CN107576916A

CN107576916A - 一种退役动力电池的再利用方式的测试方法

Info

Publication number: CN107576916A
Application number: CN201710856668.XA
Authority: CN
Inventors: 王宏伟; 朱玉松; 陶自强; 付艳玲; 白虹; 肖海清; 白桦
Original assignee: Chinese Academy of Inspection and Quarantine CAIQ
Current assignee: Chinese Academy of Inspection and Quarantine CAIQ
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-01-12

Abstract

一种退役动力电池的再利用方式的测试方法，包括以下步骤：步骤1，构建层次结构模型；步骤2，构造判断矩阵；步骤3，层次单排序；步骤4，判断矩阵一致性检验；步骤5，层次总排序；步骤6，方案层中各指标的赋值；步骤7，退役动力电池的再利用方式测试指标计算公式：式中：A为退役动力电池的再利用方式测试指标；w^x：准则层第x项指标的权重；第x项准则下第i项指标的权重；V_i ^x：第x项准则下第i个指标的测试值。采用本发明的测试方法，可以节约检测成本。

Description

一种退役动力电池的再利用方式的测试方法

技术领域

本申请涉及动力电池领域，具体涉及一种退役动力电池的再利用方式的测试方法。

背景技术

随着电动汽车的普及，如何处理替换下来的电池已成为亟待解决的关键问题，电动汽车用锂离子电池被更换下来后，仍具有约80％左右的容量。通过对旧动力电池的梯次利用，不仅可以使电池性能得到充分发挥，有利于节能减排，还可以缓解大量动力电池进入回收阶段带来的巨大压力。退役的动力电池可以用于其他性能要求较低的应用领域，如用于电动自行车、游览车等的电源，或者用于储能，包括风光储能、智能电网的削峰填谷与频率平衡、偏远地区分布式供电、充换电站储能、家庭电能调节等领域。目前，国内外对电池的梯次利用研究尚处于前沿性研究阶段，并且对梯次利用电池的安全性检测研究较少。

在现有的动力电池技术水平下，电动汽车的电池系统大多数是由单个电池箱或多个电池箱组成，一个电池箱包含若干电池模组，每个电池模组又包含若干单体电池(一般6～16个单体电池)，通常，单个电池箱可包含几十、几百甚至上千个单体电池。因此，需要一种便捷、低成本的判断退役电池箱中的单体电池采取何种回收再利用方式的方法，本发明基于层次分析法，建立了一种动力电池的退役再利用方式分析方法，从而可按顺序选取单体电池的检测项目，并根据选取退役单体电池计算得到的指标，推荐整个电池箱中的单体电池的退役再利用方式，充分平衡动力电池梯次利用的成本与利润，保证退役电池梯次利用安全性、可靠性、以及与目标场合应用的符合性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于层次分析法的动力电池的退役再利用方式分析方法，可以通过几块或十几块退役动力电池的性能检测，来推断整个退役电池箱或电池包的再利用方式，一方面节约了实验检测成本，一方面降低了动力电池的成本。

