CN110501652B - 一种退役锂电池可用容量快速评估方法及评估装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种退役锂电池可用容量快速评估方法及评估装置，所述方法包括：S1：获取与退役锂电池有相同物理和化学特征的新锂电池的SOC‑OCV关系曲线和充放电曲线；S2：测得退役锂电池的初始开路电压U_P并根据新锂电池的SOC‑OCV关系曲线获得退役锂电池的初始SOC值；S3：获取退役锂电池的充放电曲线；S4：利用安时积分法，并根据退役锂电池的初始SOC值和充放电曲线求得退役锂电池可用容量C₁；根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线，利用充放电曲线匹配法求得退役锂电池的可用容量C₂；S5：结合SOC‑OCV曲线确定C₁和C₂各自的权重，据此融合两种可用容量估计方法的估计值得到最终的容量估计结果。与现有技术相比，本发明具有准确、快速等优点。

Description

一种退役锂电池可用容量快速评估方法及评估装置

技术领域

本发明涉及一种锂电池技术领域，尤其是涉及一种退役锂电池可用容量快速评估方法及评估装置。

背景技术

随着世界能源消耗增大和环境污染严重，以电动汽车为代表的绿色出行工具以其效率高、污染小等特点备受关注，而锂离子电池是电动汽车的重要动力来源，当电动汽车动力电池性能下降到原性能的80％时，该电池属于退役电池而不再适合在电动汽车中使用，但在较低倍率下退役电池仍能表现出较好性能。若将这些退役电池进行回收处理将造成极大浪费，故可考虑将退役电池进行梯次回收利用。由于动力电池组不同单体电池在使用过程中自放电程度、环境温度等因素的不同，导致退役的动力电池的容量、内阻、电压存在不一致性，各单体电池老化程度存在差异。故需要对动力锂离子电池组内各单体电池的健康状态进行个体评估才能高效利用动力锂离子电池组中的每块单体电池。针对退役电池可用容量评估，现行方法是以小倍率进行充放电来获取电池容量，测试周期很长。充分利用电池开路电压，结合大倍率充或放电策略能够降低电池测试时间，而部分电池由于电压平台的原因，导致根据初始开路电压所获取SOC信息误差较大。另一方面可以基于电池在规定条件下的恒流充放电电压曲线，结合合理的算法对电池当前状态下的恒流充放电电压曲线进行平移拉伸变换与标准曲线进行匹配从而获取电池容量，这样可以节约部分测试成本，然而得到的结果依赖于曲线变化匹配的准确度，可靠性仍待进一步考察。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种退役锂电池可用容量快速评估方法及评估装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种退役锂电池可用容量快速评估方法，包括：

S1：获取与退役锂电池有相同物理特征和化学特征的新锂电池的离线数据，所述离线数据包括SOC-OCV关系曲线和充放电曲线；

S2：测试获得退役锂电池的开路电压U_P并根据步骤S1获取的SOC-OCV关系曲线获得退役锂电池当前SOC值；

S3：进行退役锂电池恒流恒压充放电测试并获取充放电过程中的数据和充放电曲线；

S4：利用安时积分法，并根据退役锂电池当前SOC值和退役锂电池充放电过程中的数据求得退役锂电池可用容量C₁；

根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线，利用充放电曲线匹配法求得退役锂电池可用容量C₂；

S5：计算出退役锂电池的SOC-OCV曲线在电压区间[U_P-0.2,U_P+0.2](V)内的平均斜率k，获得利用安时积分法和充放电曲线匹配法分别求得的退役锂电池可用容量C₁和C₂的对应权重ω₁和ω₂：

ω₂＝1-ω₁

则：

C_p＝ω₁×C₁+ω₂×C₂

其中，C_p为退役锂电池可用容量最终计算结果。

进一步地，步骤S2基于以下假设：

退役锂电池由于其经历了长时间的运输、拆解等过程，可认为退役锂电池处于长时间的静置状态，此时测得其端电压记为U_P，可认为U_P即为其当前开路电压，假设电池在老化过程中，SOC-OCV关系基本不变或变化很小。

进一步地，步骤S5的充放电曲线匹配法基于以下假设：

同类型的两块单体锂电池在相同的使用条件、内阻、初始剩余电量和容量条件下，这两块锂电池的充电电压—充电安时曲线或放电电压—放电安时曲线匹配重合，且对于内阻、初始剩余电量和容量不相同的两块单体锂电池，可以通过充电电压—充电安时曲线或放电电压—放电安时曲线的伸缩平移变换实现两块电池的充电电压—充电安时曲线或放电电压—放电安时曲线匹配重合，即通过曲线的上下平移，完成对不同内阻单体电池的曲线补偿，通过左右平移，完成不同初始容量单体电池的补偿，而通过对曲线沿充电电量轴的缩放完成不同容量单体电池的补偿，实现曲线重合。

