专利名称：一种电池中电芯串联和并联的匹配方法
技术领域：
本发明涉及一种电池串联和并联的匹配方法，尤其是指使用于如便携式电脑、影碟机、电动汽车等需高压的用电器中的叠片式电池中电芯间电池串联和并联的匹配方法。
背景技术：
随着一些需要高电压的用电器，如笔记本电脑、影碟机、电动自行车、电动汽车对电池的根求越来越高，而单体电池的电压和容量无法满足需要，这时只能采用电池间的串联和并联，借以提高电压和电流。
叠片式锂离子电池本身就是多个小电池单元即电芯的并联，因此单体电池的并联问题不大，关键在串联。串联电池组中如果有电池与同组中其它电池差异较大(或日一致性较差、不匹配)，则在一起充放电过程中会出现电压分配的不均匀，内阻小的串联节充电电压过高，内阻大的串联节放电电压过高，循环中不仅容量不能有效发挥，而且组内的电芯循环寿命将大大降低，长期循环中一旦有一只电芯损坏，其它电芯承受的电压都将增大，加速了损坏，使整个串联组迅速出现雪崩似的损毁，并且由于单节电芯的电压过高，安全隐患凸现出来。目前较普遍的是采用保护电路的方法在充电过程中对每个电芯单独充电并进行监测和保护，在放电过程中对每个电芯进行监测和保护。这样虽然保护了电池，但在串联节数较多时大大增加了成本，并且在串联组中以最差的电芯为标准，降低了容量。这种方法除必要的保护作用外，对电池即电芯组本身而言，只是一种治标不治本的方法。因此，一般厂家进行串并联时往往根据容量、内阻、中点电压等指标，选取相近者进行匹配串联。此种方法中内阻为接近准静止状态下的内阻，不一定能精确反映电池充放电状态下的阻抗，中点电压为电池放电曲线上的一个点，仅靠一个点无法精确反映整个放电曲线。
发明内容
本明的目的旨在提供一种电池电芯的选取方法，以便把一致性较好的电芯选出来进行串联和并联，使电芯组的容量可以有效发挥，大大提高电池循环寿命，同时减少安全隐患。
根据上述目的设计了一种电池中电芯串联和并联的匹配方法，就是在选取同一电池中各电芯时，各电芯的容量—电压放电曲线上各个相应点电压相近似，实际操作时至少应选取电芯容量—电压放电曲线上的四个点进行相似性匹配测试。
在测试时应满足以下条件和要求当电芯容量—电压放电曲线上的电压大于和等于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.01伏。当电芯容量—电压放电曲线上的电压小于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.2伏。同时还应满足，同一电池内各电芯的容量偏差小于各电芯平均容量的0.5％；同一电池内各电芯内阻值的偏差小于各电芯平均内阻值的10％。
本发明主要根据放电曲线的相似性进行电芯间的匹配。认为放电时的容量-电压曲线上某一容量所对应的电压值反映了电芯在以某一电流放电至此状态下的阻抗，整条曲线则完整地反映了电芯以某一电流放电的整个过程中的动态阻抗变化，充电则是放电的反过程。充电过程中，电芯在不同电量状态下所经历的阻抗变化会与放电过程中所经历的阻抗变化有很强的相关性。如果容量相同的两只电芯在同一放电电流下的放电曲线能够很好重合，则说明它们在整个放电过程的各个时刻阻抗都相同或相近似，串、并联起来时它们各单体的电压、电流分配也会相同或相近似，不会出现一只电压过高和电流过大的情况，符合一致性要求。这时，内阻只是作为本发明的一种辅助手段。
具体实施方案下面结合实验数据对本发明所讨论的匹配方法作进一步说明。
本发明方法的主要过程为将电芯充电至半电态(电压为3.8至3.9V)放置15天以上，以串、并联后每个单节电芯使用电流相同或相近的电流循环3周后放电至2.75V。在第三周的放电容量—电压曲线上均匀选取许多个点，记下每个点对应的电压，选取每个点电压都相近、容量相近、内阻相差不是很大的电芯进行串联和并联。其中，并联的要求可适当降低。
具体实验例子为(循环寿命按容降20％的循环次数计)一、根据现有技术进行常规匹配时的实验结果根据内阻、容量一致性选出的电芯进行串联实验结果实验电池型号PL-383455
1、单个电芯1C充放电循环结果充放电制度为700mA恒流充至4.2V，转恒压充至15mA，静置5分钟，以700mA恒流放至2.75V，静置5分钟后充电。
所得数据为(单位mAh)
2、两节串联1C充放电循环结果初始数据为
循环充放电制度为700mA恒流充至8.4V，转恒压充至15mA，静置10分钟，以700mA恒流放至5.5V，静置10分钟后充电。两节串联一齐充放，不加任何保护电路。
第1组循环数据(单位mAh)
第2组循环数据(单位mAh)
3、三节串联1C充放电循环结果初始数据为
充放电制度为700mA恒流充至12.6V，转恒压充至30mA，静置10分钟，以700mA恒流放至8.5V，静置10分钟后充电。三节串联一齐充放，不加任何保护电路。
第1组循环数据(单位mAh)
第2组循环数据(单位mAh)
由上面数据得，按容降20％计算循环寿命时，单体循环寿命在660周左右。两节串联时一组循环寿命414周，另一组循环寿命250周。三节串联时一组循环寿命121周，另一组循环寿命168周。