为了解决以上技术问题，本申请的技术方案如下：

本发明的方法至少具有以下优点：可以综合分析退役动力电池的各项指标，以及考虑影响电池指标的众多因素，并且每个因素对结果的影响程度都是量化的，能够有效降低测试成本。

附图说明

图1为本发明的方法流程图

具体实施方式

本发明的技术方案如下：

步骤1，构建层次结构模型：层次结构的层次数决定于问题的复杂程度和问题分析所需要的深度，通常分为3个层次，即目标层A、准则层B(可以由若干层次组成)、方案层C。

步骤2，构造判断矩阵：判断矩阵表示针对第k-1层中的某一元素而言，测试第k层中与之相关的所有元素的相对重要的程度。

设某一评判准则X下有n个影响元素，分别记为P₁，P₂，P₃，…，P_n，且该判断矩阵记为P^X

式中：P^X为n阶方阵；

其中表示在评判准则X下，元素P_i相对于P_j的重要性。通常采用1～9比例标度来对该重要程度进行赋值，比例标度的定义见表1。

表1 1～9比例标度的定义

步骤3，层次单排序

层次单排序的目的是对于第k-1层中的某一元素而言，确定第k层与之相关的所有元素的重要性次序的权重值。本发明采取特征根法，公式为：

1)由|P^X-λE|＝0，计算P^X的所有特征根λ₁，λ₂，…，λ_n，并令λ_max＝max{|λ₁|，|λ₂|，…，|λ_n|}

2)由P^X·α^X＝λ_maxE，计算出特征向量α^X

3)归一化处理，令则为在评价准则X下第i个因素的权重值。为在评价准则X下第i个因素的特征向量。

步骤4，判断矩阵一致性检验：根据如下公式，计算矩阵的一致性：

其中，CI为一致性指标，RI为相应的平均随机一致性指标，其值可根据表2查得，CR为判断矩阵一致性比率，若CR<0.1认为矩阵具有一致性，否则，矩阵不具有一致性，返回步骤2对准则的重要性进行重新评判量化，并构造判断矩阵，再重新进行步骤3和步骤4，直至矩阵具有一致性。

表2

矩阵阶数	1	2	3	4	5	6	7
								RI	0	0	0.52	0.89	1.12	1.26	1.36
矩阵阶数	8	9	10	11	12	13	14
								RI	1.41	1.46	1.49	1.52	1.54	1.56	1.58

步骤5，层次总排序

输出方案层各方案的合成权向量；

利用层次单排序得到的仅仅是一组元素对其上一层次中某元素的权重向量，而我们最终要得到的是各元素对于总目标的相对权重。

假定已经计算出第k-1层上n_k-1个元素相对于总目标的排序权重向量为

第k层上n_k个元素对于第k-1层上第j个元素为准则的排序权重向量设为

式中:不受j支配的元素的权重为零。

令这是一个n_k×n_k-1矩阵，表示k层上元素对k-1层上各元素的排序，则第k层上元素对于总目标的排序权重向量为w^k

并且一般公式为

w^(k)＝P^(k)·P^(k-1)…w⁽²⁾

式中：w⁽²⁾是第二层上元素对于总目标的排序向量。

步骤6，方案层中各指标的测试值

设V_i ^x为方案层C中第x项准则下第i个指标的测试值，各指标的计算方法如下：

针对动力电池箱拆解下来的单体电池，首先选择外观良好没有发软和气胀的单体电池，进行检测前的充电，充电制度如下：在20℃士5℃条件下，电池以0.2C(即2.2A)电流放电，至电池电压达到2.7V时停止放电，静置1h，然后以0.2C恒流充电，至电池电压达4.2V时转恒压充电，至充电电流降至0.02C(即0.22A)时停止充电。充电后静置lh。

容量指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，以0.2C进行充放电循环6次，搁置10min后，再以0.2C进行放电，放电时所提供的容量即为电池的实际检测容量，容量指标＝此实际检测容量/标称容量×100％。

内阻指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，用电池内阻检测仪(锂易安，型号：bts-2000)对内阻进行检测，内阻指标＝电池标称内阻值/此检测内阻值×100％。

荷电保持指标：首先测定电池的放电容量C1，然后以0.2C进行充电，搁置30天后，测试其容量C2。荷电保持指标＝1-(C1-C2)/C1×100％。

循环性能指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，测量其容量C1，以0.2C进行400次充放电循环后，测量其容量C2，循环性能指标＝1-(C1-C2)/C1×100％。

跌落指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，在室温下降其从1.5m的高度自由跌落到硬质水泥地面上，电池每个面都重复上述实验1次。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

振动指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，紧固到振动试验台上，按下述条件进行试验。a)放电电流：1/3C(即3.7A)；b)振动方向：上下单振动；c)振动频率：30～35Hz；d)最大加速度：30m/s2；e)振动时间：2h。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

挤压指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，对其进行挤压实验。挤压方向：垂直于电池电极极板；挤压头面积：大于20cm²，挤压程度：直至压迫电极极板并出现短路现象。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