进一步地，步骤S1所述SOC-OCV关系曲线的构建过程具体为：

获取新锂电池可用容量C_n，具体过程为：将新锂电池在25℃下以1C倍率恒流充电至截止电压后恒压充电至电流衰减为0.05C，搁置1h，以1C倍率横流放电至截至电压，重复充电、放电三次，若三次充电容量极差小于额定容量的3％，则以三次测试的平均容量作为新锂电池可用容量C_n。

进一步地，建立OCV与SOC的函数关系具体过程为：

将新锂电池在25℃下放电至截止电压后静置1h，获得SOC为0时的开路电压，然后采用间歇充电的方式，将新锂电池充电至不同的SOC静置1h，待电压稳定后，记录电压数据，从而获得新锂电池在不同SOC下的开路电压OCV，利用最小二乘法建立OCV与SOC的函数关系：

上式中，N_OCV为多项式阶数，β_1i为多项式系数，通过拟合实验SOC-OCV数据获得，SOC根据电流积分法计算：

上式即为适用于新锂电池的SOC-OCV关系曲线函数表达式，上式中SOC(0)为退役锂电池当前SOC值，SOC(t)为t时刻SOC值，I为负载电流，以充电电流为正。

进一步地，步骤S1所述充放电曲线的获取过程为：

将电池在25℃以不同倍率先恒流放电至截止电压再恒压放电至电流减小到0.05C(即CCCV放电)，静置1h后以不同倍率先恒流充电至截止电压再恒压放电至电流减小到0.05C(即CCCV充电)。其中放电测试恒流放电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,dis/4)，max(2C，I₁＜C_max,dis)]内选取，C_max,dis为电池额定最大放电倍率，充电测试恒流充电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,cha/4)，max(2C，C_max,cha)]内选取，C_max,cha为电池额定最大充电倍率，重复测试，每次采用上述选择的不同充电或放电电流以获取电池在不同充电或放电电流下的电流和电压数据。

进一步地，步骤S3所述退役锂电池恒流恒压充放电测试具体为：

若退役锂电池SOC初始值SOC(0)>50％，则以电流I₁对待测电池进行CCCV放电实验，I₁＜C_max,dis，即将该电池在25℃下以I₁恒流放电至截止电压后再恒压放电直至电流衰减为0.05C；若SOC(0)<50％，则以电流I₂进行CCCV充电实验，I₂＜C_max,cha，即将该电池在25℃下以I₂恒流充电至截止电压后恒压充电直至电流衰减为0.05C。记录充放电过程中的电流、电压及时间。

进一步地，步骤S4所述利用安时积分法具体为：

对步骤S3所述退役锂电池充放电过程中的数据所包含的电流和时间数据进行积分，获得始末过程退役锂电池充入或放出的总电量∑IΔt；

依据退役锂电池SOC初始值SOC(0)，SOC(0)＝X₁，求得整个充放电过程电池SOC的变化数值ΔSOC，计算出退役锂电池电池容量：

其中，充电过程ΔSOC＝1-X₁，放电过程ΔSOC＝X₁。

进一步地，步骤S4所述利用充放电曲线匹配法具体为：

假定电池充电曲线是内阻、初始SOC和可用容量C的函数，假设已知容量C_n、初始SOC_n的电池单体的充电曲线为f_n，待测退役锂电池的充电曲线为f_i，对曲线f_i进行上下平移Δh、左右平移ΔQ以及按比例k沿横轴缩放使其与f₀重合。则退役电池可用容量C₂可依据标准电池容量C_n以及缩放系数k用下式计算：

C₂＝kC_n

其初始SOC₂，可根据标准电池初始SOC_n、左右平移距离ΔQ以及标准电池容量C_n用下式计算：

一种退役锂电池可用容量快速评估装置，包括：

锂电池检测模块，用于进行退役锂电池和新锂电池的开路电压检测和充放电测试实验，获得新锂电池的SOC-OCV关系曲线和充放电曲线以及退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压；

退役锂电池可用容量估算模块，用于结合安时积分法，并根据退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压求得退役锂电池可用容量C₁，且利用充放电曲线匹配法并根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线求得退役锂电池的可用容量C₂；

