一种锂动力电池化成分容的串联检测系统的制作方法

1.本发明涉及锂离子二次电池化成分容检测技术领域，尤其涉及一种锂动力电池化成分容的串联检测系统。


背景技术：

2.锂离子二次电池生产工序繁多，在注液之后的后处理环节，化成、分容是电池后处理环节中最为关键的工序，需要检测设备来进行充放电。通过化成工序来激活电池；通过分容工序进行容量分选、性能筛选分级。传统的化成、分容检测系统使用的是并联技术方案,即每个电池化成、分容采用独立的充放电电源，该方案在能效、精度等性能方面已经难以得到较大提升和突破。
3.锂动力电池串联检测技术作为一种新技术，能显著提高电池串联充放电由于效率提升和提升电池的一致性。随着锂电池容量的加大，电芯从几安时、几十安时逐步发展到几百安时，串联电池的系统容量越来越大；另外一些工艺要求也越来越高，如单电池放电到电压很低(1v以下，甚至到0v)等，为适应这些新要求，必须发明全新的拓扑架构。如采用多功率模块并联模式，增加补电模块等。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
5.本发明实施例提供了一种锂动力电池化成分容的串联检测系统，包括：
6.双向功率模块，所述双向功率模块包括至少一个ac-dc模块和至少一个dc-dc模块，所述双向功率模块通过所述ac-dc模块与所述dc-dc模块的不同组合方式提供不同功率，与不同数量电池组成串联电路，实现电池充放电
7.电池串联主电路，连接所述双向功率模块和补电电源，所述电池串联主电路包括串联连接的若干个开关控制模块和若干个电池，每个所述开关控制模块用于控制单个所述电池的连接或在线退出；
8.补电电源，与所述电池串联主电路串联连接，用于提高所述电池串联主电路的电压，实现在所述电池串联主电路仅剩一个所述电池的情况下继续充放电，直至满足化成或分容工艺的截止电压；
9.压床，包括探针或夹具，所述探针或所述夹具通过线缆与所述开关控制模块连接，所述压床还包括压合机构，所述压合机构通过电气控制实现电池的正负极与所述探针或所述夹具接触，以使所述电池接入到所述开关控制模块；
10.控制系统，是信息采集、控制、交互的枢纽，所述控制系统在执行化成分容工艺流程的过程中，控制所述压合机构将所述电池与所述探针或所述夹具连接、通过所述开关控制模块将所述电池串联接入所述电池串联主电路、控制所述双向功率模块对所述电池串联主电路上的电池进行充放电，并实时采集电池数据，控制电池在线退出和/或执行化成分容
工艺流程的安全管控操作；
11.监控中心，用于下发化成分容工艺流程的执行指令、根据所述电池数据监控分容工艺流程的运行状况以及存储、统计、分析所述电池数据。
12.本发明实施例提供的电池串联化成分容的检测系统，至少具有如下有益效果：本发明实施例通过双向功率模块中ac-dc模块与dc-dc模块不同的组合方式提供不同的功率，应对不同数量的电池进行串联化成或分容工艺时不同的电流需求，从而适应电池灵活多变的检测需求；另外，本发明实施例还提供与电池串联主电路串联连接的补电电源，可以提高电池串联主电路的电压，实现在电池串联主电路仅剩一个电池的情况下仍然能够继续充放电，直至满足化成或分容工艺的截止电压。
13.在一些实施例中，所述ac-dc模块包括第一输入端和第一输出端，所述dc-dc模块包括第二输入端和第二输出端，所述第一输入端连接交流电网，所述第一输出端连接所述第二输入端，所述第二输出端连接所述电池串联主电路。
14.在一些实施例中，所述ac-dc包括两种模式，一种是工频变压器隔离型ac-dc，另一种是高频变压器隔离型ac-dc，所述ac-dc模块为两个以上，所述ac-dc模块之间并联连接，所述控制系统对所述ac-dc模块之间采用均流控制，所述dc-dc模块为两个以上，所述dc-dc模块之间并联连接，所述控制系统对所述dc-dc模块之间采用均流控制。
15.在一些实施例中，所述探针包括电流探针和电压探针，所述夹具包括电流夹具和电压夹具，所述压床系统用于将电池托盘上的电池的正负极分别与所述电流探针或所述电流夹具、所述电压探针或所述电压夹具通过压合后接触。
16.在一些实施例中，所述开关控制模块包括直路开关模块和旁路开关模块，所述直路开关模块与电池串联，所述旁路开关模块并联于所述直路开关模块与电池组成的支路，每个所述开关控制模块独立控制每个所述电池串联接入所述电池串联主电路或者退出所述电池串联主电路。