从以上结果可以看出，在相同电压下测得的内阻偏差小于1.5％、容量偏差小于1％的电芯进行串联时循环寿命比单体降低很多，且后期容量呈现出雪崩似的衰减，这一点在三节串联时尤其明显。
二、根据本发明匹配方法进行电芯匹配后的实验结果根据放电曲线的相似性选出的电芯进行匹配串并联实验结果。
具体方法如前所述，即电芯做好后充电至半电态放置15天以上，以串并联后每个单节电芯使用电流相同或相近的电流循环3周后放电至2.75V。在第三周的放电容量-电压曲线上均匀选取许多个点，记下每个点对应的电压，选取每个点电压都相近、容量相近、内阻相差不是很大的电芯进行串联和并联。并联的要求可适当降低。
实验电池型号PL-3834501、单体电芯1C充放电循环结果充放电制度为600mA恒流充至4.2V，转恒压充至15mA，静置5分钟，以600mA恒流放至2.75V，静置5分钟后充电。
所得数据为(单位mAh)
可以看出，单体循环寿命在650周左右。
2、三节串联1C充放电循环结果初始数据为
第三周放电曲线上容量每隔50mAh对应的电压为(容量单位mAh，电压单位V)
循环充放电制度为600mA恒流充至12.6V，转恒压充至30mA，静置10分钟，以600mA恒流放至8.5V，静置10分钟后充电。三节串联一齐充放，不加任何保护电路。
循环结果(单位mAh)
数据显示，串联的三节电芯放电曲线相近，除最后一个点电压偏差达到0.066V外，其余11个点电压偏差均小于等于0.004V。曲线相近，容量相差必然很小。三个电芯的内阻偏差达到了2.9％。按曲线相近原则选取的这三节电芯做串联，起始容量以单体电芯计，循环寿命达到了650周，与单体电芯相当，且在循环后期没发生雪崩似衰减的过程。说明电芯在1C充放电循环时没有遭到损坏，本方法能够把一致性较好的电芯挑出来。
3、两节并联循环结果初始数据为
第三周放电曲线上容量每隔50mAh对应的电压为(容量单位mAh，电压单位V)
循环充放电制度为1200mA恒流充至4.20V，转恒压充至30mA，静置10分钟，以1200mA恒流放至2.75V，静置10分钟后充电。两节并联一齐充放，不加任何保护电路。
循环结果(单位mAh)
数据显示，并联的三组电芯中每组内的两节电芯放电曲线相近，最后一个点电压偏差最大者达到0.043V，其余11个点电压偏差均小于等于0.005V。曲线相近，容量相差必然很小。三组电池中每组内的两节电芯的内阻偏差最大达到了6.3％。三组电池的循环寿命均达到了650周，与单体电芯相当，说明内阻的稍大偏差没有影响并联电池的循环，用本方法挑出的电芯进行并联取得了较好的结果。
第一与第二大点的实验数据对比说明，使用本发明方法可更有效地把一致性较好的电芯挑选出来，以便把一致性较好的电芯选出来进行串联和并联，使电芯组的容量可以有效发挥，大大提高电池循环寿命，同时减少安全隐患。
权利要求
1.一种电池中电芯串联和并联的匹配方法，其特征是在选取同一电池中各电芯时，各电芯的容量—电压放电曲线上各个相应点电压相近似。
2.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征是至少应选取电芯容量—电压放电曲线上的四个点进行相似性匹配测试。
3.根据权利要求2所述的匹配方法，其特征是当电芯容量—电压放电曲线上的电压大于和等于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.01伏。
4.根据权利要求2所述的匹配方法，其特征是当电芯容量—电压放电曲线上的电压小于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.2伏。
5.根据权利要求3或4所述的匹配方法，其特征是同一电池内各电芯的容量偏差小于各电芯平均容量的0.5％。
6.根据权利要求5所述的匹配方法，其特征是同一电池内各电芯内阻值的偏差小于各电芯平均内阻值的10％。
全文摘要
一种电池中电芯串联和并联的匹配方法，是在选取同一电池中各电芯时，各电芯的容量－电压放电曲线上各个相应点电压相近似，操作时至少应选取四个点进行相似性匹配测试。其中，当电芯容量－电压放电曲线上的电压大于和等于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.01伏，当电芯容量－电压放电曲线上的电压小于3.2伏时，选取的各相应点的电压相差值低于0.2伏。借助本发明方法可把一致性较好的电芯选出来进行串联和并联，使电芯组的容量可以有效发挥，大大提高电池循环寿命，同时减少安全隐患。
文档编号H01M10/42GK1585173SQ20041002771
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月16日 优先权日2004年6月16日
发明者张春生, 郭也平, 王洪, 郭春泰 申请人:惠州Tcl金能电池有限公司