加权融合模块，用于将分别利用安时积分法和充放电曲线匹配法获得的退役锂电池可用容量C₁和C₂进行加权融合求得最终退役锂电池可用容量评估结果，获得最终退役锂电池可用容量评估结果C_p。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明基于加权融合法利用安时积分得到的退役锂电池的容量评估结果对充放电电压曲线匹配法求得的退役锂电池的评估结果进行同步矫正，提高了退役锂电池可用容量评估的准确度。

(2)本发明综合利用电池标准充放电数据并结合充放电匹配技术以及大电流充放电测试方法，整个测试流程耗时短，检测效率较高。

(3)本发明对于电池测试的硬件要求不高，在正常测试条件下相较于其它方法具有成本低、简便易行的优势。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种退役锂电池可用容量快速评估方法，包括：

S1：获取与退役锂电池有相同物理和化学特征的新锂电池的SOC-OCV关系曲线和充放电曲线；

S2：测得退役锂电池的初始开路电压U_P并根据新锂电池的SOC-OCV关系曲线获得退役锂电池的初始SOC值；

S3：获取退役锂电池的充放电曲线；

S4：利用安时积分法并根据退役锂电池的初始SOC值和充放电曲线求得退役锂电池可用容量C₁；

根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线，利用充放电曲线匹配法求得退役锂电池的可用容量C₂；

S5：计算出退役锂电池的SOC-OCV曲线在电压区间[U_P-0.2,U_P+0.2](V)内的平均斜率k，获得利用安时积分法和充放电曲线匹配法分别求得的退役锂电池可用容量C₁和C₂的对应权重ω₁和ω₂：

ω₂＝1-ω₁

则：

C_p＝ω₁×C₁+ω₂×C₂

其中，C_p为退役锂电池可用容量最终计算结果。

步骤S2基于以下假设：

退役锂电池由于其经历了长时间的运输、拆解等过程，可认为退役锂电池处于长时间的静置状态，此时测得其端电压记为U_P，可认为U_P即为其开路电压，假设电池在老化过程中，SOC-OCV关系基本不变或变化很小。

步骤S1所述SOC-OCV关系曲线的构建过程具体为：

获取新锂电池容量C_n，具体过程为：

将新锂电池在25℃下以1C倍率恒流充电至截止电压后恒压充电至电流衰减为0.05C，搁置1h，以1C倍率横流放电至截至电压，重复充电、放电三次，若三次充电容量极差小于额定容量的3％，则以三次测试的平均容量作为新锂电池可用容量C_n。

建立OCV与SOC的函数关系具体过程为：

将新锂电池在25℃下放电至截止电压后静置1h，获得SOC为0时的开路电压，然后采用间歇充电的方式，将新锂电池充电至不同的SOC静置1h，待电压稳定后，记录电压数据，从而获得新锂电池在不同SOC下的开路电压OCV，利用最小二乘法建立OCV与SOC的函数关系：

上式中，N_OCV为多项式阶数，β_1i为多项式系数，通过拟合实验SOC-OCV数据获得，SOC根据电流积分法计算：

上式即为适用于新锂电池的SOC-OCV关系曲线函数表达式，上式中SOC(0)为退役锂电池当前SOC值，SOC(t)为t时刻SOC值，I为负载电流，以充电电流为正。

步骤S1所述充放电曲线的获取过程为：

将电池在25℃以不同倍率先恒流放电至截止电压再恒压放电至电流减小到0.05C(即CCCV放电)，静置1h后以不同倍率先恒流充电至截止电压再恒压放电至电流减小到0.05C(即CCCV充电)。其中放电测试恒流放电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,dis/4)，max(2C，I₁＜C_max,dis)]内选取，C_max,dis为电池额定最大放电倍率，充电测试恒流充电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,cha/4)，max(2C，C_max,cha)]内选取，C_max,cha为电池额定最大充电倍率，重复测试，每次采用上述选择的不同充电或放电电流以获取电池在不同充电或放电电流下的电流和电压数据。

步骤S3所述退役锂电池恒流恒压充放电测试具体为：

若退役锂电池SOC初始值SOC(0)>50％，则以电流I₁对待测电池进行CCCV放电实验，I₁＜C_max,dis，即将该电池在25℃下以I₁恒流放电至截止电压后再恒压放电直至电流衰减为0.05C；若SOC(0)<50％，则以电流I₂进行CCCV充电实验，I₂＜C_max,cha，即将该电池在25℃下以I₂恒流充电至截止电压后恒压充电直至电流衰减为0.05C。记录充放电过程中的电流、电压及时间。

