CN105988085A - 一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法，包括：对所述退役电动汽车电池进行基本性能检验、电池关键性能抽样检测和电池内特性的检测；所述基本性能检验包括电池外观的检查、电池开路电压和内阻的检查、电池容量和能量的检测及电池荷电保持能力的检测；所述电池关键性能抽样检测包括：电池寿命特性的检测、电池环境适应性的检测、电池倍率特性的检测和电池安全性能的检测；所述电池内特性的检测包括：电极片形态及材料结合情况分析、隔膜的形态及老化情况、材料晶体结构分析及成分分析、材料可用容量及电化学循环性能分析、电极表面固体电解质界面分析。通过本发明的方法，对电池的基本参数进行全检，对电池的关键参数和内特性进行抽检，较准确的评价电池健康状态。

Description

一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种电池储能技术领域的方法，具体讲涉及一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法。

背景技术

电动汽车对动力电池的性能要求较高，当动力电池的容量下降到一定程度后，为了确保电动汽车的动力性能、续驶里程和运行过程中的安全性能，就必须对其进行更换。从电动汽车上更换下来的电池，仍具有较高的剩余容量。锂离子电池具有比能量高、温度特性好、循环寿命长等优点，在作为电动汽车动力电池退役后，经过筛选和重新配组，有可能应用于工况相对良好、对电池性能要求相对较低的场合，实现动力电池的梯次利用。

由于电池经过了在电动汽车上的长期使用，使得电池在梯次利用前，必须对电池的健康状态进行评价，以确定电池是否还能进行再利用，可以在什么样的工况下进行再利用，这样可确保退役电动汽车动力电池在再利用过程中的安全性，还能充分发挥电池的剩余性能。

对于从电动汽车上退役下来动力电池的健康状态，现有技术中尚未有系统的健康状态评估方法。电池的健康状态由很多电池性能参数共同决定，且这些参数之间又有一定的关联关系，这也就造成了电池健康状态评价的复杂性。因此，需要提供一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法。

电池健康状态的外在表现是电池的外特性参数，主要包括电池的外观、开路电压、内阻、容量、能量、荷电保持能力、寿命特性、环境适应性、倍率特性和安全特性，在这些特性中，外观、开路电压、内阻、容量、能量、荷电保持能力能够较快的通过检测获得，且这些检测不会损伤到电池的性能；而电池的寿命特性、环境适应性、倍率特性和安全特性的获取，需要的时间相对较长，并且这些检测在一定程度上会损伤电池的性能，有的甚至是直接破坏电池，导致电池无法再使用。

电池健康状态的内因，是电池的内特性，主要包括正负极晶体结构的变化、正负极表面形貌的变化、电解液成分的变化、负极表面固体电解质界面膜成分的变化、正负极材料容量的变化等内容。通过研究电池内特性的研究，找出电池健康状态与电池内特性之间的关系。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法，所述方法包括：对所述退役电动汽车电池进行基本性能检验、电池关键性能抽样检测和电池内特性的检测；

所述基本性能检验包括电池外观的检查、电池开路电压和内阻的检查、电池容量和能量的检测及电池荷电保持能力的检测；

所述电池关键性能抽样检测包括：电池寿命特性的检测、电池环境适应性的检测、电池倍率特性的检测和电池安全性能的检测；

所述电池内特性的检测包括：电极片形态及材料结合分析、隔膜的形态及老化情况分析、材料晶体结构分析及成分分析、材料可用容量及电化学循环性能分析、电极表面固体电解质界面分析。

优选地，所述电池外观的检查为：检查电池有无外观损坏；

所述电池开路电压和内阻的检查为：通过定频内阻仪检测电池的开路电压和内阻；

所述电池容量和能量的检测为：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1/3C倍率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，电池最后充至满电状态；

所述电池荷电保持能力的检测为：将充至满电状态的电池在25℃的环境中放置7天，再以1/3C倍率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，计算电池的荷电保持能力。

优选地，所述电池关键性能包括：电池的寿命特性、环境适应性、倍率特性、安全性能以及电池的内特性；

所述电池关键性能抽样检测前，根据电池基本性能对电池进行分档，对每档的电池进行电池关键性能抽样检测，每项测试分别抽取至少3支电池作为检测样品进行测试。

优选地，所述电池寿命特性的检测为：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1C倍率对电池进行循环寿命的测试。

