一種二次電池的分選方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種二次電池的分選方法，所述方法包括：選取待分選電池對(duì)應(yīng)的特征荷電狀態(tài)；采集所述待分選電池的電化學(xué)交流阻抗譜；提取所述待分選電池的二維特征參數(shù)；確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。該方法根據(jù)二次電池從充電平臺(tái)到充電截止電壓這一部分的電池內(nèi)部特征，從本質(zhì)上分選出的電池比常規(guī)分選方法選出的電池一致性更好，并提高電池組的整體性能，延長(zhǎng)使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種二次電池的分選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種電池分選方法，更具體涉及一種二次電池的分選方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]二次電池用于儲(chǔ)能技術(shù)，限于電池單體的容量、電壓、能量/功率有限等原因，必須通過(guò)串并聯(lián)成組之后，才能達(dá)到儲(chǔ)能應(yīng)用的電壓等級(jí)、能量/功率等級(jí)的要求。成組電池的數(shù)量與單體的規(guī)格、儲(chǔ)能應(yīng)用的具體要求直接相關(guān)，而電池成組之后的整體性能不等于單體電池性能的簡(jiǎn)單加和，由于電池單體之間的一致性差異導(dǎo)致電池成組之后出現(xiàn)“木桶效應(yīng)”，電池成組后的整體性能受制于性能最差的電池單體，尤其是使用壽命更是明顯低于電池單體的使用壽命，這種情況使二次電池的儲(chǔ)能應(yīng)用效果大打折扣，既限制了電池性能的發(fā)揮，又提高了使用成本。
[0003]針對(duì)這種情況，出現(xiàn)了二次電池的分選技術(shù)，即在二次電池成組之前，通過(guò)技術(shù)手段從眾多電池中篩選出一致性接近的電池單體，排除差異較大的電池單體，降低“木桶效應(yīng)”的不良影響，通過(guò)分選技術(shù)篩選電池再進(jìn)行成組集成，提高電池組的整體性能，并延長(zhǎng)使用壽命。
[0004]然而，目前的傳統(tǒng)分選技術(shù)大多是以電池單體的容量、電壓、內(nèi)阻等外特性參數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行篩選，其特點(diǎn)是篩選時(shí)間短，效率高，可迅速完成分選，其缺點(diǎn)是以這些外特性參數(shù)為指標(biāo)篩選出的電池單體往往是只能保證這些指標(biāo)的一致性，無(wú)法反映出電池內(nèi)部特征的一致性，而且隨著電池制造商質(zhì)量管理、技術(shù)水平的提高，這些外特性參數(shù)在出廠(chǎng)階段基本上就非常接近了，常規(guī)分選方法在“分辨率”上難以有效區(qū)分電池單體之間的微小差異，在這樣情況下這種常規(guī)分選技術(shù)就已經(jīng)失去了意義。
[0005]成組的電池單體的一致性，其外部表現(xiàn)是容量、電壓、內(nèi)阻這些外特性參數(shù)，其內(nèi)在根本在于電池內(nèi)部的一致性。電池成組之后，“木桶效應(yīng)”主要體現(xiàn)在電池組充電末期，個(gè)別電池單體首先達(dá)到充電截止電壓，而其他電池單體電壓較低，長(zhǎng)此循環(huán)下去，造成個(gè)別電池長(zhǎng)期過(guò)充，其他電池長(zhǎng)期為充滿(mǎn)的現(xiàn)象，這樣進(jìn)一步加速了電池組內(nèi)單體之間的差異。
[0006]在電池組充電末期，二次電池的電壓會(huì)從充電電壓平臺(tái)迅速上升，然后達(dá)到充電截止電壓，在這個(gè)過(guò)程中電池內(nèi)部出現(xiàn)明顯的濃差極化現(xiàn)象，載流子在電池內(nèi)部的擴(kuò)散阻力增大，同時(shí)因電池極片表面雙電層效應(yīng)的存在，還會(huì)表現(xiàn)出一定的電容效應(yīng)。本申請(qǐng)就是通過(guò)對(duì)二次電池充電電壓從充電平臺(tái)上升到充電截止電壓這一階段的電池內(nèi)載流子擴(kuò)散行為和電容彌散效應(yīng)的一致性來(lái)進(jìn)行二次電池的分選。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種二次電池的分選方法，該方法提高電池組的整體性能，并延長(zhǎng)使用壽命。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種二次電池的分選方法，所述方法包括以下步驟:[0009]( I)選取待分選電池對(duì)應(yīng)的特征荷電狀態(tài)；
[0010](2)采集所述待分選電池的電化學(xué)交流阻抗譜；
[0011](3)提取所述待分選電池的二維特征參數(shù)；
[0012](4)確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
[0013]本發(fā)明提供的一種二次電池的分選方法，所述步驟(I)中通過(guò)待分選電池的充電曲線(xiàn)中的最大曲率值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)確定特征荷電狀態(tài)。
[0014]本發(fā)明提供的一種二次電池的分選方法，若所述最大曲率值為兩個(gè)以上，選擇最接近所述充電曲線(xiàn)中截止電壓所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的最大曲率值。
[0015]本發(fā)明提供的另一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述充電曲線(xiàn)為在充放電倍率I倍率以下，對(duì)所述待分選電池的單體進(jìn)行三次完整的充放電循環(huán)的最后一次充電曲線(xiàn)。
[0016]本發(fā)明提供的再一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，通過(guò)數(shù)值分析確定所述最后一次充電曲線(xiàn)的曲率函數(shù)；將所述曲線(xiàn)視為自變量時(shí)間與因變量電壓的函數(shù)關(guān)系式。