针刺指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，将钢针(直径大小约为6mm)以垂直于电极极板的方向快速穿过电池，保留钢针在电池中，观察电池。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

高温指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，将其放入恒温防爆箱中，温度控制在(80±2)℃，保温2个小时，待恒温箱冷却后观察实验后电池。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

高海拔指标：将电池按照上述充电制度充满电以后，将电池放入真空室中(压强≤11.6kPa)搁置6h，并观察实验后电池。如电池实验后不起火、爆炸、漏液、泄气、破裂。跌落指标设为1，否则设为0。

上述指标可根据实际情况选择检测项目，并设置指标测试值。

步骤7，退役动力电池的再利用方式测试指标计算公式：

式中：A为退役动力电池的再利用方式测试指标；n为准则层中指标的个数，m为第x项准则下的指标个数；

w^x：准则层第x项指标的权重；

第x项准则下第i项指标的权重；

V_i ^x：第x项准则下第i个指标的测试值。

以下举例来说明本发明的方法

试验电池为：国产动力锂离子电池箱(包括96块电池芯)，额定电压3.7V，额定容量11Ah；电池芯外形尺寸(长×宽×高)为：133mm×66mm×18mm；电池的正极活性材料为LiMn₂O₄，负极活性材料为石墨，电解液的主要成分为LiPF₆、EC(碳酸乙烯酯)和DMC(碳酸二甲酯)，隔膜为celgard 2325。

试验方法：拆解一辆整车的电池箱得到3600只单体电池，挑选外观完好、无发软和气胀的单体电池10只单体电池，进行了容量、内阻、荷电保持、循环性能、跌落、振动、挤压、针刺、高温、高海拔等检测。动力电池的退役再利用方式选择方法如下：

首先，构建层次结构模型：以退役动力电池的再利用方式为目标层，以电性能、机械及环境安全测试指标为准则层，以选择的各种实验检测方法为方案层，具体设置如下；

其次，构造判断矩阵

单一准则下的判断矩阵及其层次单排序结果根据上图，再结合文献，建立退役动力电池的再利用方式准则下的判断矩阵，如表3所示。

表3退役动力电池的再利用方式准则下的判断矩阵、相对权重、层次排序

A	B₁	B₂	B₃	相对权重	层次排序
						B₁	1	7	9	0.785	1
B₂	1/7	1	3	0.149	2
						B₃	1/9	1/3	1	0.066	3

经计算得出，λ_max＝3.081，则查表2，因为判断矩阵为三阶，数RI＝0.58，即CR＝0.070<0.1，一致性判断符合要求，其相对权重和层次排序的计算结果如表3所示。

重复上面的计算过程，我们得到表4～表6的结果。

表4电性能指标准则下的判断矩阵、相对权重、层次排序

B₁	C₁	C₂	C₃	C₄	相对权重	层次排序
							C₁	1	5	3	1/5	0.204	2
C₂	1/5	1	1/3	1/9	0.046	4
							C₃	1/3	3	1	1/7	0.096	3
C₄	5	9	7	1	0.654	1

CR＝0.90<0.1

表5机械及环境安全指标准则下的判断矩阵、相对权重、层次排序

B₂	C₅	C₆	C₇	C8	相对权重	层次排序
							C₅	1	1/3	1/5	1/7	0.055	4
C₆	3	1	1/3	1/5	0.118	3
							C₇	5	3	1	1/3	0.263	2
C₈	7	5	3	1	0.564	1

CR＝0.063<0.1

表6化学安全指标准则下的判断矩阵、相对权重、层次排序

B₃	C₉	C₁₀	相对权重	层次排序
					C₉	1	2	0.667	1
C₁₀	1/2	1	0.333	2

CR＝0.044<0.1

表7退役动力电池的再利用方式测试指标权重与总排序

测试指标	相对权重	总排序
			循环性能	0.513	1
容量	0.160	2
			针刺	0.084	3
荷电保持	0.075	4
			高温	0.044	5
挤压	0.039	6
			内阻	0.036	7
高海拔	0.022	8
			振动	0.018	9
跌落	0.008	10