17.在一些实施例中，所述直路开关模块和所述旁路开关模块根据电池串联结构和充放电需求，由若干个电子开关管组合得到，所述直路开关模块和所述旁路开关模块互锁控制，以实现防止电池放反、电池在线退出的功能。
18.在一些实施例中，所述直路开关模块和所述旁路开关模块包括电气控制开关，所述电气控制开关并联有二极管。
19.在一些实施例中，所述补电电源为具备整流和逆变能力的双向直流电源，所述检测系统包括至少一个所述补电电源，以提高所述双向功率模块的直流侧电压。
20.在一些实施例中，所述控制系统还包括采集模块，所述采集模块包括用于检测电池电压的电压检测模块、用于检测电池电流的电流检测模块和用于检测电池温度的温度检测模块，所述控制系统还用于接收所述监控中心下发的所述执行指令和向所述监控中心上传所述电池数据，所述电池数据包括电池电压、电池电流和电池温度。
21.在一些实施例中，所述压床用于根据所述监控中心下发的所述执行指令控制所述探针或所述夹具与所述电池接触或分离。
22.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
23.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的示例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
24.图1是本发明一个实施例提供的检测系统的结构连接示意图；
25.图2是本发明一个实施例提供的直路开关和旁路开关与电池连接的电路示意图；
26.图3-5是本发明一个实施例提供的开关模块的三种电路图；
27.图6-9是本发明一个实施例提供的双向功率模块的模块连接示意图；
28.图10-12是本发明一个实施例提供的双向功率模块和库位配置关系的连接示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
30.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特有的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
31.需要说明的是，说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
32.目前锂动力电池(锂二次电池)的化成分容设备通常采用电池并联的形式进行化成或分容工艺，每个通道对应一个电池进行充放电，那么对n个电池进行化成分容时就要n条从电源到电池的功率线，导致了功率回路多、器件和线路损耗较大、设备成本高等问题。如果采用电池串联的形式进行化成或分容，则只需要采用一条串联线路和一个电源，就能保持串联线路上的电流一致，有利于提升电池的性能，节约了电缆并减少了电缆上的线路损耗。
33.基于此，本发明实施例提供了一种锂动力电池化成分容的串联检测系统，基于电池串联化成分容的形式，构建一套化成分容的全流程检测系统，并且针对不同数量电池的电流需求不同的情况，采用ac-dc模块和dc-dc模块组合为电池提供相匹配的电流，满足不同的化成分容场景需求。
34.下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
35.参照图1，本发明实施例提供了一种检测系统，包括：
36.双向功率模块，所述双向功率模块包括至少一个ac-dc模块和至少一个dc-dc模块，所述双向功率模块通过所述ac-dc模块与所述dc-dc模块的不同组合方式提供不同功率，与不同数量电池组成串联电路，实现电池充放电
37.电池串联主电路，连接所述双向功率模块和补电电源，所述电池串联主电路包括串联连接的若干个开关控制模块和若干个电池，每个所述开关控制模块用于控制单个所述电池的连接或在线退出；
38.补电电源，与所述电池串联主电路串联连接，用于提高所述电池串联主电路的电压，实现在所述电池串联主电路仅剩一个所述电池的情况下继续充放电，直至满足化成或
分容工艺的截止电压；
39.压床，包括探针或夹具，所述探针或所述夹具通过线缆与所述开关控制模块连接，所述压床还包括压合机构，所述压合机构通过电气控制实现电池的正负极与所述探针或所述夹具接触，以使所述电池接入到所述开关控制模块；