优选地，所述电池环境适应性包括电池在不同温度下的充电性能、放电性能和循环性能；所述电池环境适应性的检测方法包括：

所述电池在不同温度下的充电性能检测，包括以下步骤：电池在25℃的环境温度下，以一定电流对电池充满电；将所述电池放入环境测试箱，所述电池连接充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以1/3C倍率对电池进行充放电，考察电池在不同温度下的放电容量或能量；当所述电池的放电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

所述电池在不同温度下的充电性能检测，包括以下步骤：电池在25℃的环境温度下，以一定电流对电池放完电，将所述电池放入所述环境测试箱，所述电池连接充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定倍率对电池进行充电，考察电池在不同温度下的充电容量或能量；当所述电池的充电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

所述电池在不同温度下的循环性能检测，包括以下步骤：将电池放入所述环境测试箱，所述电池连接所述充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定电流或者功率对电池进行充放电，考察电池的循环寿命；当所述电池的寿命低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

优选地，所述电池倍率特性的检测包括倍率充电特性检测和倍率放电特性检测；

所述倍率充电特性检测的方法为：在一定环境稳定中，将所述电池连接充放电检测仪，分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率对电池进行充电测试，检查所述电池在不同倍率下充入的容量和能量；

所述倍率放电特性检测的方法为：在一定环境稳定中，将所述电池连接所述充放电检测仪，以一定电流对电池充满电，分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率对电池进行放电测试，检查所述电池在不同倍率下放出的容量和能量。

优选地，所述电池安全性能的检测为：对所述电池进行包括过充电试验、过放电试验、针刺试验、加热试验和挤压试验的安全性能检测。

优选地，所述电极片形态及材料结合分析，包括以下步骤：查看所述电池的正极片和负极片是否完整，观察极片上电极活性涂层与集流体的结合情况及涂层材料相互间的粘接是否完好；

所述隔膜的形态及老化情况分析，包括以下步骤：观察所述电池的电芯内隔膜形态是否完好，将所述隔膜的样品用碳酸二甲脂清洗后真空干燥，采用拉力试验机检测隔膜的纵向、横向拉伸强度，采用TG/DSC测试隔膜的熔融温度；

所述材料晶体结构分析及成分分析，包括以下步骤：将所述电池的正极片和负极片用碳酸二甲脂清洗；用X射线粉末衍射检测正极片和负极片材料晶体结构，计算材料的晶胞参数；测试材料中金属元素的组分及含量，与未使用过的正负极材料作对比，找出材料晶体结构的变化；分析出负极表面的金属元素析出的量，判断正极材料的溶解程度；

所述材料可用容量及电化学循环性能分析，包括以下步骤：取得所述电池的正极片和负极片的样品用碳酸二甲脂清洗，去除极片其中一侧的涂层之后真空干燥，将极片涂层与金属 锂组装成扣式电池，采用适合的锂离子电池电解液及隔膜，测试正负极活性涂层的可用容量，并采用一定电流对半电池进行充放电测试，测评电池的充放电循环性能，计算其容量随循环次数的变化，找出正负极材料的容量衰减与电池容量衰减之间的关系；

所述电极表面固体电解质界面分析，包括以下步骤：将取得电池负极样品用碳酸二甲脂清洗，刮取少量的电极材料，通过透射电子显微镜观察活性物质颗粒表面的SEI层的厚度，分析SEI层的各类元素。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的方法中，对用时较短的电池参数进行全检，对用时较长的检测进行抽检，实现了电池参数的快速检测；

2、本发明提供的方法中，对电池的基本参数进行全检，对电池的关键参数和内特性进行抽检，可较准确的评价电池健康状态。

3、本发明提供的方法中，系统测评了退役汽车电池的输出特性，性能表现，并可以全面评价退役汽车电池的健康状态，可以根据测试结果，指导推运汽车电池适合应用的工况，提高退运汽车电池梯次利用的经济性。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法，该方法包括：对退役电动汽车电池进行基本性能检验、电池关键性能抽样检测和电池内特性的检测。

