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CN112510275B - 一种电动车用蓄电池的配组方法 - Google Patents

一种电动车用蓄电池的配组方法 Download PDF

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CN112510275B
CN112510275B CN202011309847.XA CN202011309847A CN112510275B CN 112510275 B CN112510275 B CN 112510275B CN 202011309847 A CN202011309847 A CN 202011309847A CN 112510275 B CN112510275 B CN 112510275B
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Abstract

本发明公开了一种电动车用蓄电池的配组方法，包括：(1)准备与电池安全阀尺寸相同的测试胶帽，所述测试胶帽的顶部设有气压传感器和温度传感器；(2)对于待配组的电池，在内化成末期，抽酸后盖上测试胶帽并进行充电，每个单格冲入电量ΨAh，计算当充电产生的气体完全进入气室时，电池单格的理论压强Pmax；(3)充电结束后，记录气压传感器测得的每个单格的气压值，计算每个电池中单格气压的平均值
Figure DDA0002789449840000011
后与理论压强Pmax进行比较，并将电池分为三档；(4)对于每一档中的电池，根据容量和开路电压进行后续的配组。利用本发明，可以缩小电池间的差异，提高电池的配组一致性，确保电池的使用性能。

Description

一种电动车用蓄电池的配组方法
技术领域
本发明属于蓄电池生产技术领域，特别涉及一种电动车用蓄电池的配组方法。
背景技术
电动自行车用铅酸蓄电池，一般由4只或者5只12V电池串联形成电池组成组使用，例如市场上常见型号4812，即由4只6-DZF-12型号串联组成，每只额定电压为12V，容量为12Ah；常见型号4820，即由4只6-DZF-20型号串联组成，每只额定电压为12V，容量为20Ah。
电池批量生产过程中，如何将差异接近的电池进行配组是蓄电池生产工艺后期的一个关键控制点，如果不能有效区别单只电池的差异，就不能准确将差异接近的电池组合形成电池组，在后期的使用过程中，大概率就会出现因为某一只电池落后而影响整组放电时间，导致行驶里程缩短而退回企业，因此如何有效寻找电池的差异是这个关键控制点中的难点。
现有配组的方式都是根据电池的容量和开路电压进行配组，如公开号为CN106972212A的中国专利文献公开了一种铅蓄电池内化成及配组方法，公开号为CN105304954A的中国专利文献公开了及一种电池的配组方法及其配组系统。
然而现有的配组方法，电池内部的差异还是非常明显。为了提高电池的配组一致性，需要在现有配组方法的基础上增加新的配组步骤。
发明内容
本发明提供了一种电动车用蓄电池的配组方法，可以缩小电池间的差异，提高电池的配组一致性，确保电池的使用性能。
一种电动车用蓄电池的配组方法，包括以下步骤：
(1)准备与电池安全阀尺寸相同的测试胶帽，所述测试胶帽的顶部设有气压传感器和温度传感器，测试胶帽扣在电池单格的加酸口上时开阀压力不低于50kPa；
(2)对于待配组的电池，在内化成末期，抽酸后，盖上测试胶帽并进行充电，每个单格冲入电量ΨAh，计算当充电产生的气体完全进入气室时，电池单格的理论压强Pmax；
(3)充电结束后，记录气压传感器测得的每个单格的气压值，计算每个电池中单格气压的平均值
Figure BDA0002789449820000021
后与理论压强Pmax进行比较，并将电池分为三档，分档标准如下：
将
Figure BDA0002789449820000022
的电池分为A档，将0.6
Figure BDA0002789449820000023
的电池分为B档，将
Figure BDA0002789449820000024
的电池分为C档；
(4)对于每一档中的电池，根据容量和开路电压进行后续的配组。
本发明的方法，在现有配组方法的基础上，结合电池内部AGM隔板的饱和度进行配组，通过该参数，可以对电池单格饱和度情况进行有效判定，缩小电池间的差异，提高电池的配组一致性。
步骤(2)中，理论压强Pmax的计算公式为：
Pmax＝0.0382Ψ×(273.15+t)/V
式中，t表示电池内部温度，可通过温度传感器监测得到，V为电池每个单格气室的体积。
上述计算公式的具体推导过程如下：
根据充电反应公式H2O→2H++1/2O2+2e-，产生0.5mol氧气的同时，产生2mol电子；2mol电子的电量Q＝2×9.632×104＝19.264×104C；