40.控制系统，是信息采集、控制、交互的枢纽，所述控制系统在执行化成分容工艺流程的过程中，控制所述压合机构将所述电池与所述探针或所述夹具连接、通过所述开关控制模块将所述电池串联接入所述电池串联主电路、控制所述双向功率模块对所述电池串联主电路上的电池进行充放电，并实时采集电池数据，控制电池在线退出和/或执行化成分容工艺流程的安全管控操作；
41.监控中心，用于下发化成分容工艺流程的执行指令、根据所述电池数据监控分容工艺流程的运行状况以及存储、统计、分析所述电池数据。
42.为了实现电池串联化成或分容，检测系统的化成分容库位中设置电池串联主电路，电池串联主电路通过若干个开关控制模块串联形成，每个开关控制模块都可以连接单个电池以对该电池进行充放电，从而通过串联的开关控制模块实现电池的串联连接。由于串联电路的特性，串联中某一点断开会导致整个串联电路断开，因此，本发明实施例的电池串联化成分容检测系统具备电池在线退出的功能。具体来说，对于每个开关控制模块，开关控制模块包括直路开关和旁路开关，直路开关与电池串联，旁路开关并联于直路开关与电池组成的支路，直路开关接通而旁路开关断开时，双向功率模块可以对电池进行充放电，当某一个电池需要退出当前化成或分容工艺时，先关断其中一组直路开关，利用该直路开关上的体二极管或开关并联二极管续流，然后接通旁路开关而最后断开另外一组直路开关，完成电池串联主电路电流从直路到旁路的在线切换过程，即可在保持电池串联主电路连通的情况下，将相应的电池退出化成分容工艺。其中，直路开关和旁路开关采用互锁控制，电流从直路到旁路的在线切换过程中，可以防止电池短路和串联电路开路。
43.对于直路开关和旁路开关的结构，直路开关和旁路开关根据不同电池结构和需求，由电子开关管进行不同组合，并可以摆放在不同位置，可以参见图2的电路连接示意图。下面通过具体例子对直路开关和旁路开关的结构进行说明。
44.第一个例子通过以下方式实现：参照图3，直路开关包括第一开关管和第二开关管，旁路开关包括第三开关管，第一开关管、第二开关管和第三开关管均具有体二极管或并联有单向二极管，第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第三开关管一极连接。以第一开关管、第二开关管和第三开关管均为mosfet为例，第一开关管、第二开关管和第三开关管均具有体二极管，体二极管的方向为从源极到漏极的方向，在电路结构上，第一开关管和第二开关管处于同一支路，第一开关管和第三开关管分别处于一极连接的两个支路。由图2可知，在电池已接入直路开关的情况下，第一开关管和第二开关管导通，第三开关管截止，此时将电池退出，则先关断第二开关管，然后导通第三开关管，使得直路开关被旁路，电流改由第三开关管通过，最后关断第一开关管，即可将电池从电池串联主电路中退出。通过上述方法，对于每个开关控制模块，都可以单独控制实现对电池的在线退出，不会对电池串联主电路中的其他电池造成影响。可以理解的是，上述mosfet仅为开关管的一种实现方式，上述开关管还可以采用igbt、并联有二极管的继电器等实现。
45.第二个例子通过以下方式实现：参照图4，直路开关包括第一开关管和第二开关
管，旁路开关包括第三开关管和第四开关管，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均具有体二极管或并联有单向二极管，第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第三开关管一极连接。以第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为mosfet为例，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均具有体二极管，体二极管的方向为从源极到漏极的方向，在电路结构上，第一开关管和第二开关管处于同一支路，而第三开关管和第四开关管处于同一支路，第一开关管和第三开关管分别处于一极连接的两个支路。由图3可知，在电池已接入直路开关的情况下，第一开关管和第二开关管导通，第三开关管截止，此时将电池退出，则先关断第二开关管，电流通过第二开关管的体二极管或并联二极管续流，然后导通第三开关管，第四开关管可以导通或保持关断，使得直路开关被旁路，电流改由第三开关管通过，最后关断第一开关管，即可将电池从电池串联主电路中退出。通过上述方法，对于每个开关控制模块，都可以单独控制实现对电池的在线退出。不会对电池串联主电路中的其他电池造成影响。可以理解的是，上述mosfet仅为开关管的一种实现方式，上述开关管还可以采用igbt、并联有二极管的继电器等实现。
