一种控制锂电池化成的方法及其装置

摘要

本发明公开了一种控制锂电池化成的方法，该方法包括：导入或输入控制参数；根据所述控制参数对化成设备进行控制；采集环境参数，判断所述环境参数超过预定参数范围；若是，调整控制参数并对化成设备进行控制。采用本发明可以提高电池化成的自动化程度，使得锂电池的形成过程更加合理和智能化,通过控制化成环境形成较佳的SEI膜；通过设备耗能的计算，使得每次电池化成的耗能更加合理，提高电能的利用效率。本发明还公开了一种控制锂电池化成的装置。

权利要求

1.一种控制锂电池化成的方法，包括:

S101:导入或输入控制参数；

S102:根据所述控制参数对化成设备进行控制；

S103:采集环境参数；

S104:判断所述环境参数超过预定参数范围;是则进入S105，否则进入S106；

S105:调整控制参数并对化成设备进行控制；

S106:判断化成是否完成，是则结束化成，否则进入S103；

在调整控制参数时，记录调控时间并形成调控时间段，对所述调控时间段的耗能进行计算。

2.根据权利要求1所述的控制锂电池化成的方法，其特征在于，当所述导入或输入控制参数不在预定参数范围内时，提取预设控制参数，根据所述预设控制参数对化成设备进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的控制锂电池化成的方法，其特征在于，所述控制参数包括电流参数、电压参数以及温度参数。

4.根据权利要求3所述的控制锂电池化成的方法，其特征在于，所述控制参数的范围为电压参数范围3. 0V—4. 2V、电流参数范围200mA—600mA以及温度参数范围20℃—35℃。

5.根据权利要求1所述的控制锂电池化成的方法，将所述调控时间段的耗能进行计算，计算出总的耗能量，并统计多次控制参数导入后的化成耗能的结果，选择出最低耗能的控制参数。

6.一种控制锂电池化成的装置，其包括:

系统控制模块，用于根据导入的控制参数控制电池化成时的环境参数;化成模块，连接于所述系统控制模块，用于根据系统控制模块所提供的控制参数来控制化成环境参数，锂电池在化成模块中完成化成过程；

环境参数采集模块，连接于所述化成模块，用于当锂电池没完成化成时实时采集化成模块中的环境参数；

数据处理模块，连接所述环境参数采集模块，用于处理环境参数采集模块的采集数据，并将数据分别传输给系统控制模块和存储模块，所述系统控制模块还用于根据采集数据实时调整控制参数并对化成设备进行控制；在调整控制参数时，记录调控时间并形成调控时间段，对所述调控时间段的耗能进行计算；

存储模块，连接所述数据处理模块，用于存储化成数据或试验数据，以供系统控制模块提取使用。

7.根据权利要求6所述的控制锂电池化成的装置，其特征在于，所述控制参数包括电流参数、电压参数以及温度参数。

8.根据权利要求7所述的控制锂电池化成的装置，其特征在于，所述控制参数的范围为电压参数范围为3. 0V—4. 2V、电流参数范围200mA—600mA以及温度参数范围20℃—35℃。

9.根据权利要求6-8任一所述的控制锂电池化成的装置，其特征在于，将所述调控时间段的耗能进行计算，计算出总的耗能量，并统计多次控制参数导入后的化成耗能的结果，选择出最低耗能的控制参数。

说明书

一种控制锂电池化成的方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种锂电池化成技术，特别涉及一种控制锂电池化成的方法及其装置。

背景技术

[0002] 锂电池主要由正极、负极、电解液以及SEI膜构成。其中，SEI膜是在液态锂电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。锂电池SEI 膜的形成基于对电池正极中的锂离子的消耗，及其电化学反应
的效率，直接体现到对锂离子的消耗量。形成SEI膜消耗了大量的锂离子，也就是说首次充放电使得电池不可逆容量增加,降低了电极材料的充放电效率。锂电池SEI膜致密性关系到
锂离子的循环寿命和稳定性。SEI膜薄而致密的膜所消耗的量小, 可以降低首次充电时的
不可逆容量, 也可以减小对石墨进行插层和脱层时的阻力, 增大的充、放电容量, 提高
充、放电效率。锂离子化成是形成SEI膜的过程，化成过程的各种参数直接影响到SEI膜的形成的好坏，因此锂离子化成过程是除了材料特性之外对锂离子性能的最大影响因素。