根据1Ah＝3600C，充入1Ah的电量，得到0.0186mol电子，氧气产生量为0.0046mol；充入电量根据充电时间和充电电流相乘得到，充入电量为X Ah时，对应氧气产生量为0.0046X mol；
根据理想气体状态方程PV＝nRT计算得到理论压强P；其中，V表示电池内部气室的体积、n表示气体物质的量、T表示绝对温度(取决于电池内部温度t)、R表示气体常数。
进一步地，对于同一批次的电池，固定充电工艺后，充入电量为定值，理论压强也为定值。
换句话说，充电结束后，如果产生的气体没有被负极吸收，完全被排放到气室内，那么气压值就是一个可以计算得到的值，通过监测内部气压的变化，如果充电结束后，气压没有达到计算值，说明有部分气体能够被负极吸收，说明有氧气通道的存在，隔板饱和度低于100％，如果充电结束后，压力值很快就达到计算值，说明正极和负极之间，没有气体通道，正极产生的氧气无法传到负极，全部被排放至气室内。
不同电池，饱和度存在差异，可以通过计算单格的平均值来估算该只电池的饱和度，通过不同的饱和度，将电池进行分类。
步骤(2)中，在内化成末期，抽酸后进行充电的具体过程为：
(2-1)在蓄电池内化成末期，电池处于满电状态，恒流充电2～4h后，在充电状态下进行抽酸，余酸被抽取；
(2-2)抽酸结束后停止充电，进行第一次静置；
(2-3)静置结束后，盖上测试胶帽，并进行第二次静置；
(2-4)打开充电机，继续进行充电；根据充电时间和充电电流计算充入电量，直到冲入电量为ΨAh。
优选地，步骤(2-1)中，恒流充电及抽酸的过程中的充电电流为0.01C2～0.1C2。
步骤(2-2)中，第一次静置的时间为30min～60min。余酸抽取完毕之前，电池一直处于充电的状态，此时电池内部温度较高，断电之后，还有余温，如果此时开始盖上测试胶帽，很有可能因为内部的气体受到热膨胀的影响，体积比常温要大，因此此时测量可能就会导致误判，必须要通过静置降温阶段。
优选地，步骤(2-3)中，第二次静置的时间为5min～10min。通过短时间的静置，内部极群和气室中的气体形成一个暂时稳定的状态，利于后期数据采集准确。
优选地，步骤(2-4)中，充电电流为0.005C2～0.01C2。
如果设定的电流太大，有部分单格余酸已经被抽干净，但饱和度相对较高，也就是说隔板的孔隙很少，那么还是无法能够及时把所有产生的气体完成复合，大部分的气体会排至气室中，并且电流越大，气室中的气体就会越多，此时就会造成单格误判。
设定小的电流进行充电，此时正负极都完成充电，很小的电流也会造成正极继续发生副反应，继续产生氧气，因为电流小，产生的气体也少，即使余酸已经抽干净，但是饱和度相对较高的单格，也会因为产气少而完成氧复合。设定小的电流进行充电，如果余酸未被抽干净，隔板的饱和度达到100％，没有任何的气体通道，那么产生的气体只能储存在气室中，因为已经盖上了测试胶帽，气室内部气压逐渐增大。
步骤(4)的具体过程为：
(4-1)放电检测单个电池的容量，根据容量进行第一次分档；
(4-2)第一次分档后，恒温静置蓄电池；
(4-3)静置结束后，测量蓄电池的开路电压，计算开路电压的变化差值，根据所述变化差值进行第二次分档。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法，通过在现有配组手段的基础上增加压强的配组手段，能够进一步缩小电池之间的差异，提高电池的配组一致性，确保电池的使用性能。
附图说明
图1为实施例1中成组电池容量衰减和压差对比示意图；
图2为实施例2中成组电池容量衰减和压差对比示意图；
图3为实施例3中实验电池和对比电池末期电流对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明设计了一种与电池注酸嘴配合的测试胶帽，测试胶帽上设有气压传感器和温度传感器。测试胶帽盖在加酸口时，测试胶帽与加酸口形成密封结构；测试胶帽的开阀压力不低于50kPa。气压传感器可以实现电池内部气压的监测，温度传感器用于监测温度的监测。
实施例1
本实施例以常规全浸胶6-DZF-20Ah型号电池进行试验，该型号电池根据实测，内部气体的腔室体积为0.033L，化成槽每槽实验电池为10只，对比电池使用相同的化成槽，数量也为10只，采用相同的化成工艺对实验电池和对比电池进行化成。化成结束后，进行常规的抽酸处理，将电池内部单格中多余的电解液抽出，抽酸结束后实验电池和对比电池按照不同的处理方式进行配组，具体如下：
实验电池，抽酸后停止充电，静置30min，静置结束后盖上测试胶阀，5min后打开充电机，继续进行充电，充电电流设定为0.1A，充电时间为6min，总的充入电量为0.01Ah，6min结束后观察电池内压力值和温度值。
