一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统及方法与流程

本发明涉及电池化成、分容技术领域，特别涉及一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统及方法。

背景技术：

在锂离子电池首次充放电过程中，作为锂离子电池的极性非质子溶剂不可避免地都要在电极与电解液界面上反应，形成覆盖在电极表面上的钝化薄膜，称为电子绝缘膜或固体电解质相界膜即sei膜，据报导得知：钝化膜由li2o、lif、licl、li2co3、lico2-r、醇盐和非导电聚合物组成，是多层结构，靠近电解液的一面是多孔的，靠近电极的一面是致密的。sei膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。一方面，sei膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率；另一方面，sei膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。化成的质量决定了sei膜的好坏，直接接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。

电池的分容是通过化成分容柜(由于化成和分容基本原理相同，化成和分容功能集成在同一个柜子内，称为化成分容柜)来完成的，它可以同时为大量的电池充放电。电池分容时通过电脑管理得到每一个检测点的数据，从而分析出这些电池容量的大小和内阻等数据，确定电池的质量等级，这个过程就是分容。

在对锂电池进行化成或分容时，目前使用的方法是对单个电池进行化成或分容。现有的这种方法存在有以下不足之处：对单个电池进行化成或分容，就需要很多的电池充放电通道，空间占用大，线材使用多，而且不能控制每个电池通道的电流是完全一致的，化成的效果也不一致，不利于电池的批量化生产。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统及方法，解决现有单个电池进行化成或分容存在的需要很多的电池充放电通道，且不能控制每个电池通道的电流一致的问题。

本发明是这样实现的：一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统，所述测试系统包括一电芯电压温度采集系统、一自动化针床、一多路控制器、一双向直流电源、一交换机以及一终端上位机；

所述电芯电压温度采集系统与所述自动化针床相连接，所述电芯电压温度采集系统通过以太网链路与所述交换机相连接，所述交换机通过以太网链路与所述终端上位机相连接，以通过所述电芯电压温度采集系统实时监测接入到所述自动化针床上的各电芯的状态数据，并通过以太网链路将状态数据上报给所述终端上位机；所述多路控制器与所述自动化针床相连接，所述多路控制器通过以太网链路与所述交换机相连接，以通过所述终端上位机控制所述多路控制器接通或者断开所述自动化针床上的任意电芯；所述双向直流电源与所述多路控制器相连接，所述双向直流电源通过以太网链路与所述交换机相连接，以通过所述终端上位机控制所述双向直流电源对所述自动化针床上的任意电芯进行充放电。

进一步地，所述多路控制器包括复数个串联在一起的继电器单元，所述自动化针床上对应每所述继电器单元均设置有一探针；每所述继电器单元均包括一第一继电器以及一第二继电器；所述第一继电器与所述探针串联后，再与所述第二继电器并联在一起；各所述探针均与所述电芯电压温度采集系统相连接。

本发明是这样实现的：一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试方法，所述测试方法需使用上述的测试系统，所述测试方法包括：

步骤s1、在终端上位机上运行电芯监测线程以及电芯化成分容线程；

步骤s2、通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以恒流/恒压的方式，对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电化成，并控制第二继电器对化成完成的电芯进行旁路；待所有的电芯均化成完成后，通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流的方式进行放电分容，并控制第二继电器对分容完成的电芯进行旁路；

同时，通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的状态数据，并将状态数据上报给所述终端上位机。

进一步地，在所述步骤s2之前，还包括：

步骤s21、预先设定一小电流值，通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的小电流值来对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电，并检测电压和电流是否异常，如果否，则进入步骤s2；

如果是，则通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的小电流值对各个电芯进行逐个充电，并逐一判断各电芯是否空位，且如果空位，则通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将该空位线路旁路；如果不空位，则继续判断下一个电芯，直到判断完所有的电芯之后，进入步骤s22；

步骤s22、逐一判断各电芯是否接反，且如果接反，则将接反的电芯调正；如果没有接反，则继续判断下一个电芯，直到判断完所有的电芯之后，进入步骤s2。

进一步地，在所述步骤s2中，所述的通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以恒流/恒压的方式，对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电化成，并控制第二继电器对化成完成的电芯进行旁路具体包括：

步骤a1、设定电芯的化成电压值、化成结束电流值、化成结束电压范围值以及化成静置时间；

步骤a2、通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的恒流/恒压来对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电；

