CN109683094A - 一种锂离子电池的快速分选方法及其分选装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池的快速分选方法及其分选装置，涉及电池分选领域，分选方法包括：对待分选电池充电；对待分选电池进行脉冲放电；检测脉冲放电的电压数据，脉冲放电开始后电压为U₂，脉冲放电结束前电压为U₃，将U₂至U₃的平均电压作为电压平台将待分选电池分为测试组和训练组；对训练组充电，并对训练组电池以恒定电流进行放电至下限电压，读取电池容量，建立电压平台与容量的函数关系式；通过关系式估计出测试组电池的容量；依据电压平台与容量大小分布对待分选电池进行电压平台分级和容量分档处理，通过分级和分档处理结果完成对待分选电池分选操作，本发明能够完成电池的分选，避免对电池本身造成破坏和降低测试的工作量。

Description

一种锂离子电池的快速分选方法及其分选装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池分选领域，具体涉及一种锂离子电池的快速分选方法及其分选装置。

背景技术

锂离子动力电池是电动汽车的核心零部件，锂离子电池具有高能量、高功率、高倍率放电、工作温度范围宽、使用寿命长等特点，通常占到整车成本的50％以上。一辆电动汽车动力电源通常由数个电池箱串联而成，涉及到数百个甚至上千个电性能一致性较好的动力电池单体。动力电池决定着电动汽车的性能，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，一般规定动力电池的容量衰减到初始容量的80％，就必须对其进行更换。

随着电动汽车的保有量逐步提升，退役电池越来越多，如何处理和利用退役动力电池就成为一个迫待解决的问题。如果全部报废处理，没有尽量发挥其残余价值，会提高电动汽车的使用成本。通常会对动力电池进行二次利用，将退役电池剩余的容量性能使用于其性能满足的其他应用领域。

然而，从电动汽车上退役下来的动力电池，其电池健康状态并不一致，不能直接进行二次利用，必须对退役下来的动力电池进行严格筛选，剔除出一致性较差和健康状态不合格的问题电池，只有通过合理的筛选，二次利用才能保障其价值充分发挥。

对于从电动汽车上退役下来的动力电池在配组前，通常是根据电池的容量、内阻、自放电率等参数作为筛选和配组的依据。而目前已有的动力电池而言，由于系统设计的缺陷、使用条件的差异等问题，造成健康度变化因素比较复杂，电池的离散性变强，电池之间的不一致性大，并且动力电池在二次利用时，其使用工况已经不同于电动汽车上的使用工况，因此，在电动汽车上动力电池的筛选与配组方法，不适用于二次利用的筛选和配组方法。

为了克服这种困难，中国电力科学研究院的专利申请《一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法》，其申请号为CN201110410608.8，提出一种将动力电池分级的理论方法，对检测动力电池物理和化学属性有指导作用，但实际操作可行性比较低，不容易实现，即便实现所述检测，也易对电池本身造成破坏。其次，奇瑞汽车股份有限公司申请的专利《一种废旧电池梯次使用的筛选方法》，申请号为CN201410466151.6和国家电网公司申请的专利《一种废旧动力电池梯次利用筛选方法》，申请号为CN201310261893.0等发明专利，都提出把动力电池模组进行拆解，拆解出单体动力电池，再重新进行分选配组，这种方法从理论和技术上来说都可以实现，但是梯次利用的电池需要经过大量测试，不仅过程工作量很大，也增加了动力电池的梯次利用的使用成本，进而会大大削减退役电池梯次利用的价值。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池的快速分选方法，能够完成电池的分选，避免对电池本身造成破坏和降低测试的工作量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种锂离子电池的快速分选方法，包括以下步骤：

对若干待分选电池的充电至同一荷电状态；

对待分选电池进行高倍率脉冲放电；

检测待分选电池脉冲放电的电压数据，脉冲放电开始后的电压为U₂，脉冲放电结束前的电压为U₃，将U₂至U₃的平均电压作为电压平台

将待分选电池分为测试组和训练组，所述训练组的电池个数至少设有3个；

对训练组电池的充电，电池的标称容量记为C₀，并对完成充电的训练组电池以不大于C₀/5的恒定电流进行放电至下限电压，记录训练组电池的容量，建立脉冲放电时的电压平台与容量之间的函数关系式；通过所述函数关系式估计出测试组电池的容量；