根据该型号的气体的腔室体积，以及温度传感器监测的温度值31℃，按照总充入电量0.01Ah，可以得到单格压强的最大值Pmax为3.5kPa，按照最大压强，将电池平均单格压强分成3组，如下表1所示：
表1
Figure BDA0002789449820000061
10只电池的单格压强、平均压强、容量和静置24h后开路电压如下表2所示。
表2
编号 单格1 单格2 单格3 单格4 单格5 单格6 平均 容量 电压
1-1 1.3 1.4 1.3 1.3 1.3 1.3 1.32 124.1 13.198
1-2 1.2 1.6 1.3 1.3 2.0 1.8 1.53 123.6 13.204
1-3 2.4 2.5 3.0 3.1 2.4 3.1 2.75 124.2 13.223
1-4 0.9 1.1 1.3 1.2 1.1 1.4 1.17 124.1 13.226
1-5 3.2 3.1 2.9 2.5 2.8 2.9 2.90 123.8 13.230
1-6 1.4 1.5 1.1 1.3 1.6 1.4 1.38 123.5 13.203
1-7 1.5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.6 1.62 123.8 13.211
1-8 2.6 2.6 2.6 2.3 2.4 2.9 2.57 125.1 13.204
1-9 1.2 1.2 1.3 1.5 1.6 1.4 1.37 124.6 13.209
1-10 1.2 1.2 1.6 1.9 1.4 1.3 1.43 123.9 13.238
根据压强值，其中1-5属于A档；1-3、1-8属于B档；1-1、1-2、1-4、1-6、1-7、1-9、1-10属于C档。在C档范围内，根据容量和开路电压接近进行配组，将编号1-2、1-6、1-7、1-9搭配成一组电池。
对比电池按照常规的生产作业方式，根据化成过程中的容量以及电池下架静置24h后的开路电压进行配组，10只电池的容量和静置24h后开路电压如表3所示。
表3
电池编号 容量 电压 电池编号 容量 电压
2-1 123.5 13.237 2-6 125.4 13.214
2-2 123.3 13.204 2-7 123.2 13.206
2-3 122.4 13.205 2-8 123.5 13.211
2-4 124.1 13.224 2-9 123.7 13.196
2-5 123.5 13.208 2-10 122.9 13.214
根据容量进行宽范围配组，其中2-1、2-2、2-5、2-7、2-8、2-9，共6只电池，容量均为123min范围内，然后根据开路电压接近的原则，将编号2-2、2-5、2-7、2-8、搭配成一组电池。
实验电池组和对比电池组，按照如下测试方法进行循环寿命测试：
恒流放电：10A，放电截止电压为42V，即平均单只电压10.5V；
恒压限流限时间充电：恒压59.2V，限流5A，限时间8h。
循环过程中，观察整组电池的容量衰减以及电池组压差情况(采集每只电池的电压，当电压放电至42V时，计算最大电压和最小电压差值)，如图1所示。
从曲线上可以看到，前50次循环，对比电池和实验电池在前期容量为120min～130min，维持较好的放电平台；50次之后，对比电池压差开始上升，容量也出现了快速下降，为了便于对比；第90次后，将对比电池，每一只进行了单只充电和放电，目的是缩小对比电池的压差，可以看到第91次～140次，对比电池压差下降，但是140次后，压差还是继续出现了上升，容量出现了快速衰减，说明电池内部的差异还是非常明显，即使单独充放，也未能起到很好的效果。反观经过压强配组的实验电池，容量基本上维持很稳定的平台，虽然中间压差也出现了波动，但是波动范围较小，并未有突然持续上升情况，可以发现增加压强的配组手段后，能够进一步寻找电池之间的差异，提升电池成组使用性能。
实施例2
为了进一步比较，只选取两只电池进行成组循环，将容量和开路电压接近的2只电池配成一组，但是压强有差异，即按照现有的配组方式，但是针对性的选择压强差值差异大的电池进行配组，观察这组电池的容量衰减以及这两只电池组压差情况。
常规全浸胶6-DZF-20Ah型号，该型号电池，根据实测，内部气体的腔室体积为0.033L，化成槽每槽实验电池为10只，对比电池使用相同的化成槽，数量也为10只，采用相同的化成工艺对实验电池和对比电池进行化成，化成结束后，进行常规的抽酸处理，将电池内部单格中多余的电解液抽出，抽酸结束后实验电池和对比电池按照不同的处理方式进行配组，具体如下：
实验电池，抽酸后停止充电，静置30min，静置结束后盖上测试阀，5min后打开充电机，继续进行充电，充电电流设定为0.1A，充电时间为6min，总的充入电量为0.01Ah，6min结束后观察电池内压力值和温度值。