1、基本性能检验

电池的基本性能主要包括：电池的外观、开路电压、内阻、容量、能力和荷电保持能力。对电池以上这些性能的检测，可以在较短时间内完成，并且这些检测不会损伤电池的性能，因此对电池这些性能进行全检。

基本性能检验包括电池外观的检查、电池开路电压和内阻的检查、电池容量和能量的检测及电池荷电保持能力的检测；

①、电池外观的检查：检查电池有无壳体变形、漏液、极耳断裂、包装材料破损、胀气等情况出现；判断电池外观有无损坏。

②、电池开路电压和内阻的检查：用定频内阻仪检测电池的开路电压和内阻；

③、电池容量和能量的检测：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1/3C倍 率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，电池最后充至满电状态；

④、电池荷电保持能力的检测：充至满电态的电池，在25℃的环境中放置7天，再以1/3C倍率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，计算电池的荷电保持能力。

2、电池关键性能抽样检测

电池的关键性能主要包括：电池的寿命特性、环境适应性、倍率特性、安全性能以及电池的内特性。对电池这些性能的检测，都会在一定程度上损伤电池的性能，有的甚至直接破坏电池，导致电池无法再利用，因此对以上电池关键性能的检测，需采用抽检的方式。

在电池关键性能抽样检测前，根据电池基本性能：电池的开路电压、内阻、容量、能量和荷电保持能力等基本性能，对电池进行分档，对每档的电池进行电池关键性能抽样检测，每项检测内容在每档中至少抽取3支电池作为检测样品。

①、电池寿命特性的检测：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1C倍率对电池进行循环寿命的测试。

②、电池环境适应性的检测

电池环境适应性包括电池在不同温度下的充电性能、电池在不温度下的放电性能，及电池在不同温度下的循环性能，检测方法分别为：

I、电池在不同温度下的放电性能：电池在25℃的环境温度下，以一定电流(如1/3C，但不高于电池制造商推荐的最大充电电流)对电池充满电，之后将电池放入环境测试箱中，将所述电池的正负极与充放电检测仪连接，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以1/3C倍率对电池进行充放电，考察电池在不同温度下的放电容量或能量；当电池放电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用。若满足要求，则认为适合二次利用。

II、电池在不同温度下的充电性能：电池在25℃的环境温度下，以一定电流(如1/3C，但不高于电池制造商推荐的最大放电电流)对电池放完电，之后将电池放入环境测试箱中，将所述电池的正负极与充放电检测仪连接，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定的倍率(如1/3C，但不高于电池制造商推荐的最大充电电流)对电池进行充电，考察电池在不同温度下的充电容量或能量；当电池充电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用。若满足要求，则认为适合二次利用。

III、电池在不同温度下的循环性能：将电池放入环境测试箱中，将所述电池的正负极与充放电检测仪连接，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定电流或者功率(如1/3C，但不高于电池制造商推荐的最大充放电电流，或功率)对电池进行充放电， 考察电池的循环寿命，当寿命低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用。若满足要求，则认为适合二次利用。

由于退役汽车电池检测没有标准，主要看电池将应用于什么样的工况，满足工况要求为合格，不满足为不合格，比如，轻型车辆、UPS/EPS等，不同应用方法对电池的要求不同，所以难以给出确定的数值来)。因此，上述二次应用工况要求根据电池具体应用处的工况要求确定。

③、电池倍率特性的检测

电池倍率特性的检测包括倍率充电或者倍率放电特性检测。

倍率充电特性检测方法为：在25℃的环境(或者其他温度)中，将电池与充放电检测仪连接，然后分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率(不高于电池制作商推荐的最大工作倍率)对电池进行充电测试，检查电池在不同倍率下能够充入的容量、能量；

倍率放电特性检测方法为：在25℃(或者其他温度)的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以一定电流(如1/3C，但不高于电池制造商推荐的最大充电电流)对电池充满电，然后分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率(不高于电池制作商推荐的最大工作倍率)对电池进行充电测试，检查电池在不同倍率下能够放出的容量、能量。

④、电池安全性能的检测：根据动力电池相关国家标准，对其进行安全性能检测。

检测内容主要包括：对所述电池进行包括过充电试验、过放电试验、针刺试验、加热试验和挤压试验的安全性能检测。

3、电池内特性的检测

电池内特性的检测可以包括：材料晶体结构分析及成分分析、电极表面形貌分析、电极片形态及材料结合情况分析、隔膜的形态及老化情况分析、电解液成分分析、材料可用容量及电化学循环性能分析、电极表面固体-电解质界面(SEI)分析等。