步骤a3、通过所述电芯监测线程实时监测各个电芯的电压，且当所述电芯监测线程检测到有电芯的电压达到设定的化成电压值时，则记下当前串联电芯的总电压值，并暂停所述双向直流电源的充电；

步骤a4、将暂停前记下的总电压值作为恒压的设定值，并通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源进行恒压充电；

步骤a5、当所述双向直流电源检测到充电电流下降至所述化成结束电流值时，静置所述化成静置时间；

步骤a6、判断电芯的电压是否在所述化成结束电压范围值内，且如果是，则暂停所述双向直流电源的充电，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将完成化成的电芯旁路，之后进入步骤a7；如果否，则通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源继续进行恒压充电，并进入步骤a5；

步骤a7；判断是否所有的电芯均被旁路，且如果是，则结束化成流程；如果否，则以剩余的电芯数乘以所述化成电压值作为恒压的设定值，并通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源再次以设定的恒流/恒压来对剩余的电芯进行充电，并进入步骤a3。

进一步地，在所述步骤s2中，所述的通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流的方式进行放电分容，并控制第二继电器对分容完成的电芯进行旁路具体包括：

步骤b1、设定电芯的放电电压阈值；

步骤b2、通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流对所述双向直流电源进行放电，并通过所述电芯监测线程实时监测各个电芯的电压，当所述电芯监测线程检测到有电芯的电压小于所述放电电压阈值时，则暂停对所述双向直流电源的放电，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将完成分容的电芯旁路；

步骤b3、判断是否所有的电芯均被旁路，且如果是，则结束分容流程；如果否，则进入步骤b2。

进一步地，在所述步骤s2中，所述的通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的状态数据，并将状态数据上报给所述终端上位机具体为：

通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的电压值和温度值，并根据监测到的各电芯的电压值和温度值判断是否存在异常数据，且如果存在异常数据，则将异常数据上报给所述终端上位机，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将异常的电芯旁路；如果不存在异常数据，则将各电芯的电压值上报给所述终端上位机，以供所述电芯化成分容线程使用。

本发明具有如下优点：1、通过采用串联的方式将各电芯串联在同一个功率回路中，不仅能够保证同一批次的电芯充放电电流的一致性；而且只需要一个电芯充放电通道，可减少设备的使用量，进而可减少空间和线材的使用量；2、引入了自动化针床，能够更方便地应用到自动化产线中；3、采用双向直流电源，使得放电能量可回馈到电网中，从而节约电能的目的。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统的结构原理框图。

图2为本发明中多路控制器的结构原理框图。

附图标记说明：

100-测试系统，200-电芯，1-电芯电压温度采集系统，2-自动化针床，21-探针，3-多路控制器，31-继电器单元，311-第一继电器，312-第二继电器，4-双向直流电源，5-交换机，6-终端上位机。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试系统100的较佳实施例，所述测试系统100包括一电芯电压温度采集系统1、一自动化针床2、一多路控制器3、一双向直流电源4、一交换机5以及一终端上位机6；

所述电芯电压温度采集系统1与所述自动化针床2相连接，所述电芯电压温度采集系统1通过以太网链路与所述交换机5相连接，所述交换机5通过以太网链路与所述终端上位机6相连接，以通过所述电芯电压温度采集系统1实时监测接入到所述自动化针床2上的各电芯200的状态数据，并通过以太网链路将状态数据上报给所述终端上位机6；所述多路控制器3与所述自动化针床2相连接，所述多路控制器3通过以太网链路与所述交换机5相连接，以通过所述终端上位机6控制所述多路控制器接通或者断开所述自动化针床2上的任意电芯200；所述双向直流电源4与所述多路控制器3相连接，所述双向直流电源4通过以太网链路与所述交换机5相连接，以通过所述终端上位机6控制所述双向直流电源4对所述自动化针床2上的任意电芯200进行充放电。

在本发明中，所述电芯电压温度采集系统1用于对各个电芯200的电压和温度状态进行实时监测，并根据监测到的电压和温度判断电芯是否异常，且将异常数据上报给终端上位机6，例如判断电芯200温度是否超过设定的预警值；判断电芯200的电压是否高于设定的上限值；电芯200电压上升斜率是否异常等等。所述自动化针床2用于通过探针21来实现与电芯200的连接，以实现对电芯200的化成和分容。所述多路控制器3主要用于接收终端上位机6的控制逻辑，并根据控制逻辑控制串联到自动化针床2上的任意电芯200的通断。所述双向直流电源4用于提供充放电功能，而且具有能量回馈功能，即能够将电芯200放电的能量回馈到电网，且可以支持160v/120a以内的充放电功能。所述交换机5用于实现数据交换功能。所述终端上位机6为控制核心，用于实现对整个测试系统100的逻辑控制。