根据该型号的气体的腔室体积，以及监测的温度值31℃，按照总充入电量0.01Ah，可以得到单格压强的最大值3.5kPa，按照最大压强，将电池平均单格压强分成3组，如下表4所示。
表4
Figure BDA0002789449820000081
Figure BDA0002789449820000091
10只电池的单格压强、平均压强、容量和静置24h后开路电压如表5所示。
表5
编号 单格1 单格2 单格3 单格4 单格5 单格6 平均 容量 电压
1-1 1.3 1.4 1.3 1.3 1.3 1.3 1.32 124.1 13.198
1-2 1.2 1.6 1.3 1.3 2.0 1.8 1.53 123.6 13.204
1-3 2.4 2.5 3.0 3.1 2.4 3.1 2.75 124.2 13.223
1-4 0.9 1.1 1.3 1.2 1.1 1.4 1.17 124.1 13.226
1-5 3.2 3.1 2.9 2.5 2.8 2.9 2.90 123.8 13.230
1-6 1.4 1.5 1.1 1.3 1.6 1.4 1.38 123.5 13.203
1-7 1.5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.6 1.62 123.8 13.211
1-8 2.6 2.6 2.6 2.3 2.4 2.9 2.57 125.1 13.204
1-9 1.2 1.2 1.3 1.5 1.6 1.4 1.37 124.6 13.209
1-10 1.2 1.2 1.6 1.9 1.4 1.3 1.43 123.9 13.238
根据压强值，其中1-5属于A档，1-3、1-8属于B档，1-1、1-2、1-4、1-6、1-7、1-9、1-10属于C档，按照容量和开路电压接近进行配组，可以看到1-5和1-10这两只电池可以进行配组，循环采用如下方式：
恒流放电：10A，放电截止电压为21V，即平均单只电压10.5V；
恒压限流限时间充电：恒压29.6V，限流5A，限时间8h。
循环情况如下图2所示，从曲线上可以看到，前50次循环，两只电池压差开始持续增大，此时容量还是维持在120min左右，第75次后，压差增大达到了1V左右，容量相对初期，有了一定衰减，但是整体还维持了平台，为了进一步比较，第75次后，分别对每只电池进行单独的充放电，目的是减小两只电池的差异，从第76次～100次，压差出现了下降，容量提升，但第100次后，压差仍然出现了快速的增大，容量出现持续的下降，容量的下降是因为这两只电池的差异所造成，说明压强值相差大的电池，存在明显的差异，如果增加压强的配组手段后，能够进一步寻找电池之间的差异，提升配组电池的一致性。
实施例3
为了进一步比较，根据压强值，选取不同档位的两只电池，分别进行单只循环，采用相同的充电方式，观察每只电池的末期电流值变化，末期电流值代表电池的氧复合情况，反应隔板饱和度情况，同时也能够反应极板活性物质的转换效率。如果存在差异的电池进行配组使用，在充电过程中，势必会存在电池之间活性物质转换效率的差异，从而造成电池容量的差异，因此电池组一致性下降，使用寿命缩短。
常规全浸胶6-DZF-20Ah型号，该型号电池，根据实测，内部气体的腔室体积为0.033L，化成槽每槽实验电池为10只，对比电池使用相同的化成槽，数量也为10只，采用相同的化成工艺对实验电池和对比电池进行化成，化成结束后，进行常规的抽酸处理，将电池内部单格中多余的电解液抽出，抽酸结束后实验电池和对比电池按照不同的处理方式进行配组，具体如下：
实验电池，抽酸后停止充电，静置30min，静置结束后盖上测试阀，5min后打开充电机，继续进行充电，充电电流设定为0.1A，充电时间为6min，总的充入电量为0.01Ah，6min结束后观察电池内压力值和温度值。
根据该型号的气体的腔室体积，以及监测的温度值31℃，按照总充入电量0.01Ah，可以得到单格压强的最大值3.5kPa，按照最大压强，将电池平均单格压强分成3组，如下表6所示。
表6
Figure BDA0002789449820000111
10只电池的单格压强、平均压强、容量和静置24h后开路电压如表7所示。
表7
编号 单格1 单格2 单格3 单格4 单格5 单格6 平均 容量 电压
1-1 1.3 1.4 1.3 1.3 1.3 1.3 1.32 124.1 13.198
1-2 1.2 1.6 1.3 1.3 2.0 1.8 1.53 123.6 13.204
1-3 2.4 2.5 3.0 3.1 2.4 3.1 2.75 124.2 13.223
1-4 0.9 1.1 1.3 1.2 1.1 1.4 1.17 124.1 13.226
1-5 3.2 3.1 2.9 2.5 2.8 2.9 2.90 123.8 13.230
