丝杆14相连，导轨20固定在支座上用于控制丝杆14上滑块10的旋转自由度。工作时，步进电机12通过联轴器11驱动安装在轴承13上的丝杆14，丝杠14与导轨20共同作用实现滑块10的平动。双向DCDC变化器17包括主边场效应管15、高频变压器16、副边场效应管18，该双向DCDC变化器17以及多路机电开关19构成的电芯均衡装置为现有技术，在此不加以赘述。
步骤二中并联筛选电路所采用的原理是各电芯的自放电差异导致开路电压差异，进而影响电流表示数变化，因此可以根据各支路电流估计各电芯的相对自放电率。每一个电芯或多或少都会存在自放电，只是各电芯的自放电程度不同，而评价电芯自放电程度的指标是自放电率。电芯在电路连接前，自放电率的差异导致电芯电量损失速率不同，相应的其SOC和开路电压下降速率也不同(因自放电电流相比电芯容量很小，此时电压仍可视为开路电压)。对于串联电池组，这种差异无法自行弥补，并且电芯间的电量差异不断增长将会导致电池组寿命的额外损失。而对于并联电池组，以三个电芯并联为例，如图4所示，将三个电芯接入并联电路中，并且在每条支路上接入一个μA级别的电流表(例如微安培计)实时记录电流变化，在图中，电流表由一个理想电流源A与一个内阻Ra组成，流经电流表的电流记为I。每个存在自放电现象的电芯都会有对应的自放电电流Ileak，我们可以把这种电芯等价成一个无自放电的电芯并联一个等效自放电电阻Rs。由于三块电芯的自放电率【自放电率计算如式(1)】不同，因此各电芯对应等效自放电电阻Rs也不同，自放电率大的电芯，其Rs相对较小，自放电率小的电芯，其Rs相对较大。在并联筛选前，三电芯经过均衡，所以其开路电压趋于一致，开路电压差ΔUocv趋近于0。并联接入电表后，因自放电不同，三块电芯的开路电压将出现差异，各支路间将出现电压差，从而使得电流表示数I【I由式(2)给出】出现变化，并且在初始阶段由于I<Ileak，无法弥补两电芯的自放电差异，所以随着时间的推移，开路电压差ΔUocv会不断增大，从而导致|I|不断增大。我们将每一并联筛选电路中的某一电芯设为参考电芯，认为其自放电率为0，然后将各支路电流I的变化与带有自放电的等效电路模型结合来估计其他电芯的自放电率与参考电芯的相对值。
自放电率公式为：
Figure BDA0002275468690000071
Figure BDA0002275468690000072
步骤三中将步骤二中已筛选的n个电芯平均分配到n台筛选设备中作为参考电芯，即每台筛选设备中均存在一个相对自放电率已测的电芯5，在二次筛选结束后，每台设备中的其他电芯的自放电率相对参考电芯都已知，而各设备的参考电芯间的相对自放电率在步骤二中已测得，因此可以得到所有设备中的电芯间的相对自放电率，从而对其进行分组。
实施例1：一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其包括：步骤1，取3只容量为26Ah的三元软包锂电芯，常温下将这3个电芯单体放入均衡设备(电芯均衡装置)中，根据所测得最高电压的单体电池，用多路机电开关将该单体电池接入双向DCDC变换器对电池组进行充电；或者利用多路机电开关接入双向DCDC变化器，用电池组对测得最低电压的单体电池进行充电。自动均衡2h后，得到均衡后的电芯单体。
步骤2，将步骤1中已均衡的三个电芯并联，电路连接如图4，,其中所采用高精度电流表3量程为0～1000μA，其内阻Ra为10Ω。三个电芯分别记做cell_1、cell_2、cell_3，通过在电芯两端并联一个特定阻值的电阻Rs以模拟不同自放电率的电芯，参数如表1所示。
表1实验参数设置
Figure BDA0002275468690000081
实验结果如图5及表2所示，Test#1中对应自放电率分别为5％/月、4％/月、3％/月，1h内各自对应的电流变化分别为-1.577uA、-0.371uA、1.670uA；Test#2中对应自放电率分别为5％/月、5％/月、3％/月，1h内各自对应的电流变化分别为-1.38uA、-1.26uA、2.16uA。从图中可以看出，除了正向电流外，各支路负向电流变化速率与该支路电芯的自放电率成正比。由于电流表0点温度漂移问题，使得所测得的各支路电流和不等于0，但各支路电流源变化速率和趋近于0，因此仍然可以根据各支路电流的变化速率辨识各电芯的相对自放电率。
并且由于各支路都加入电流表，在电流表内阻作用下，使得各电芯间的能量传递变得非常小，因此并联电芯数目增加时，各支路负向电流变化速率并不会受太大影响，从而使得筛选效率大大增加。
表2实验数据
Figure BDA0002275468690000091
步骤3，将上述实验测得的电流数据结合带有自放电的等效电路模型以估计各电芯的相对自放电率，在建立等效电路模型时，把实验电流与仿真电流作对比，通过调整修正系数直至仿真电流与实验电流基本重合以消除电表0点温度飘移与其他因素干扰，记录此时的修正系数。两次实验均以Cell_1为参考电芯，设其自放电率为0，分别计算Cell_2与Cell_3的自放电率相对Cell_1的值，并把修正系数应用于该模型以提升准确性，上述修正系数适用于同款电芯在27％SOC时所建立的模型。仿真结果如图6，其中实线表示相对自放电率实时估计值，虚线为平均值。Test#1中2号与3号电芯的实际自放电率相对1号电芯分别为1％/月和2％/月，对应仿真值分别为1.075％/月和2.03％/月。Test#2中2号与3号电芯的实际自放电率相对1号电芯均为2％/月，对应仿真值分别为1.99％/月和2.08％/月。对比仿真结果与实际值，相对自放电率的偏差可以保持在0.1％以内，能够准确的辨识出各电芯的相对自放电率。
上述实验只用了3块电芯进行验证，实际应用上电芯数目可以进一步增加，并且筛选时间并不会增加，应用该方法能够快速精确的将电芯按照自放电进行分类，同时所采用的设备成本低，适用于大规模的自放电分选。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其特征在于，其包括：
步骤一，利用电芯均衡装置对待筛选的电芯进行均衡；
步骤二，将均衡后的电芯接入并联电路，监测每个支路电流变化，结合带有自放电的等效电路模型估计并联电池组各电芯的相对自放电率；
步骤三，将步骤二中筛选出的相对自放电率已测的电芯平均分配到各个分选设备中，重复步骤二，得到各筛选设备间的电芯的相对自放电率。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其特征在于，步骤一中，所述电芯均衡装置包括：双向DCDC变化器、多路机电开关；
所述双向DCDC变化器两侧分别与待筛选电芯组成的电芯箱体的输出极柱和多路机电开关的公共端相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其特征在于，步骤一中，对待筛选的电芯进行均衡方法为：根据测得最高电压的单体电芯，用多路机电开关将该单体电芯接入双向DCDC变化器对电池组进行充电，对所测得最低电压的单体电芯，用多路机电开关将该单体电芯接入双向DCDC变化器，利用电池组对该电芯进行充电，均衡完毕后，所有电芯电压趋于一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其特征在于，步骤二中，每个支路通过串联高精度电流表监测电流变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于并联电池组支路电流变化的自放电快速筛选方法，其特征在于，步骤三中，每一套分选设备中均有一块相对自自放电率已测的电芯。
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