电池内特性的检测前，根据电池基本性能对电池进行分档，从每档电池中选取3支样品，在手套箱中进行拆解并取样。拆解方法为：观察电池极耳内部电芯的连接(一般为焊接)情况，之后，在一定部位切断电芯极耳，使得电芯与电池壳体、盖板或者铝塑膜包装材料分离。

分别对上述方法进行具体说明:

①、材料晶体结构分析及成分分析：将取得样品用碳酸二甲脂清洗；用X射线粉末衍射检测正负极材料的晶体结构，计算材料的晶胞参数；采用ICP/OES等测试材料中金属元素的组分及含量。与未使用过的正负极材料作对比，找出材料晶体结构的变化；分析出负极表面的金属元素析出的量，判断正极材料的溶解程度。

②、电极表面形貌分析包括：将取得样品用碳酸二甲脂清洗，然后扫描电镜观察电极的表面形貌；并与未使用过的电极样品作对比，掌握电极表面形貌的变化情况。

③、电极片形态及材料结合情况分析包括：小心拆开电池电芯，展开电池正极片、负极片，观察极片的完整性，观察极片上电极活性涂层与集流体的结合情况，以及涂层材料相互间的粘接情况。

④、隔膜的形态及老化情况分析包括：小心拆开电池电芯，取出隔膜，观察隔膜形态，有无破裂、热收缩、微短路点，将取得隔膜样品用碳酸二甲脂清洗，后真空干燥，之后采用拉力试验机检测隔膜的纵向、横向拉伸强度，采用TG/DSC测试隔膜的熔融温度。

⑤、电解液成分分析包括：用碳酸二甲脂溶解出电极中的电解液；然后用色谱和质谱分析电解液的成分和各成分的含量；并与未使用过的电解液样品作对比，掌握电池在经过长期使用后，电解液的成分以及各成分含量的变化情况。

⑥、材料可用容量及电化学循环性能分析包括：将取得的电池正负极片样品用碳酸二甲脂清洗，去除极片其中一侧的涂层，之后真空干燥，将极片涂层与金属锂组装成扣式电池，采用适合的锂离子电池电解液以及隔膜，测试正负极活性涂层的可用容量，并采用一定的电流对半电池进行充放电测试，测评电池的充放电循环性能，计算其容量随循环次数的变化，找出正负极材料的容量衰减与电池容量衰减之间的关系。

⑦、电极表面固体电解质界面(SEI)分析包括：将取得电池负极样品用碳酸二甲脂清洗，刮取少量的电极材料，通过透射电子显微镜(TEM)观察活性物质颗粒表面的SEI层的厚度，分析SEI层的各类元素。

通过观察退运汽车电池内部特性参数的变化程度、趋势及规律，可以分析电池的性能老化、衰退的内在原因，也可分析电池是否存在内在的安全隐患，同时，也有助于判断电池性能发展趋势等；同时，将退运汽车电池内特性分析结果，结合退运汽车电池各项性能测试，对比新电池的相关参数，可以建立内特性参数和电池健康状态之间的关系。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种退役电动汽车动力电池健康状态评估方法，其特征在于：所述方法包括：对所述退役电动汽车电池进行基本性能检验、电池关键性能抽样检测和电池内特性的检测；

所述基本性能检验包括电池外观的检查、电池开路电压和内阻的检查、电池容量和能量的检测及电池荷电保持能力的检测；

所述电池关键性能抽样检测包括：电池寿命特性的检测、电池环境适应性的检测、电池倍率特性的检测和电池安全性能的检测；

所述电池内特性的检测包括：电极片形态及材料结合分析、隔膜的形态及老化情况分析、材料晶体结构分析及成分分析、材料可用容量及电化学循环性能分析、电极表面固体电解质界面分析。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池外观的检查为：检查电池有无外观损坏；

所述电池开路电压和内阻的检查为：通过定频内阻仪检测电池的开路电压和内阻；

所述电池容量和能量的检测为：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1/3C倍率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，电池最后充至满电状态；