46.可以理解的是，第一开关管和第二开关管与电池之间的串联位置关系可根据需要调整，例如，参照图5，第一开关管、电池和第二开关管依次串联。本发明实施例不限定第一开关管和第二开关管与电池之间的串联位置关系，也不限定直路开关只能由第一开关管和第二开关管组成，当然也不限定旁路开关只能由第三开关管和第四开关管组成。由于组成方式很多，在此不一一列举，通过电子开关管实现电池在线退出功能均应在本发明的保护范围内。
47.上述开关控制模块的安装组合是多样的，可以根据不同的电池需求和库位的安装空间进行定制设计，既可以单独安装，也可以组合安装，例如，可以将单个开关控制模块安装在pcb板上，也可以单个开关控制模块封装在一个安装盒里，可以多个开关控制模块集中安装在pcb板上，也可以多个开关控制模块封装在一个安装盒里。
48.双向功率模块中ac-dc包括两种模式，一种是工频变压器隔离型ac-dc，另一种是高频变压器隔离型ac-dc。ac-dc模块包括第一输入端和第一输出端，dc-dc模块包括第二输入端和第二输出端，第一输入端连接交流源，第一输出端连接第二输入端，第二输出端连接电池串联主电路。值得注意的是，双向功率模块可以通过多种方式实现，下面以几种具体的方式进行举例说明。
49.参照图6，双向功率模块包括一个ac-dc模块和一个dc-dc模块，ac-dc模块的第一输入端连接三相交流输入，ac-dc模块的第一输出端为直流输出并连接dc-dc模块的第二输入端，dc-dc模块的第二输出端同样为直流输出并连接电池串联主电路的输入端，为电池串联主电路提供直流源。
50.参照图7，双向功率模块包括多个ac-dc模块和一个dc-dc模块，多个ac-dc模块的第一输入端均连接三相交流输入，多个ac-dc模块的第一输出端均连接到dc-dc模块的第二输入端，该dc-dc模块的第二输出端并接到电池串联主电路的输入端，其中，多个ac-dc模块处于并联连接，ac-dc模块之间采用均流控制。
51.参照图8，双向功率模块包括一个ac-dc模块和多个dc-dc模块，该ac-dc模块的第一输入端连接三相交流输入，该ac-dc模块的第一输出端分离出多条线路连接到多个dc-dc模块的第二输入端，多个dc-dc模块的第二输出端并接到电池串联主电路的输入端，其中，
多个dc-dc模块处于并联连接，dc-dc模块之间采用均流控制。
52.参照图9，双向功率模块包括多个ac-dc模块和多个dc-dc模块，多个ac-dc模块的第一输入端均连接三相交流输入，多个ac-dc模块的第一输出端分离出多条线路连接到多个dc-dc模块的第二输入端，多个dc-dc模块的第二输出端并接到电池串联主电路的输入端，其中，多个ac-dc模块处于并联连接，ac-dc模块之间采用均流控制，多个dc-dc模块处于并联连接，dc-dc模块之间采用均流控制。
53.对于化成分容库位中电池数量的限制，本发明实施例通过ac-dc模块和dc-dc模块不同的组合方式提供相应的功率。其中双向功率模块的输入端连接交流电网(通常接入到380v ac或220v ac)，提供了交流电网取电和将电池的电量回馈到交流电网功能。
54.可以理解的是，上述补电电源为具备整流和逆变能力的双向直流电源，检测系统包括至少一个补电电源(一个或两个以上并联连接)，以提高电池串联主电路的电压，实现电池串联主电路中在仅剩一个电池的情况下仍然能够继续充放电，直至满足化成或分容工艺的截止电压，值得注意的是，补电电源在电池串联主电路中可以设置在不同的位置，例如设置在电池串联主电路的电池和电池之间，设置在电池串联主电路的起始位置或末尾位置等等(下述图10至图12中仅举例补电电源设置在电池串联主电路的起始位置)，在此不作限定。
55.参照图10，当只有一个化成分容库位，且一个双向功率模块能够为该化成分容库位中的电池提供足够的功率，则可以一个双向功率模块对应一个化成分容库位。