[0017]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述函數(shù)關(guān)系式通過(guò)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性數(shù)值擬合確定，從而確定其曲率函數(shù)。
[0018]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述曲率函數(shù)通過(guò)式(I)確定:
[0019]K (t) = I d2V (t) /dt21 / (1+ (dv (t) /dt)2)3/2 (I)
[0020]式中，V、t分別為所述最后一次充電曲線(xiàn)中的電壓和時(shí)間；
[0021]對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行二次求導(dǎo)；確定一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)前，先通過(guò)對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)的進(jìn)行平滑處理并去除其數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)，對(duì)所述一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理并去除一次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到式(I)中的dV(t)/dt ;對(duì)所述式(l)dV(t)/dt再次一次求導(dǎo)得到二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)，對(duì)所述二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)曲線(xiàn)再進(jìn)行平滑處理并去除二次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到式(I)中的d2V(t)/dt2。
[0022]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述步驟(2)中將待分選的電池處于特征荷電狀態(tài)，擱置6 —12小時(shí)；再進(jìn)行所受待分選電池的電化學(xué)交流阻抗測(cè)試。
[0023]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述交流阻抗譜頻率范圍在
0.0lHz—0.1Hz，其幅度在5mV — IOmV以?xún)?nèi)采集。
[0024]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述步驟(3)中選取所述交流阻抗譜頻率范圍在0.0lHz — 0.1Hz內(nèi)的阻抗譜，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到所述線(xiàn)性部分的函數(shù)關(guān)系式式(2):
[0025]Zlm = k.ZEe+b (2)
[0026]其中，ZEe為阻抗Z的實(shí)部，Zlffl為阻抗Z的虛部，b為此線(xiàn)性部分在交流阻抗譜中實(shí)軸的截距，其值包含二次電池的歐姆電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻和擴(kuò)散電阻信息；斜率k值反映了 二次電池電容彌散效應(yīng)的信息。
[0027]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，所述步驟(4)中通過(guò)提取η個(gè)所述待分選電池的二維特征參數(shù)k和b確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
[0028]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種二次電池的分選方法，將所述二維特征參數(shù)反映在二維空間中，根據(jù)待成組的電池單體數(shù)目m，從二維空間中求解出m個(gè)最接近的點(diǎn)，這m個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)各自的電池單體，即是分選出的可用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
[0029]和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果
[0030]1、本發(fā)明的技術(shù)方案根據(jù)二次電池從充電平臺(tái)到充電截止電壓這一部分的電池內(nèi)部特征，從本質(zhì)上分選出的電池比常規(guī)分選方法選出的電池一致性更好；
[0031]2、本發(fā)明的技術(shù)方案是以電池內(nèi)部載流子擴(kuò)散行為與電容效應(yīng)的差異來(lái)進(jìn)行電池的分選，從“分辨率”上能夠更明顯地區(qū)分出電池總體樣本之間的差異程度；
[0032]3、本發(fā)明的技術(shù)方案利用電化學(xué)交流阻抗譜技術(shù)，通過(guò)低頻線(xiàn)性部分的求解提取二維特征參數(shù)，避免了等效電路的設(shè)計(jì)與擬合，既縮短了時(shí)間，又避免了等效電路解析引起的不確定性問(wèn)題；
[0033]4、本發(fā)明的技術(shù)方案把電池分選面臨的一致性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維空間最接近點(diǎn)對(duì)求解問(wèn)題，使電池的分選更合理、直觀(guān)；
[0034]5、本發(fā)明的方法提高電池組的整體性能，并延長(zhǎng)使用壽命。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0036]圖2為本發(fā)明電池分選的磷酸鐵鋰電池0.3C充電曲線(xiàn)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明電池分選的鈦酸鋰電池0.5C充電曲線(xiàn)示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明中二維特征參數(shù)提取示意圖；
[0039]圖5為本發(fā)明中二維空間中的離散點(diǎn)對(duì)示意圖；