所述电池荷电保持能力的检测为：将充至满电状态的电池在25℃的环境中放置7天，再以1/3C倍率对电池进行充放电测试，循环3次，记录电池的容量和能量，计算电池的荷电保持能力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池关键性能包括：电池的寿命特性、环境适应性、倍率特性、安全性能以及电池的内特性；

所述电池关键性能抽样检测前，根据电池基本性能对电池进行分档，对每档的电池进行电池关键性能抽样检测，每项测试分别抽取至少3支电池作为检测样品进行测试。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池寿命特性的检测为：在25℃的环境中，将电池与充放电检测仪连接，以1C倍率对电池进行循环寿命的测试。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池环境适应性包括电池在不同温度下的充电性能、放电性能和循环性能；所述电池环境适应性的检测方法包括：

所述电池在不同温度下的充电性能检测，包括以下步骤：电池在25℃的环境温度下，以一定电流对电池充满电；将所述电池放入环境测试箱，所述电池连接充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以1/3C倍率对电池进行充放电，考察电池在不同温度下的放电容量或能量；当所述电池的放电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

所述电池在不同温度下的充电性能检测，包括以下步骤：电池在25℃的环境温度下，以一定电流对电池放完电，将所述电池放入所述环境测试箱，所述电池连接充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定倍率对电池进行充电，考察电池在不同温度下的充电容量或能量；当所述电池的充电容量或能量低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

所述电池在不同温度下的循环性能检测，包括以下步骤：将电池放入所述环境测试箱，所述电池连接所述充放电检测仪，设定环境测试箱温度，待温度达到设定值8个小时后，以一定电流或者功率对电池进行充放电，考察电池的循环寿命；当所述电池的寿命低于二次应用工况要求时，认为电池不适合梯次利用；满足，则认为适合二次利用。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池倍率特性的检测包括倍率充电特性检测和倍率放电特性检测；

所述倍率充电特性检测的方法为：在一定环境稳定中，将所述电池连接充放电检测仪，分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率对电池进行充电测试，检查所述电池在不同倍率下充入的容量和能量；

所述倍率放电特性检测的方法为：在一定环境稳定中，将所述电池连接所述充放电检测仪，以一定电流对电池充满电，分别以0.1C、0.2C、1/3C、0.5C、1C和2C倍率对电池进行放电测试，检查所述电池在不同倍率下放出的容量和能量。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池安全性能的检测为：对所述电池进行包括过充电试验、过放电试验、针刺试验、加热试验和挤压试验的安全性能检测。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电极片形态及材料结合分析，包括以下步骤：查看所述电池的正极片和负极片是否完整，观察极片上电极活性涂层与集流体的结合情况及涂层材料相互间的粘接是否完好；

所述隔膜的形态及老化情况分析，包括以下步骤：观察所述电池的电芯内隔膜形态是否完好，将所述隔膜的样品用碳酸二甲脂清洗后真空干燥，采用拉力试验机检测隔膜的纵向、横向拉伸强度，采用TG/DSC测试隔膜的熔融温度；

所述材料晶体结构分析及成分分析，包括以下步骤：将所述电池的正极片和负极片用碳酸二甲脂清洗；用X射线粉末衍射检测正极片和负极片材料晶体结构，计算材料的晶胞参数；测试材料中金属元素的组分及含量，与未使用过的正负极材料作对比，找出材料晶体结构的变化；分析出负极表面的金属元素析出的量，判断正极材料的溶解程度；

所述材料可用容量及电化学循环性能分析，包括以下步骤：取得所述电池的正极片和负极片的样品用碳酸二甲脂清洗，去除极片其中一侧的涂层之后真空干燥，将极片涂层与金属锂组装成扣式电池，采用适合的锂离子电池电解液及隔膜，测试正负极活性涂层的可用容量，并采用一定电流对半电池进行充放电测试，测评电池的充放电循环性能，计算其容量随循环次数的变化，找出正负极材料的容量衰减与电池容量衰减之间的关系；

所述电极表面固体电解质界面分析，包括以下步骤：将取得电池负极样品用碳酸二甲脂清洗，刮取少量的电极材料，通过透射电子显微镜观察活性物质颗粒表面的SEI层的厚度，分析SEI层的各类元素。