所述多路控制器3包括复数个串联在一起的继电器单元31，所述自动化针床2上对应每所述继电器单元31均设置有一探针21；每所述继电器单元31均包括一第一继电器311以及一第二继电器312；所述第一继电器311与所述探针21串联后，再与所述第二继电器312并联在一起，在具体实施时，当需要对电芯200进行充放电时，则需要将第一继电器311闭合，而如果需要将某一个电芯200旁路时，只需将对应该电芯200的第二继电器312闭合即可；各所述探针21均与所述电芯电压温度采集系统1相连接，以通过所述电芯电压温度采集系统1实时采集接入到所述探针21两端的电芯200的电压和温度。

本发明一种能量回馈型电芯串联化成、分容测试方法的较佳实施例，所述测试方法需使用上述的测试系统，所述测试方法包括：

步骤s1、在终端上位机上运行电芯监测线程以及电芯化成分容线程；其中，所述电芯监测线程主要负责对各个电芯的监测，所述电芯化成分容线程主要负责电芯的化成和分容，且这两个线程相互独立，又协同工作；

步骤s2、通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以恒流/恒压的方式，对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电化成，并控制第二继电器对化成完成的电芯进行旁路；待所有的电芯均化成完成后，通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流的方式进行放电分容，并控制第二继电器对分容完成的电芯进行旁路；

同时，通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的状态数据，并将状态数据上报给所述终端上位机。

在本发明中，为了避免出现空位或者接反情况而导致无法正常进行化成和分容，在所述步骤s2之前，还包括：

步骤s21、预先设定一小电流值，在具体实施时，可以根据实际要测试的电芯来设置该最小电流值，例如，设定小电流值为30ma，还可以设定充电时间，例如可以设定充电时间为50ms，通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的小电流值来对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电，并检测电压和电流是否异常，如果否，则进入步骤s2；

如果是，则通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的小电流值对各个电芯进行逐个充电，并逐一判断各电芯是否空位，且如果空位，则通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将该空位线路旁路；如果不空位，则继续判断下一个电芯，直到判断完所有的电芯之后，进入步骤s22；

步骤s22、逐一判断各电芯是否接反，且如果接反，则将接反的电芯调正；如果没有接反，则继续判断下一个电芯，直到判断完所有的电芯之后，进入步骤s2。

在所述步骤s2中，所述的通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以恒流/恒压的方式，对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电化成，并控制第二继电器对化成完成的电芯进行旁路具体包括：

步骤a1、设定电芯的化成电压值、化成结束电流值、化成结束电压范围值以及化成静置时间；

步骤a2、通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源以设定的恒流/恒压来对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行充电；

步骤a3、通过所述电芯监测线程实时监测各个电芯的电压，且当所述电芯监测线程检测到有电芯的电压达到设定的化成电压值时，则记下当前串联电芯的总电压值，并暂停所述双向直流电源的充电；

步骤a4、将暂停前记下的总电压值作为恒压的设定值，并通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源进行恒压充电；

步骤a5、当所述双向直流电源检测到充电电流下降至所述化成结束电流值时，静置所述化成静置时间；

步骤a6、判断电芯的电压是否在所述化成结束电压范围值内，且如果是，则暂停所述双向直流电源的充电，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将完成化成的电芯旁路，之后进入步骤a7；如果否，则通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源继续进行恒压充电，并进入步骤a5；

步骤a7；判断是否所有的电芯均被旁路，且如果是，则结束化成流程；如果否，则以剩余的电芯数乘以所述化成电压值作为恒压的设定值，并通过所述电芯化成分容线程控制所述双向直流电源再次以设定的恒流/恒压来对剩余的电芯进行充电，并进入步骤a3。下面以一实例来对化成流程做进一步说明：

设定在自动化针床上串联有32颗电芯，化成电压值为3.7v，电芯容量c为100ah，以1c的电流化成，化成结束电流值为0.01c，化成结束电压范围值为3.695～3.7v，化成静置时间为1分钟；