[0003] 锂电池化成时的电流密度和电压控制对SEI膜有重大的影响，主要体现在以下几个方面：首先，不同电压下,负极表面发生还原分解的电解液的组分不同,因而生成的产物
也不同，因而根据所控制SEI膜在不同的阶段的电压，可生产出不同的SEI膜效果；不同电流密度下,晶核形成速度不同,导致SEI膜结构差异,对SEI膜的致密性有很大的影响。另外的
电池生产过程中的温度对电池的SEI膜形成的质量也存在很大的影响。

[0004] 同时，在电池生产过程中的耗电量是非常大，其中电池的化成和检测用电占全厂用电量60%以上，日产十几万只的电池厂，每年化成检测电费都在百万元以上。可见，降低能耗对于降低生产成本起着至关重要的作用。所以在设计系统时应该要在保证系统可靠性和
电池质量的前提下，一方面尽量选取高效低耗的元器件，另一方面要尽量节约电能。

[0005] 在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

[0006] 1、自动化程度低，无法满足大规模生产；

[0007] 2、缺乏对SEI膜形成条件的有效控制，致使锂电池SEI膜的形成效果比较一般；

[0008] 3、化成设备耗能大。

发明内容

[0009] 本发明提出一种化成方法，通过对锂电池化成过程中工序的自动控制以及建立数据模型来控制的SEI膜形成，从而使锂电池具有较佳的化成效果。

[0010] 本发明提供一种控制锂电池化成的方法，包括：

[0011] 导入或输入控制参数；根据所述控制参数对化成设备进行控制；采集环境参数，判断所述环境参数超过预定参数范围；若是，调整控制参数并对化成设备进行控制。

[0012] 当所述导入控制参数不在预定参数范围内时，提取预设控制参数，根据所述预设控制参数对化成设备进行控制。

[0013] 所述控制参数包括电流参数、电压参数以及温度参数。

[0014] 所述预定参数范围为电压参数范围为3.0V—4.2V、电流参数范围200mA—600mA以及温度参数范围20oC—35oC。

[0015] 在调整控制参数时，记录调控时间并形成调控时间段，对所述调控时间段的耗能进行计算。

[0016] 所述导入控制参数的步骤包括：通过现有的试验数据建立化成模型并提取控制参数；根据提取控制参数进行化成，进行耗能计算，选择出最低耗能化成模型。

[0017] 所述化成模型是用一个数据表表示化成过程中的电化学参数（电压，电流，温度）以及与之相对应的过程控制时间，表达方式为（U，I，T，t），U表示电压，I表示电流，T表示电池温度，t表示时间，该表达式过程控制时间t内的采用电压值U，电流值I，温度值T对电池化成进行控制。

[0018] 一种控制锂电池化成的装置，其包括：

[0019] 系统控制模块，用于根据导入的控制参数控制电池化成时的环境参数；

[0020] 化成模块，连接于所述系统控制模块，用于根据系统控制模块所提供的控制参数来控制化成环境参数，锂电池在化成模块中完成化成过程；

[0021] 环境参数采集模块，连接于所述化成模块，用于实时采集化成模块中的环境参数；

[0022] 数据处理模块，连接所述环境参数采集模块，用于处理环境参数采集模块的采集数据，判断环境参数超过预定参数范围，再调整控制参数，将数据分别传输给系统控制模块和存储模块；

[0023] 存储模块，连接所述数据处理模块，用于存储化成数据或试验数据，以供系统控制模块提取使用。

[0024] 所述控制参数包括电流参数、电压参数以及温度参数。

[0025] 所述预定参数范围为电压参数范围为3.0V—4.2V、电流参数范围200mA—600mA以及温度参数范围20oC—35oC。

[0026] 本发明相对于现有技术具有如下的优点：

[0027] 1、提高自动化程度，使得锂电池的形成过程更加合理和智能化；

[0028] 2、通过控制化成环境形成较佳的SEI膜；

[0029] 3、通过设备耗能的计算，使得每次电池化成的耗能更加合理，提高电能的利用效率。

附图说明

[0030] 图1是本发明电池化成方法的实施例1流程图。

[0031] 图2是本发明电池化成方法的实施例2流程图。

[0032] 图3是本发明锂电池化成控制设备结构示意图A。

[0033] 图4是本发明锂电池化成控制设备结构示意图B。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0035] 论文《影响锂离子蓄电池负极SEI膜结构及性质的因素》论述了影响锂离子蓄电池负极SEI膜结构及性能的各种因素，其中负极材料种类、导电剂的分布、电解液溶剂、电解质盐、电解液添加剂、杂质、化成条件、环境温度等因素。由于负极材料种类、导电剂的分布、电解液溶剂、电解质盐、电解液添加剂、杂质等条件是在电池化成前就可以进行挑选和处理
的，并可以根据调配好材料的比例得出不同的材料参数和固有特性参数。而在同等的条件
下，通过对化成条件和环境温度的调节则可以使得SEI膜的形成效果进一步得到提高。