1-6 1.4 1.5 1.1 1.3 1.6 1.4 1.38 123.5 13.203
1-7 1.5 1.7 1.6 1.9 1.4 1.6 1.62 123.8 13.211
1-8 2.6 2.6 2.6 2.3 2.4 2.9 2.57 125.1 13.204
1-9 1.2 1.2 1.3 1.5 1.6 1.4 1.37 124.6 13.209
1-10 1.2 1.2 1.6 1.9 1.4 1.3 1.43 123.9 13.238
根据压强值，其中1-5属于A档，1-3、1-8属于B档，1-1、1-2、1-4、1-6、1-7、1-9、1-10属于C档。1-1和1-8这两只电池存在压强差值，容量较为接近，进行单只循环，观察前20次的末期电流值变化，即充电8h后的电流值，单只循环采用如下方式：
恒流放电：10A，放电截止电压为10.5V；
恒压限流限时间充电：恒压14.8V，限流5A，限时间8h。
前20次的末期电流值下图3所示，从曲线上可以看到，在10次后，两只电池的末期电池值就发现了明显的差别，实验电池转换效率较为稳定，而对比电池的转换效率缓慢下降(氧复合电流增大)，末期电池值也能够看出这两只电池存在明显的差异，如果成组使用，随着使用次数的增加，2只电池的容量就会逐渐出现差异，影响了整组电池的一致性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备与电池安全阀尺寸相同的测试胶帽，所述测试胶帽的顶部设有气压传感器和温度传感器，测试胶帽扣在电池单格的加酸口上时开阀压力不低于50kPa；
(2)对于待配组的电池，在内化成末期，抽酸后，盖上测试胶帽并进行充电，每个单格冲入电量ΨAh，计算当充电产生的气体完全进入气室时，电池单格的理论压强Pmax；理论压强Pmax的计算公式为：
Pmax＝0.0382Ψ×(273.15+t)/V
式中，t表示电池内部温度，通过温度传感器监测得到，V为电池每个单格气室的体积；
(3)充电结束后，记录气压传感器测得的每个单格的气压值，计算每个电池中单格气压的平均值
Figure FDA0003251956360000011
后与理论压强Pmax进行比较，并将电池分为三档，分档标准如下：
将
Figure FDA0003251956360000012
的电池分为A档，将
Figure FDA0003251956360000013
的电池分为B档，将
Figure FDA0003251956360000014
的电池分为C档；
(4)对于每一档中的电池，根据容量和开路电压进行后续的配组。
2.根据权利要求1所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，对于同一批次的电池，固定充电工艺后，充入电量为定值，理论压强Pmax也为定值。
3.根据权利要求1所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(2)中，在内化成末期，抽酸后进行充电的具体过程为：
(2-1)在蓄电池内化成末期，电池处于满电状态，恒流充电2～4h后，在充电状态下进行抽酸，余酸被抽取；
(2-2)抽酸结束后停止充电，进行第一次静置；
(2-3)静置结束后，盖上测试胶帽，并进行第二次静置；
(2-4)打开充电机，继续进行充电；根据充电时间和充电电流计算充入电量，直到冲入电量为ΨAh。
4.根据权利要求3所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(2-1)中，恒流充电及抽酸的过程中的充电电流为0.01C2～0.1C2。
5.根据权利要求3所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(2-2)中，第一次静置的时间为30min～60min。
6.根据权利要求3所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(2-3)中，第二次静置的时间为5min～10min。
7.根据权利要求3所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(2-4)中，充电电流为0.005C2～0.01C2。
8.根据权利要求1所述的电动车用蓄电池的配组方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为：
(4-1)放电检测单个电池的容量，根据容量进行第一次分档；
(4-2)第一次分档后，恒温静置蓄电池；
(4-3)静置结束后，测量蓄电池的开路电压，计算开路电压的变化差值，根据所述变化差值进行第二次分档。
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