在化成开始时，首先以恒流100a/恒压118.4v来对串联到自动化针床上的各个电芯进行充电；当电芯监测线程检测到某一个电芯的电压达到3.7v时，就记下当前串联电芯的总电压值(即串联的所有电芯的电压总和)，并暂停双向直流电源的充电；设定暂停前记下的总电压值作为恒压的电压设定值，并以总电压值启动双向直流电源进行恒压充电；当充电电流下降为0.01c时，静置1分钟，且如果电芯的电压值为3.695≤v≤3.7，则暂停双向直流电源的充电，并将对应的电芯旁路；以剩余的电芯数乘以3.7v作为设定的恒压值(例如，剩余的电芯数为20，那么恒压值就为3.7v*20＝74v)，并启动双向直流电源进行恒压恒流充电；之后按照以上流程对剩余的电芯继续进行化成，直到所有的电芯都被旁路后，再结束化成流程。

在所述步骤s2中，所述的通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流的方式进行放电分容，并控制第二继电器对分容完成的电芯进行旁路具体包括：

步骤b1、设定电芯的放电电压阈值；

步骤b2、通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以恒流对所述双向直流电源进行放电，并通过所述电芯监测线程实时监测各个电芯的电压，当所述电芯监测线程检测到有电芯的电压小于所述放电电压阈值时，则暂停对所述双向直流电源的放电，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将完成分容的电芯旁路；

步骤b3、判断是否所有的电芯均被旁路，且如果是，则结束分容流程；如果否，则进入步骤b2。下面以一实例来对分容流程做进一步说明：

设定在自动化针床上串联有32颗电芯，电芯容量c为100ah，以1c的电流分容，放电电压阈值为2.45v；通过所述电芯化成分容线程控制各个电芯以100a的电流来对双向直流电源进行放电，当电芯监测线程检测到某一个电芯的电压下降到2.45v时，就暂停对双向直流电源的放电，并将对应的电芯旁路；之后按照以上流程对剩余的电芯继续进行分容，直到所有的电芯都被旁路后，再结束分容流程。

在本发明中，所述的通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的状态数据，并将状态数据上报给所述终端上位机具体为：

通过所述电芯监测线程控制所述电芯电压温度采集系统实时监测串联到所述自动化针床上的各电芯的电压值和温度值，并根据监测到的各电芯的电压值和温度值判断是否存在异常数据(比如出现某节电芯与整串电芯电压均值过大，或是电芯电压上升斜率异常，或是电芯电压温升异常等等)，且如果存在异常数据，则将异常数据上报给所述终端上位机(即向终端上位机发送警报)，并通过所述电芯化成分容线程控制对应的第二继电器闭合，以将异常的电芯旁路；如果不存在异常数据，则将各电芯的电压值上报给所述终端上位机，以供所述电芯化成分容线程使用。

本发明在具体实施时，可以在所述自动化针床上串联接入1～32个的电芯，并实现对串联到所述自动化针床上的各个电芯进行化成和分容。同时，在本发明中设计有多种保护功能，具体包括：具有温度保护功能，可以检测各个电芯的温度，当温度超过设定值时，能够向终端上位机发出警告；具有过充过放保护功能，当充电过程中检测到某一电芯电压高于上限设定值(过充)，或放电过充中检测到某一电芯电压低于下限设定值(过放)，则会暂停双向直流电源的充/放电，并将对应的电芯旁路，同时向终端上位机发出警告；具有温度斜率保护功能，当检测到连续n次温度上升斜率大于温度最大斜率kmax时，则暂停双向直流电源的充/放电，将电芯旁路并向终端上位机发出警告；具有容量保护功能，当化成分容流程中电芯累加容量超过设定值，则暂停双向直流电源的充/放电，旁路异常电芯，并向终端上位机发出警告；具有探针接触不良保护功能，电芯与探针触点接触不良时，探针与电芯之间的阻抗会变大，电压差会增加，当检测到电源端口电压(即电芯采样电压和)大于接触不良电压设定值时，则暂停双向直流电源的充/放电，并向终端上位机发出警告。

综上所述，本发明具有如下优点：1、通过采用串联的方式将各电芯串联在同一个功率回路中，不仅能够保证同一批次的电芯充放电电流的一致性；而且只需要一个电芯充放电通道，可减少设备的使用量，进而可减少空间和线材的使用量；2、引入了自动化针床，能够更方便地应用到自动化产线中；3、采用双向直流电源，使得放电能量可回馈到电网中，从而节约电能的目的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。