[0036] 请参阅图1，一种锂电池化成方法的实施例1，其包括以下步骤：

[0037] S101：导入或输入控制参数；

[0038] 在导入或输入控制参数时，判断控制参数是否在预设参数范围内，是则导入控制参数，否则导入已有化成模型对应的控制参数；

[0039] 化成模型是用一个数据表表示化成过程中的电化学参数（电压，电流，温度）以及与之相对应的过程控制时间，表达方式为（U，I，T，t），U表示电压，I表示电流，T表示电池温度，t表示时间，该表达式过程控制时间t内的采用电压值U，电流值I，温度值T对电池化成进行控制。化成模型表达为（U0，I0，T0，t0）->（U1，I1，T1，t1）->（U2，I2，T2，t2）->（……）->（Un，In，Tn，tn）表示从一个过程控制时间t0到另一个过程控制时间t1，直到完成化成最后工作的过程控制的tn所对应的电压U、电流I以及温度值T的变化。

[0040] 参数范围是指预设的电压、电流以及温度的取值范围；论文《锂电池SEI膜组分拉曼光谱的密度泛函理论及正极材料的实验研究》论述了在试验环境中不同的电压、电流以
及温度对SEI膜形成的影响；而根据这些试验的数据，本实施例将其预设电压值范围为Ua-
Ub、预设电流值范围Ia-Ib以及预设温度范围Ta-Tb。当输入的参数中的任何一个不属于此范围时，则导入已有化成模型的参数。已有化成模型的来源主要有：1、通过现有的试验数据得出，建立的化成模型；2、当系统启动后，根据输入的参数进行化成，并进行耗能计算后，对比选择出耗能最少的化成模型；在本实施例中，系统经过耗能比较后会自动选择耗能最少的
化成模型，提取控制参数。本实施例的预定参数范围采用的是较为原始的实验数据，随着工艺以及技术的改进，其预定参数范围的数据也可手动进行进一步修改。

[0041] 优选地，本实施例中的预设电压值范围为3.0V—4.2V，预设电流值范围200mA—600mA以及预设温度范围20oC—35oC。

[0042] 上面说的不同材料参数和固有特性参数包括负极材料种类、导电剂的分布、电解液溶剂、电解质盐、电解液添加剂、杂质等。

[0043] S102：根据所述控制参数对化成设备进行控制；

[0044] 导入控制参数后，系统根据化成模型的控制参数通过电流控制器、电压控制器以及温度控制器对对应的电流、电压以及温度进行控制。

[0045] 所述环境参数包括电压参数、电流参数以及温度参数。

[0046] S103：集环境参数；由于整个系统持续的工作的时候会产生一定的余热，而这些余热会导致整个系统的温度提高，而温度对电阻会产生影响，导致电流和电压也会产生一定的变化，进而影响到化成的环境。系统要持续地对环境参数进行采集以及持续的控制化成
环境，以保证其化成效果。

[0047] S104：判断环境参数超过预定参数范围，是则进入S105，否则进入S106；

[0048] S105：调整控制参数；在化成的过程中，优质的SEI膜的生成需要将化成环境中的参数值（主要包括电流、电压以及温度等因素）控制在一定的范围内；而以恒流或恒压的方式进行化成时，由于本身在电池中的温度会随着热量的积累而变化，从何使得电流与电压
均会发生变化，当检测到的参数值超出预设参数范围，则需对其进行调控，以保证SEI膜的生成环境。

[0049] 另外，在保证化成环境的基础上，本发明还对其耗能进行评估，并从评估的结果中自动选择出耗能低的化成模型，用以作为下一批产品生产的最优化成模型。如图2所示，调整控制参数并记录调控时间，并进入S102。经过数据处理和比较后，系统控制器根据模型的控制参数对化成的环境参数进行调控；通过记录调控时间，可以计算每次进行调整控制所花的调控时间段，并通过此调控时间段以及调控时各个仪器所用的功率，可以根据公式W=
UIt可以计算出其在每一个时间段所用的电能。将从化成开始到化成结束所消耗的电能W总
都能计算出来。这样，将调控时间段的耗能进行计算，就可以计算出当次化成总的耗能量。
同时，统计多次控制参数导入后的化成耗能的结果，可以选择出最低耗能的控制参数。系统通过对各次化成的消耗再进行比较就可以将耗能低的化成模型（即控制参数）提取出来。通过这个方法，可以不断地对化成模型进行优化，使得批量化生产的锂电池可以节约大量的
电能。