再次，经过检测，得到方案层中各指标的测试值如表8所示。

表8各指标的测试值

测试指标	测试值
		容量	78％
内阻	75％
		荷电保持	85％
循环性能	71％
		跌落	1
振动	1
		挤压	0
针刺	1
		高温	1
高海拔	1

由表7和表8可以得出退役动力电池的再利用方式测试指标A＝78％。

根据计算结果，可有如下结论：

1、可根据退役动力电池的再利用方式测试指标权重与总排序表(表7)，按顺序选取电池的检测项目，作为实验方法来检测电池的性能。

2、再利用方式测试指标越接近100％，说明退役动力电池再利用价值越高，可以作为低速电动交通工具(电动自行车、电动摩托车等)的电池，如再利用方式测试指标越在60％左右，可作为储能系统的储能电池使用，如再利用方式测试指标接近0％，说明退役动力电池已几乎丧失全部再利用价值，只能报废处理。

Claims

1.一种退役动力电池的再利用方式的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，构建层次结构模型

设置3个层次，即目标层A、准则层B、方案层C；

步骤2，构造判断矩阵————判断矩阵表示对第k-1层中的某一元素而言，测试第k层中与之相关的所有元素的相对重要的程度；具体为，

式中：P^X为n阶方阵；其中，i为第i行，j为第j列；

其中表示在评判准则X下，元素P_i相对于P_j的重要性；可从预设的第一赋值表中查得比例标度对应的重要性等级所对应的赋值；

步骤3，层次单排序

其目的是对于第k-1层中的某一元素而言，确定第k层与之相关的所有元素的重要性次序的权重值；具体采取特征根法，公式为：

1)由|P^X-λE|＝0，计算P^X的所有特征根λ₁，λ₂，…，λ_n，并令λ_max＝max{|λ₁|，|λ₂|，…，|λ_n|}；其中，E表示单位矩阵；

2)由P^X·α^X＝λ_maxE，计算出特征向量α^X；

3)归一化处理，令则为在评价准则X下第i个因素的权重值；为在评价准则X下第i个因素的特征向量；

步骤4，判断矩阵一致性检验

根据如下公式，计算矩阵的一致性：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>C</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>C</mi> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mi>I</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>I</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，CI为一致性指标，RI为相应的平均随机一致性指标，其值可从预设的第二赋值表中查得，CR为判断矩阵一致性比率，若CR<0.1认为矩阵具有一致性，否则，矩阵不具有一致性，返回步骤2对准则的重要性进行重新评判量化，并构造判断矩阵，再重新进行步骤3和步骤4，直至矩阵具有一致性；

步骤5，层次总排序

输出方案层各方案的合成权向量；

T表示转置；

式中:不受j支配的元素的权重为零；

<mrow> <msup> <mi>w</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>,</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mi>w</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow>

并且一般公式为

w^(k)＝P^(k)·P^(k-1)…w⁽²⁾

式中：w⁽²⁾是第二层上元素对于总目标的排序向量；

步骤6，方案层中各指标的赋值

设V_i ^x为方案层C中第x项准则下第i个指标的赋值，各指标的计算方法如下：

针对动力电池箱拆解下来的单体电池，首先选择外观良好没有发软和气胀的单体电池，进行检测前的充电；

根据实际需求选择容量指标、内阻指标、荷电保持指标、循环性能指标、跌落指标、振动指标、挤压指标、针刺指标、高温指标、高海拔指标中的多项为检测项目，根据需求的不同为所选择的各个指标设定相应的权重；

步骤7，退役动力电池的再利用方式测试指标计算公式：

<mrow> <mi>A</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </msup> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msubsup> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>x</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>i</mi> <mi>x</mi> </msubsup> <mo>&times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>

w^x：准则层第x项指标的权重；

第x项准则下第i项指标的权重；

V_i ^x：第x项准则下第i个指标的测试值。