[0040]圖6為本發(fā)明中二維空間最接近點(diǎn)對(duì)求解示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0042]實(shí)施例1:
[0043]如圖1-6所示，本例的發(fā)明一種二次電池的分選方法，所述方法包括以下步驟:
[0044]( I)待分選電池對(duì)應(yīng)的特征荷電狀態(tài)的選??；
[0045]對(duì)待分選的二次電池單體進(jìn)行三次完整的充放電循環(huán)，在充電曲線(xiàn)中選擇升壓曲線(xiàn)這一段的充電曲線(xiàn)，充放電倍率在I倍率以下；所述待分選的二次電池單體包括磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池。
[0046]把所述最后一次充電曲線(xiàn)視為自變量時(shí)間t與因變量電壓V的函數(shù)關(guān)系式V(t)，通過(guò)數(shù)值分析，求解出V (t)的曲率函數(shù)K (t)；
[0047]所述數(shù)值分析包括以下過(guò)程:一是對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性數(shù)值擬合，得到有明顯參數(shù)值和函數(shù)形式的函數(shù)關(guān)系式V (t)，然后對(duì)此函數(shù)求曲率K(t)；
[0048]二是對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，去除測(cè)試原始數(shù)據(jù)(t，V)中的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)(t為時(shí)間，V為電壓)，然后直接對(duì)平滑后的充電曲線(xiàn)進(jìn)行一次求導(dǎo)，得到一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt),再對(duì)所述一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，去除一次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到dv(t)/dt，然后對(duì)所述dV(t)/dt再進(jìn)行一次求導(dǎo)，得到二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)，對(duì)所述二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)曲線(xiàn)再進(jìn)行平滑處理，去除二次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到d2V(t)/dt2，然后根據(jù)曲率的計(jì)算公式(1)，算出曲率K(t)。
[0049]K (t) = I d2V (t) /dt21 / (1+ (dv (t) /dt)2)3/2 (I)
[0050]式中，d2V(t)/dt2為所述二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)曲線(xiàn)再進(jìn)行平滑處理，去除二次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到的結(jié)果，dv(t)/dt為所述一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，去除一次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到的結(jié)果。
[0051]取曲率函數(shù)K(t)靠近所述最后一次充電曲線(xiàn)截止電壓的最大值，此曲率最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)t所對(duì)應(yīng)的電池的荷電狀態(tài)，就是分選電池對(duì)應(yīng)的特征荷電狀態(tài)點(diǎn)，如圖2和3所示。
[0052](2)所述待分選電池的電化學(xué)交流阻抗譜采集；
[0053]調(diào)整待分選的電池處于特征荷電狀態(tài)，擱置6——12小時(shí)，進(jìn)行待分選電池的電化學(xué)交流阻抗測(cè)試，在頻率0.0lHz——0.1Hz，幅度5mV——IOmV以?xún)?nèi)，采集交流阻抗譜。
[0054](3)所述待分選電池的二維特征參數(shù)提?。?br> [0055]選取IOmHz以上頻率范圍內(nèi)的阻抗譜線(xiàn)性部分，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到此線(xiàn)性部分的函數(shù)關(guān)系式:
[0056]Zlm = k.ZEe+b (I)
[0057]其中，Zlte為阻抗Z的實(shí)部，Zlffl為阻抗Z的虛部，b值為此線(xiàn)性部分在交流阻抗譜中實(shí)軸的截距，其值包含了二次電池的歐姆電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻和擴(kuò)散電阻等信息；斜率k值，反映了二次電池電容彌散效應(yīng)的信息，如圖4所示。
[0058](4)確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體；
[0059]通過(guò)以上三個(gè)步驟，提取出待分選的η個(gè)電池樣本的二維特征參數(shù)b和k，把這些二維數(shù)據(jù)反映在二維空間中，表現(xiàn)為分布在二維空間中的離散點(diǎn)對(duì)，如圖5所示；
[0060]根據(jù)待成組的電池單體數(shù)目m，從二維空間中求解出m對(duì)最接近的點(diǎn)對(duì)，這m對(duì)點(diǎn)對(duì)對(duì)應(yīng)各自的電池單體，即是分選出的可用于組合成一個(gè)電池組的電池單體；該求解過(guò)程為采用分步計(jì)算的過(guò)程，依次做出二維特征參數(shù)點(diǎn)在k軸和b軸方向上的直方圖，選出分布數(shù)據(jù)點(diǎn)最集中的前三個(gè)區(qū)域，如圖6所示，k軸為1，2，3區(qū)，b軸為4，5，6區(qū)，其中k軸和b軸區(qū)域重合的部分中，分布點(diǎn)數(shù)最多的區(qū)域即是要選出的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)即是在這批樣本中彼此最接近、最集中分布的點(diǎn)對(duì)。由此完成二維空間最接近點(diǎn)對(duì)的求解。