[0050] S106：判断化成是否完成，是则结束化成，否则进入S103；

[0051] 一般来说，判断化成是否完成，可以根据时间来判断，即设定其化成的时间为开始到结束为某个时间段即可（如18个小时）。

[0052] 请参阅图3并结合图4，一种锂电池化成控制设备的实施例，其包括：

[0053] 系统控制模块1，用于根据导入的控制参数控制化成设备；

[0054] 化成模块2，连接于所述系统控制模块，用于根据系统控制模块所提供的控制参数来控制化成环境的参数，锂电池在化成模块中完成化成过程；

[0055] 环境参数采集模块3，连接于所述化成模块，用于实时采集化成模块中的环境参数；

[0056] 数据处理模块4，连接所述环境参数采集模块，用于处理环境参数采集模块的采集数据，判断环境参数超过预定参数范围，再调整控制参数，将数据分别传输给系统控制模块和存储模块；

[0057] 存储模块5，连接所述数据处理模块，用于存储化成数据或试验数据，以供系统控制模块提取使用；

[0058] 系统控制模块1还连接一交互模块6，交互模块6用于输入相应的控制参数；

[0059] 系统控制模块1还连接一上位机系统7，用于连接网络，实现全程网络远程控制和管理；

[0060] 其中，系统控制模块、数据处理模块以及存储模块可采用PC机来实现其功能。

[0061] 环境参数采集模块3包括电流检测器、电压检测器以及温度检测器。

[0062] 电流检测器、电压检测器，由信号滤波器和信号放大器处理后进行采样AD模数转换。

[0063] 温度检测器为热敏电阻或康铜丝通过电信号转换为对应的温度数据。

[0064] 上述的控制参数包括电流参数、电压参数以及温度参数。

[0065] 上述说的预定参数范围为电压参数范围为3.0V—4.2V、电流参数范围200mA—600mA以及温度参数范围20oC—35oC。

[0066] 经过数据处理和比较后，系统控制器根据模型的控制参数对化成的环境参数进行调控；通过记录调控时间，可以计算每次进行调整控制所花的调控时间段，并通过此调控时间段以及调控时各个仪器所用的功率，可以根据公式W=UIt可以计算出其在每一个时间段
所用的电能。将从化成开始到化成结束所消耗的电能W总都能计算出来。这样，将调控时间段的耗能进行计算，就可以计算出当次化成总的耗能量。同时，统计多次控制参数导入后的化成耗能的结果，可以选择出最低耗能的控制参数。系统通过对各次化成的消耗再进行比
较就可以将耗能低的化成模型（即控制参数）提取出来。通过这个方法，可以不断地对化成模型进行优化，使得批量化生产的锂电池可以节约大量的电能。

[0067] 上述的实施例中，交互模块6输入化成模型的参数或上位机系统7导入的化成模型参数，并将数据传输到系统控制模块1，系统控制模块1将对比输入的参数值是否在预设电
压值范围为Ua-Ub、电流值范围Ia-Ib以及温度范围Ta-Tb的范围内，是则得出控制参数，否则导入之前试验所得的化成模型参数，并得出控制参数；系统控制模块1根据得出的控制参数通过电流控制器、电压控制器以及温度控制器对化成模块2中相应的电流、电压以及温度进行控制。环境参数采集模块3中的电流检测器、电压检测器以及温度检测器对相应的电流、电压以及温度进行采集，将采集到的数据发送给数据处理模块4，数据处理模块4根据采集
到的数据对采样参数误差进行计算，最后判断是否超出误差允许范围。当超出误差允许范
围时，记录调控时刻，并分别发送给系统控制模块1以及存储模块5。系统控制模块1根据这一信息，重新对化成模块2的环境进行调控，然后一直重复这一过程直到化成完成。其中，存储模块5会记录每一次调控的时间，数据处理模块4根据这个时间以及系统控制模块调控是
的电流、电压的值，可计算出整个化成过程所消耗的电能，并在存储模块5中记录此化成模型。

[0068] 其他实施例与以上阐述中的大部分内容或功能与此方式相同或可等同，在此不予赘述。

[0069] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范
围之内。