依据脉冲放电时的电压平台和容量的大小分布对待分选电池进行电压平台分级和容量分档处理，通过分级处理的结果完成对待分选电池分选操作。

在上述技术方案的基础上，检测待分选电池脉冲放电的电压数据时，还进行检测待分选电池脉冲放电的电流数据，将脉冲放电开始时与脉冲放电结束后的电流差值设为ΔI，脉冲放电前的开路电压设为U₁，U₁与U₃的电压差值为ΔU，计算待分选电池的内阻：R＝ΔU/ΔI，并依据内阻R的分布进一步对待分选电池分级处理。

在上述技术方案的基础上，对待分选电池充电时，以恒流恒压进行充电。

在上述技术方案的基础上，对待分选电池进行恒流恒压充电时，恒流电流不大于0.5C₀，恒压截至电流不大于0.05C₀。

在上述技术方案的基础上，对待分选电池充电结束时，所述待分选电池的电压为其本身额定的充放电区间的20％～90％。

在上述技术方案的基础上，所述待分选电池的电压为其本身额定充放电区间的30％～90％。

在上述技术方案的基础上，对待分选电池进行高倍率脉冲放电时，对待分选电池静置。

在上述技术方案的基础上，静置时间大于30分钟。

在上述技术方案的基础上，对待分选电池进行脉冲放电时，根据待分选电池的类型，选择不同放电倍率放电，当待分选电池为能量型电池时，脉冲放电倍率至少为2C₀，当待分选电池为功率型电池时，脉冲放电倍率至少为至少为5C₀。

本发明还提供一种用于上述快速分选方法的分选装置，包括：

测试模块(1)，所述测试模块(1)用于完成对待分选电池的充电和放电操作；

数据获取模块(2)，所述数据获取模块(2)与所述测试模块(1)信号连接，并用于接收所述测试模块作用时的电流和电压数据；

数据分析模块(3)，所述数据分析模块(3)与所述数据获取模块(2)信号连接，并用于根据所述电流和电压数据得到待分选电池的容量、内阻和电压平台数据，并对该容量、内阻和电压平台数据进行分级处理；

数据执行模块(4)，所述数据执行模块(4)与所述数据分析模块(3)信号连接，并用于根据所述分级处理结果完成对待分选电池进行分选操作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种锂离子电池的快速分选方法，通过对待分选电池的充放电，并根据充放电过程中的电压和电流计算得到电压平台、内阻和容量，其中，通过将训练组电池的电压平台和容量进行拟合得到一函数关系式，并根据该函数关系式得到其它待分选电池的容量，该分选方法在进行操作过程中，不会对电池本身造成破坏，且通过函数关系式的确定，能够减小对电池测试的工作量，从而降低测试成本。

(2)在待分选电池充电完成后，将待分选电池静置一定时间，能够使电池处于平衡态或近似平衡态，提高了最终测得的电池电压平台、内阻和容量的的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中分选装置的流程框图。

图中：1-测试模块，2-数据获取模块，3-数据分析模块，4-数据执行模块。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种锂离子电池的快速分选方法，包括以下步骤：

对若干待分选电池的充电至同一荷电状态；

对待分选电池进行高倍率脉冲放电，电池的标称容量记为C₀，待分选电池的脉冲放电倍率至少为2C₀，脉冲放电时间为5～30秒，其中，当能量型电池采用过高的倍率放电时，电压会直接降到截止电压或保护电压，功率型电池采用过低的倍率进行放电时，电压降没有较高的区分度，优选地，根据待分选电池的类型，选择不同脉冲放电倍率放电，当待分选电池为能量型电池时，脉冲放电倍率至少为2C₀，当待分选电池为功率型电池时，脉冲放电倍率至少为至少为5C₀；

检测待分选电池脉冲放电的电流和电压数据，将脉冲放电开始时与脉冲放电结束后的电流差值为ΔI，脉冲放电前的开路电压为U₁，脉冲放电开始后的电压为U₂，脉冲放电结束前的电压为U₃，将脉冲放电开始后至脉冲放电结束前的平均电压作为电压平台U₁与U₃的电压差值为ΔU，待分选电池的内阻R＝ΔU/ΔI，其中，还需要确认电池脉冲前的电压，并记录脉冲开始的步次、时间，脉冲时间，以及循环次数。