56.参照图11，当化成分容库位有多个，化成分容库位之间通过电池串联电路串接起来，一个双向功率模块内部的acdc和dcdc组合可以参照上述图6至9中一对一、多对一、一对多和多对多组合方式，如果一个双向功率模块能够为这些化成分容库位中的电池提供足够的功率，则可以一个双向功率模块对应多个化成分容库位。在一些情况下，如果一个双向功率模块不能够为这些化成分容库位中的电池提供足够的功率，则可以采用两个或两个以上的双向功率模块，将这些双向功率模块组合起来(如通过线缆并联)为电池提供足够的功率。
57.参照图12，当电池数量过多，即使电池均处于同一个库位，如果一个双向功率模块无法为化成分容库位中的这些电池提供足够的功率，那么将在化成分容库位中构建多条电池串联主电路，每一条或者每两条以上电池串联主电路对应一个双向功率模块，此时则构成多个双向功率模块对应一个化成分容库位。
58.可以理解的是，上述仅为针对不同电池数量采用不同供电方式的举例，结合上述ac-dc模块和dc-dc模块组合的方式，当单个模块不能满足电流输出要求时，可采用两个或多个模块并联，实现均衡、高精度输出大电流，满足数量多或大容量电池充放电电流要求。
59.对于压床，压床包括气缸、电池托盘和电池探针，通过电气控制气缸动作，通过气缸动作控制电池托盘的位置，以控制电池探针与电池的正负极接触，其中电池探针包括电流探针和电压探针。压床是电池自动化生产的机械传送、压接的工作平台，控制系统通过向压床发送控制信号，压床可以根据控制信号控制托盘上升、下降，以及控制电池探针与电池的正负极接触，完成电池串联主电路与电池的物理连接等，压床还包括负压控制、托盘检测、气缸位置检测和烟雾报警等功能，在此不展开一一详述。另外，压床还可以采用夹具式的或者其他形式的机械结构，以满足电池进行化成分容不同的机械操作需求，在此也不一
一列举。可以理解的是，上述压床中的电池探针可以替换成电池夹具，电池夹具通过接触电池的正负极进行分成或分容工艺流程，这种情况下，夹具包括电流夹具和电压夹具。
60.本发明实施例的检测系统还包括信息采集模块，信息采集模块包括用于检测电池电压的电压检测模块，电压检测模块与控制系统信号连接，控制系统通过接收采集模块的电压信号，能够实时监控电池的运行工况，避免电池出现过压过流。
61.除了信息采集模块，本发明实施例的检测系统还可以包括其他辅助模块，例如温度传感器采集电池的正极温度和负极温度，为检测系统提供过温监测。其他辅助模块可以根据监控需要自行设置，在此不一一列举。
62.基于信息采集模块，本发明实施例的电池串联主电路同样具有电池防反接的功能，当电池以相反方向接入开关控制模块，电压检测模块可以获知电池串联主电路中的电压情况，当超过正常电压范围(如电压正负相反)，控制系统即可发出警报或断开当前电池接入的开关控制模块，避免发生电池反接危险。
63.本发明实施例的检测系统的具体连接关系可以参照图1，包括多个组件，主要是监控中心、控制系统、双向功率模块、电池串联主电路、补电电源、压床(包括电池托盘)，各个部分之间通过内部总线互联，完成命令发送、执行和信息交互等功能。例如，监控中心根据电池化成分容工艺需要进行工艺编辑和下发，包括工步状态、工步时间、电流、上限电压、下限电压、截止电流、截止容量、工步保护参数和负压参数等参数设置，同时，还负责数据显示和数据分析，即显示各串联电池的工步状态、工步时间、电池电压、电流、容量、能量、电流线电压、辅助电压、电池正极温度、电池负极温度等，另外还对串联电池的运行工况进行监视和故障报警显示。而控制系统用于系统控制和信息采集，与监控中心进行信息交互，同时还与双向功率模块、电池串联主电路、补电电源、压床等进行交互控制和指令发送，例如，控制系统根据化成分容的工艺流程，发送开通和关断命令给电池串联主电路，实现直路开关和旁路开关的通断控制，控制系统还接收电池串联主电路的所有电池的运行工况数据，对数据进行处理后发送给监控中心。
64.上述锂动力电池串联化成分容的检测系统，通过化成分容库位中的电池串联主电路实现电池的串联连接，同时控制系统可以通过单独的开关控制模块独立控制每个电池在化成分容工艺过程中的在线退出；另一方面，本发明的双向功率模块通过采用ac-dc模块与dc-dc模块的不同组合方式提供不同的功率，从而满足不同数量的电池进行化成分容工艺时不同的电流需求。
65.以上是对本技术的较佳实施进行了具体说明，但本技术并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本技术精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。