CN108931738A - 一种评估锂电池的健康状态的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种评估锂电池的健康状态的方法和系统，所述方法通过测量锂电池的开路电压，然后根据开路电压的大小并结合不同类型电池的工作电压的上、下限值，恒流充/放电的时间，计算电池的剩余容量，最后根据电池的剩余容量和标称容量的比值确定电池的健康状态，所述比值越大，则健康状态愈好。本发明所述的评估锂电池的健康状态的方法和系统操作简便，速度快，不仅为在役电池的筛选以及分级组合提供科学依据，而且能够有效延长锂电池服役期限，降低锂电池的全生命周期成本，提高资源利用的有效性和合理性。

Description

一种评估锂电池的健康状态的方法和系统

技术领域

本发明涉及锂电池梯次利用领域,并且更具体地，涉及一种评估锂电池的健康状态的方法和系统。

背景技术

在退役锂电池梯次利用领域，主要需解决以下两个方面的问题：一是退役锂电池能否开展梯次利用；二是退役电池在梯次利用中还能提供多少使用价值，即对电池的健康状态进行评估。中国目前大量锂电池已面临退役，巨大的环保和资产处置压力使开展退役锂电池梯次利用更为一个急需解决的技术问题。从应用层面来看，最主要需解决的是锂电池状态与应用场景的适配性工作，通过为不同状态的锂电池选择合适的应用场景，降低退役锂电池梯次利用过程中的应力，延长退役锂电池的使用寿命，减低梯次利用过程中的安全风险。这一工作的重要前提是通过针对锂电池的健康状态评估，充分了解电池剩余的使用价值和工作能力。但锂电池状态受到多种因素的影响，估算较为复杂。随着电池的老化，电池状态的变化主要体现在容量和内阻上。当电池健康状态恶化时，其阻抗会逐渐增大，容量、能量、功率将发生不同程度的衰减。目前，在锂电池健康状态评估方面，主要是将容量、内阻、功率或循环次数中的一种或几种作为估计参数，根据参数变化规律，进行数学拟合回归，得到适合于特定电池的健康状态评估算法，但上述方法都比较繁琐，需要的时间相对较长。

发明内容

为了解决背景技术中对锂电池的健康状况评估技术手段繁琐，需要的时间长的技术问题，本发明提供一种评估锂电池的健康状态的方法，所述方法包括：

在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC₀；

根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

当以恒定电流I对电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S；

根据电池剩余容量Q_s和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

进一步地，所述方法确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i；

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i；

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

进一步地，所述方法中设置温度区间为20℃至30℃。

进一步地，所述根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

进一步地，所述以恒定电流I对电池充/放电是指以电池标称容量的1/3C倍率对电池充/放电。

进一步地，当对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，当对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。

进一步地，所述根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_S＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种评估锂电池的健康状态的系统，所述系统包括：

电压测量单元，其用于在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

SOC确定单元，其用于根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC₀；

充放电确定单元，其用于根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

充电时间单元，其用于当以恒定电流I对锂电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

剩余容量确定单元，其用于根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S；

健康状态确定单元，其用于根据电池剩余容量Q_S和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

进一步地，所述系统还包括关系曲线单元，其用于确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线，所述关系曲线单元确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i；

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i；

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

进一步地，所述系统设置的温度区间为20℃至30℃。

进一步地，所述充放电确定单元根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

进一步地，所述充电时间单元的恒定电流I是指锂电池的标称容量的1/3C倍率。

进一步地，所述充电时间单元对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，所述充电时间单元对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。

进一步地，所述剩余容量单元根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。

本发明技术方案提供的评估锂电池的健康状态的方法和系统，通过测量锂电池的开路电压，然后根据开路电压的大小并结合不同类型电池的工作电压的上、下限值，恒流充/放电的时间，计算电池的剩余容量，最后根据电池的剩余容量和标称容量的比值确定电池的健康状态，所述比值越大，则健康状态愈好。本发明所述的评估锂电池的健康状态的方法和系统在事先确定好每种类型的电池的开路电压和荷电状态的关系后，只需要对待评估电池测量开路电压，然后根据开路电压对电池执行充/放电至电池的工作电压的标称值，即可确定电池的健康状态，所述方法和系统操作简便，速度快，不仅为在役电池的筛选以及分级组合提供科学依据，而且能够有效延长锂电池服役期限，降低锂电池的全生命周期成本，提高资源利用的有效性和合理性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的评估锂电池的健康状态的方法的流程图；

图2为根据本发明优选实施方式的评估锂电池的健康状态的系统的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的评估锂电池的健康状态的方法的流程图。在本优选实施方式中，对磷酸铁锂/石墨电池的健康状态进行评估。如图1所示，本优选实施方式所述的评估锂电池的健康状态的方法100从步骤101开始。

在步骤101，在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

在步骤102，根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC₀；

在步骤103，根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

在步骤104，当以恒定电流I对电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

在步骤105，根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S；

在步骤106，根据电池剩余容量Q_s和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

优选地，所述方法确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i，在本优选实施方式中，对磷酸铁锂/石墨电池进行充电的时间是10分钟，静置的时间是2小时。