[0061]最后應(yīng)該說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: (1)選取待分選電池對(duì)應(yīng)的特征荷電狀態(tài)； (2)采集所述待分選電池的電化學(xué)交流阻抗譜； (3)提取所述待分選電池的二維特征參數(shù)； (4)確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述步驟(1)中通過(guò)待分選電池的充電曲線(xiàn)中的最大曲率值所對(duì)應(yīng)的的點(diǎn)確定特征荷電狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:若所述最大曲率值為兩個(gè)以上，選擇最接近所述充電曲線(xiàn)中截止電壓所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的最大曲率值。
4.如權(quán)利要求3所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述充電曲線(xiàn)為在充放電倍率I倍率以下，對(duì)所述待分選電池的單體進(jìn)行三次完整的充放電循環(huán)的最后一次充電曲線(xiàn)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:通過(guò)數(shù)值分析確定所述最后一次充電曲線(xiàn)的曲率函數(shù)；將所述曲線(xiàn)視為自變量時(shí)間與因變量電壓的函數(shù)關(guān)系式。
6.如權(quán)利要求5所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述函數(shù)關(guān)系式通過(guò)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性數(shù)值擬合確定，從而確定其曲率函數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述曲率函數(shù)通過(guò)式(O確定:
K⑴=I d2V(t)/dt21/(1+ (dv(t)/dt)2)3/2 (I) 式中，V、t分別為所述最后一次充電曲線(xiàn)中的電壓和時(shí)間； 對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)進(jìn)行二次求導(dǎo)；確定一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)前，先通過(guò)對(duì)所述最后一次充電曲線(xiàn)的進(jìn)行平滑處理并去除其數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)，對(duì)所述一階導(dǎo)數(shù)(t，dV(t)/dt)曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理并去除一次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到式(I)中的dV(t)/dt ;對(duì)所述式(I)中的dV(t)/dt再次一次求導(dǎo)得到二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)，對(duì)所述二階導(dǎo)數(shù)(t，d2V(t)/dt2)曲線(xiàn)再進(jìn)行平滑處理并去除二次求導(dǎo)過(guò)程中新產(chǎn)生的雜點(diǎn)和異常離散點(diǎn)得到式(I)中的d2V(t)/dt2。
8.如權(quán)利要求1所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述步驟(2)中將待分選的電池處于特征荷電狀態(tài)，擱置6 —12小時(shí)；再進(jìn)行所受待分選電池的電化學(xué)交流阻抗測(cè)試。
9.如權(quán)利要求8所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述交流阻抗譜頻率范圍在0.01Hz—0.1Hz，其幅度在5mV — IOmV以?xún)?nèi)采集。
10.如權(quán)利要求9所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述步驟(3)中選取所述交流阻抗譜頻率范圍在0.01Hz — 0.1Hz內(nèi)的阻抗譜，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到所述線(xiàn)性部分的函數(shù)關(guān)系式式(2):
Zxm = k.ZEe+b (2) 其中，ZEe為阻抗Z的實(shí)部，Zlffl為阻抗Z的虛部，b為此線(xiàn)性部分在交流阻抗譜中實(shí)軸的截距，其值包含二次電池的 歐姆電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻和擴(kuò)散電阻信息；斜率k值反映了二次電池電容彌散效應(yīng)的 信息。
11.如權(quán)利要求1所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:所述步驟(4)中通過(guò)提取η個(gè)所述待分選電池的二維特征參數(shù)k和b確定用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
12.如權(quán)利要求11所述的一種二次電池的分選方法，其特征在于:將所述二維特征參數(shù)反映在二維空間中，根據(jù)待成組的電池單體數(shù)目m，從二維空間中求解出m個(gè)最接近的點(diǎn)，這m個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 各自的電池單體，即是分選出的可用于組合成一個(gè)電池組的電池單體。
【文檔編號(hào)】B07C5/344GK103801521SQ201410041257
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】高飛, 楊凱, 李大賀, 劉皓, 胡晨, 王麗娜, 惠東, 來(lái)小康 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院