将待分选电池分为测试组和训练组，训练组的电池个数至少设有3个；

对训练组电池以不大于C₀/5的电流的恒流恒压充电至额定电压，恒压电流截至条件为电流不大于0.05C₀，并对完成充电的训练组电池以不大于C₀/5的恒定电流进行放电至下限电压，记录训练组电池的容量；其中，进行测试时需在同一温度下进行，且电池的容量根据进行放电时由负责进行测试的测试设备自动得出；

总结训练组电池的脉冲电压平台与容量之间的关系进行数据拟合，建立容量与脉冲平均电压平台的函数关系，依据此关系式，对测试组电池容量进行估计。依据脉冲放电时的电压平台和容量的大小分布对电池进行电压平台分级和容量分档处理，并依据内阻R的分布进一步分级处理，通过分级和分档处理的结果完成对待分选电池分选操作。

其中，电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，不同剩余可逆容量的电池其欧姆内阻虽然没有大的差异，但其极化内阻有较明显的差异，在低倍率放电时，其差异难以体现，但进行高倍率放电时，极化电阻占主导，可以通过电压平台来进行区分，建立脉冲电压平台与容量的关系式，即可预测剩余电池的容量范围。

其主要是通过对待分选电池的充放电，并根据充放电过程中的电压和电流计算得到电压平台、内阻和容量，主要是通过将训练组电池的电压平台和容量进行拟合得到一函数关系式，并根据该函数关系式得到其它待分选电池的容量，其中，容量与电压平台的函数关系式，利用但不限于线性函数、指数函数、对数函数、幂函数对其拟合，建立其函数关系式，进一步地，为了提升预测的准确度，可以使用但不限于卡曼滤波、模糊神经网络等算法对函数关系式进行收敛修正，函数的相关性至少在0.95以上，则认为该拟合符合实际。依据所建立的模型关系，代入测试组电池的电压平台值，估算出测试组电池的容量值，以节省大量容量测试时间和工序成本。

根据估算的容量和电压平台，以及所测得的电池阻值，可以掌握电池的健康状态。该分选方法在进行操作过程中，不会对电池本身造成破坏，且通过函数关系式的确定，能够减小对电池测试的工作量，从而降低测试成本，电池的内阻或容量或电压平台均可以作为分选的依据；而现有技术中为了得到电池容量，并根据容量大小决定梯次利用电池二次利用的应用场景。常规的做法是将所有电池进行充放电测试，以获得容量值。对于已做电阻和电压平台计算并分级的电池再进行充放电测试，将费时费力，消弱梯次利用经济性的特点。

对待分选电池充电时，以恒流恒压进行充电，能够避免出现由于极化的影响导致电池出现充不满的情况；优选地，对待分选电池进行恒流恒压充电时，恒流状态下电流不大于0.5C₀，恒压状态下截至电流不大于0.05C₀，根据待分级电池的截至充放电电压范围，将该待分级电池充电至特定电压，该特点电压不超出所述截至充放电电压范围，其中，磷酸铁锂电池的截至充放电电压范围为3.0V至3.5V，NCM和NCA三元电池的截至充放电电压范围为3.4V至4.2V，锰酸锂电池的截至充放电电压范围为3.3V至3.8V，钴酸锂的截至充放电电压范围为3.5V至4.3V，其中，为控制较低的荷电状态以减少充放电时间，优选地，NCM和NCA三元电池的截至充放电电压范围为3.5V至3.8V，锰酸锂电池的截至充放电电压范围为3.5V至3.7V，钴酸锂的截至充放电电压范围为3.5V至3.8V。

对待分选电池充电结束时，待分选电池的电压为其本身额定的充放电区间的20％～90％，能够避免在进行高倍率放电时，由于极化，导致电压直接降至截止放电电压，同时，能够节约充电时间；优选地，待分选电池的电压为其本身额定充放电区间的30％～90％。

对待分选电池进行高倍率脉冲放电时，对待分选电池静置一定时间，能够使电池处于平衡态或近似平衡态，提高了最终测得的电池电压平台、内阻和容量的的准确性；优选地，静置时间大于30分钟。

在进行分级并形成容量分级表时，依据电池内阻将电池细化分级，排除掉明显阻值过大或过小的电池，主要是为了去掉已经损坏或保存完好的电池。其中，脉冲放电电压平台反映的是极化内阻，而电池的内阻包含极化内阻和欧姆内阻，微短路、负极析锂、毛刺等影响安全性能的特征均可通过欧姆内阻来体现，即欧姆内阻表示电池损坏的情况。