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i，其计算公式为：

SOC_i＝Q_i/Q_F

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

在本优选实施方式中，是将记录的OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系导入到origin软件里，由软件生成相应的曲线。

优选地，所述方法中设置温度区间为20℃至30℃。

优选地，所述根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

在本优选实施方式中，所述磷酸铁锂/石墨电池的开路电压临界值是通过实验得到的电池电压分布的中间点，值为3.25V，当所述测量电压大于临界值时充电，当所述测量电压小于临界值时放电则评估锂电池的健康状态的效率最高。此外，当所述锂电池为三元材料/石墨电池时，其开路电压临界值为3.70V,当所述锂电池为锰酸锂/石墨电池时，其开路电压临界值为3.85V。

优选地，所述以恒定电流I对电池充/放电是指以电池标称容量的1/3C倍率对电池充/放电。

优选地，当对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，当对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。在本优选实施方式中，所述磷酸铁锂/石墨电池工作电压的上限值为3.65V，工作电压的下限值是2.20V。此外，当所述锂电池为三元材料/石墨电池时，其工作电压的上限值为4.2V,其工作电压的下限值为2.75V,当所述锂电池为锰酸锂/石墨电池时，其工作电压的上限值为4.2V，其工作电压的下限值为3.0V。

优选地，所述根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。

图2为根据本发明优选实施方式的评估锂电池的健康状态的系统的结构示意图。如图2所示，本优选实施方式所述的评估锂电池的健康状态的系统200包括：

关系曲线单元201，其用于确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线；

电压测量单元202，其用于在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

SOC确定单元203，其用于根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC₀；

充放电确定单元204，其用于根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

充电时间单元205，其用于当以恒定电流I对锂电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

剩余容量确定单元206，其用于根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s；

健康状态确定单元207，其用于根据电池剩余容量Q_s和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

优选地，所述关所述关系曲线单元201确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i；

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i；

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

优选地，所述系统设置的温度区间为20℃至30℃。

优选地，所述充放电确定单元204根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

优选地，所述充电时间单元205的恒定电流I是指锂电池的标称容量的1/3C倍率。

优选地，所述充电时间单元205对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，所述充电时间单元对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。

优选地，所述剩余容量单元206根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (14)

1.一种评估锂电池的健康状态的方法，其特征在于，所述方法包括：

在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC_t；

根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

当以恒定电流I对电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S；

根据电池剩余容量Q_s和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i；

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i；

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中设置温度区间为20℃至30℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以恒定电流I对电池充/放电是指以电池标称容量的1/3C倍率对电池充/放电。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，当对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，当对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。

8.一种评估锂电池的健康状态的系统，其特征在于，所述系统包括：

电压测量单元，其用于在设置的温度区间测量锂电池的开路电压U_t；

SOC确定单元，其用于根据预先建立的锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线确定电池的荷电状态SOC₀；

充放电确定单元，其用于根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电；

充电时间单元，其用于当以恒定电流I对锂电池充/放电时，记录充/放电至电压阈值时的充/放电时间t；

剩余容量确定单元，其用于根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_S；

健康状态确定单元，其用于根据电池剩余容量Q_s和标称容量Q₀的比值评估电池的健康状态。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括关系曲线单元，其用于确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线，所述关系曲线单元确定锂电池的开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线包括：

在室温下将锂电池放电至下限电压，记录SOC₀值为0，并记录测量开路电压OCV₀；

以第一固定时间间隔对锂电池进行充电，并静置第二固定时间间隔，记录锂电池的开路电压OCV_i和容量Q_i；

对所述锂电池进行间歇充电直至锂电池满电状态，记录SOC_F值为100,记录锂电池的开路电压OCV_F和容量Q_F；

根据容量Q_F和Q_i计算荷电状态SOC_i；

根据OCV₀和SOC₀、OCV_i和SOC_i以及OCV_F和SOC_F的对应关系确定电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统设置的温度区间为20℃至30℃。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述充放电确定单元根据测量的开路电压U_t和预先确定的开路电压临界值U_l，判断对锂电池执行充/放电包括：

当U_t≥U_l时，确定对电池进行充电测试；

当U_t<U_l时，确定对电池进行放电测试。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述充电时间单元的恒定电流I是指锂电池的标称容量的1/3C倍率。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述充电时间单元对锂电池进行充电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的上限值，所述充电时间单元对锂电池进行放电时，所述电压阈值是锂电池的工作电压的下限值。

14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述剩余容量单元根据所述电流I、充/放电时间t和荷电状态SOC_t，计算电池的剩余容量Q_s包括：

当对电池充电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(100-SOC_t)

当对电池放电时，计算电池的剩余容量Q_s的公式为：

Q_s＝I*t/(SOC_t-0)

式中，所述SOC_t的值为测量的开路电压U_t在锂电池开路电压OCV与荷电状态SOC的关系曲线中对应的值。