下面以一种具体的实施方式对上述内容进行具体阐述，选取30只18650的磷酸铁锂电池作为待分级电池，其中10只作为训练组，20只作为测试组，其标定容量为2000mAh，对其进行脉冲实验。

控制环境温度25℃，流程如下：

1.静置3分钟；

2.以400mA恒流充电至3.4V；

3.以3.4V恒压充电至电流为100mA；

4.静置30分钟；

5.8000mA脉冲放电20秒；

6.静置3分钟；

对训练组电池进行容量测试，流程如下：

1.静置3分钟；

2.以400mA恒流充电至3.65V；

3.以3.65V恒压充电至电流100mA；

4.静置3分钟；

5.以恒流放电至2.0V；

6.静置3分钟；

对上述30只电池进行编号，随机选择1至10号电池为训练组电池，11号至30号电池为测试组，对上述测试的数据进行整理分析，其中，将脉冲放电开始后至脉冲放电结束前的平均电压作为电压平台结果如下：

表1.电池实测数据表

将1至10号训练组电池的电压平台数据与容量数据通过matlab或者excel自带的函数拟合功能进行自动拟合，分别采用线性、指数、幂函数、对数方程式进行拟合，将测试组数据带入求解，计算机完成拟合的求解过程，并比较分别采用线性、指数、幂函数、对数方程式进行拟合时的拟合系数，选取拟合程度更高的方程，在该实施例中，电压平台U与容量满足方程的拟合系数x＝0.98，满足预测的要求。依据该方程，11至30号测试组电池的容量如下：

表2.电池容量预测数据

电池序号	电压平台/V	容量/mAh
			11	3.26	1594.00
12	2.66	1133.20
			13	3.11	1489.91
14	3.24	1580.48
			15	2.67	1141.99
16	2.70	1168.10
			17	3.14	1511.24
18	2.71	1176.71
			19	3.46	1723.61
20	2.99	1401.82
			21	2.92	1348.26
22	3.24	1580.48
			23	2.77	1227.51
24	3.05	1446.43
			25	2.71	1176.71
26	2.90	1332.65
			27	2.98	1394.27
28	3.09	1475.54
			29	2.98	1394.27
30	3.25	1587.26

依据容量的保持率可对所选的30只电池进行第一次分选，容量的保持率为所选的30只电池与全新的此类电池的容量之比，容量保持率高于0.80档为1、3、6、9、19；容量保持率高于0.75低于0.80为2、5、8、11、14、17、22、30；容量保持率高于0.70低于0.75的为4、10、13、20、24、28；容量保持率高于0.65低于0.70的为21、26、27、29；电池7、12、15、16、18、23、25的容量保持率低于0.65，认为属于可淘汰的电池。

根据测试电池的内阻，进行第二次分选，设置电池内阻的分选数据为90％的置信区间，电池内阻在90％区间内的电阻范围为12mΩ～13mΩ，将电池内阻落在90％区间之外的电池16、24、29淘汰，其中，电池内阻的分选数据时的置信区间可选取90％以上的区间。

对于以上分级的顺序，可依据实际需要进行调整，以上分选及数据处理过程均可使用计算机软件系统完成。

参见图1所示，本发明实施例还提供一种用于如上述快速分选方法的分选装置，其特征在于，包括：

测试模块1，测试模块1用于完成对待分选电池的充电和放电操作，其具有恒流恒压充放电的功能，还具备大功率瞬时充放电的功能；

数据获取模块2，数据获取模块2与测试模块1信号连接，并用于接收测试模块作用时的电流和电压数据，以及电量数据；

数据分析模块3，数据分析模块3与数据获取模块2信号连接，并用于根据所述电流和电压数据得到待分选电池的容量、内阻和电压平台数据，并对该容量、内阻和电压平台数据进行分级处理；

数据执行模块4，数据执行模块4与数据分析模块3信号连接，并用于根据所述分级处理结果完成对待分选电池进行分选操作。

数据分析模块3包括电压平台计算模块、内阻计算模块、容量估算模块和电池分级模块，使其能够具有电压平台计算、内阻计算、容量估算和电池分级处理的功能；数据执行模块4可以是具有高度自动化的机器人，依据电池条码或所处坐标或其它可以定义电池特征的指标，根据分选指令对电池分选；执行模块还可以是具有操作能力的人，依据电池条码或所处坐标或其它可以定义电池特征的指标，根据分选指令对电池进行手动分选，其主要是通过根据数据分析模块3中的分级处理结果对待分选电池进行分选操作。

其中，数据获取模块2和数据分析模块3均可在软件系统中实现，通过读取测试模块1中充放电设备的测试数据，由有线或无线通信传递至数据分析处理模块3中进行处理，数据处理模块3可以为本地处理器也可以为云端处理器。

下面以一种具体的实施方式对上述内容进行具体阐述，

电池的测试模块1，其主要功能包含：电池组的荷电态平衡，电池组的容量测试，电池组的快速充放电，电池组的均衡，单体电池的分容测试，电池组内各电池串的容量测试，能够记录电池的充放电数据及时间、容量、工步、电压等关键数据，还可根据用户需要进行编程。

数据获取模块2，可以从测试模块1的设备中读取数据，具备读取数据、传输数据和存储数据的功能；

数据分析模块3，负责对数据获取模块2中数据的整理、分析和加工等功能；

数据执行模块4，分选的结果依赖于最终的执行得以实现，如系统下发执行命令，根据执行命令分选操作的人或机器进行操作。

如图1所示中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围还包括未进行列举的其他实现方式，其中可以不按所示的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

且应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种估计机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个估计机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于，包括以下步骤：

对若干待分选电池的充电至同一荷电状态；

对待分选电池进行高倍率脉冲放电；

检测待分选电池脉冲放电的电压数据，脉冲放电开始后的电压为U₂，脉冲放电结束前的电压为U₃，将U₂至U₃的平均电压作为电压平台

将待分选电池分为测试组和训练组，所述训练组的电池个数至少设有3个；

对训练组电池的充电，电池的标称容量记为C₀，并对完成充电的训练组电池以不大于C₀/5的恒定电流进行放电至下限电压，记录训练组电池的容量，建立脉冲放电时的电压平台与容量之间的函数关系式；通过所述函数关系式估计出测试组电池的容量；

依据脉冲放电时的电压平台和容量的大小分布对待分选电池进行电压平台分级和容量分档处理，通过分级和分档处理的结果完成对待分选电池分选操作。

2.如权利要求1所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：检测待分选电池脉冲放电的电压数据时，还进行检测待分选电池脉冲放电的电流数据，将脉冲放电开始时与脉冲放电结束后的电流差值设为ΔI，脉冲放电前的开路电压设为U₁，U₁与U₃的电压差值为ΔU，计算待分选电池的内阻：R＝ΔU/ΔI，并依据内阻R的分布进一步对待分选电池分级处理。

3.如权利要求1所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：对待分选电池充电时，以恒流恒压进行充电。

4.如权利要求3所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：对待分选电池进行恒流恒压充电时，恒流电流不大于0.5C₀，恒压截至电流不大于0.05C₀。

5.如权利要求1所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：对待分选电池充电结束时，所述待分选电池的电压为其本身额定的充放电区间的20％～90％。

6.如权利要求5所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：所述待分选电池的电压为其本身额定充放电区间的30％～90％。

7.如权利要求1所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：对待分选电池进行高倍率脉冲放电时，对待分选电池静置。

8.如权利要求7所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：静置时间大于30分钟。

9.如权利要求1所述的一种锂离子电池的快速分选方法，其特征在于：对待分选电池进行脉冲放电时，根据待分选电池的类型，选择不同放电倍率放电，当待分选电池为能量型电池时，脉冲放电倍率至少为2C₀，当待分选电池为功率型电池时，脉冲放电倍率至少为至少为5C₀。

10.一种用于如权利要求1所述快速分选方法的分选装置，其特征在于，包括：

测试模块(1)，所述测试模块(1)用于完成对待分选电池的充电和放电操作；

数据获取模块(2)，所述数据获取模块(2)与所述测试模块(1)信号连接，并用于接收所述测试模块作用时的电流和电压数据；

数据分析模块(3)，所述数据分析模块(3)与所述数据获取模块(2)信号连接，并用于根据所述电流和电压数据得到待分选电池的容量、内阻和电压平台数据，并对该容量、内阻和电压平台数据进行分级处理；

数据执行模块(4)，所述数据执行模块(4)与所述数据分析模块(3)信号连接，并用于根据所述分级处理结果完成对待分选电池进行分选操作。