利用安时积分法具体为：

退役锂电池充放电过程中的数据所包含的电流和时间数据进行积分，获得始末过程退役锂电池充入或放出的总电量∑IΔt；

依据退役锂电池SOC初始值SOC(0)，SOC(0)＝X₁，求得整个充放电过程电池SOC的变化数值ΔSOC，计算出退役锂电池电池容量：

其中，充电过程ΔSOC＝1-X₁，放电过程ΔSOC＝X₁。

充放电曲线匹配法：

假设同类型的两块单体锂电池在相同的使用条件、内阻、初始剩余电量和容量条件下，这两块锂电池的充电电压—充电安时曲线重合，且对于内阻、初始剩余电量和容量不相同的两块单体锂电池，可以通过充电电压—充电安时曲线的变换，缩放实现两块电池的充电电压—充电安时曲线重合，即通过曲线的上下平移，完成对不同内阻单体电池的曲线补偿，通过左右平移，完成不同初始容量单体电池的补偿，而通过对曲线沿充电电量轴的缩放完成不同容量单体电池的补偿，最终实现曲线重合；该理论也适用于放电电压—放电安时曲线匹配。

利用充放电曲线匹配法具体为：

假定电池充电曲线是内阻、初始SOC和可用容量C的函数，假设已知容量C_n、初始SOC_n的电池单体的充电曲线为f_n，待测退役锂电池的充电曲线为f_i，对曲线f_i进行上下平移Δh、左右平移ΔQ以及按比例k沿横轴缩放使其与f₀重合。则退役电池可用容量C₂，可依据标准电池容量C_n以及缩放系数k用下式计算：

C₂＝kC_n

其初始SOC₂，可根据标准电池初始SOC_n、左右平移距离ΔQ以及标准电池容量C_n用下式计算：

实施例二

与实施例一对应的一种退役锂电池可用容量快速评估装置，包括：

锂电池检测模块，用于进行退役锂电池和新锂电池的开路电压检测和充放电测试实验，获得新锂电池的SOC-OCV关系曲线和充放电曲线以及退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压；

退役锂电池可用容量估算模块，用于利用安时积分法并根据退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压求得退役锂电池可用容量C₁，且利用充放电曲线匹配法并根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线求得退役锂电池的可用容量C₂；

加权融合模块：用于将分别利用安时积分法和充放电曲线匹配法获得的退役锂电池可用容量C₁和C₂进行加权融合求得最终退役锂电池可用容量评估结果，获得最终退役锂电池可用容量评估结果C_p

实施例一和实施例二提出了一种基于安时积分法与充放电电压曲线匹配技术相结合的退役电池可用容量的评估方法及装置，通过充分利用退役锂电池的充放电测试的电流、时间数据与同型号新锂电池测试电压、时间数据，实现了退役锂电池容量的准确、快速评估。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，包括：

S1：获取与退役锂电池有相同物理和化学特征的新锂电池的SOC-OCV关系曲线和充放电曲线；

S2：测得退役锂电池的初始开路电压U_P并根据新锂电池的SOC-OCV关系曲线获得退役锂电池的初始SOC值；

S3：获取退役锂电池的充放电曲线；

S4：利用安时积分法，并根据退役锂电池的初始SOC值和充放电曲线求得退役锂电池可用容量C₁；

根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线，利用充放电曲线匹配法求得退役锂电池的可用容量C₂；

S5：计算出退役锂电池的SOC-OCV曲线在电压区间[U_P-0.2,U_P+0.2]内的平均斜率k，获得利用安时积分法和充放电曲线匹配法分别求得的退役锂电池的容量C₁和C₂的对应权重ω₁和ω₂：

ω₂＝1-ω₁

则：

C_p＝ω₁×C₁+ω₂×C₂

其中，C_p为退役锂电池可用容量最终计算结果；

步骤S3所述充放电曲线的获取过程为：

若退役锂电池SOC初始值SOC(0)>50％，则以电流I₁对待测电池进行CCCV放电实验，I₁＜C_max,dis，若SOC(0)<50％，则以电流I₂进行CCCV充电实验，I₂＜C_max,cha；

其中，退役锂电池SOC初始值SOC(0)即退役锂电池当前SOC值，C_max,dis为电池额定最大放电倍率，C_max,cha为电池额定最大充电倍率。

2.根据权利要求1所述的一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，步骤S1所述SOC-OCV关系曲线的获取过程具体为：

获取新锂电池可用容量C_n以及在不同SOC下的开路电压OCV，利用最小二乘法建立OCV与SOC的函数关系：

上式中，N_OCV为多项式阶数，β_1i为多项式系数，通过拟合实验SOC-OCV数据获得，SOC根据电流积分法计算：

上式即为适用于新锂电池的SOC-OCV关系曲线函数表达式，上式中SOC(0)为退役锂电池当前SOC值，SOC(t)为t时刻SOC值，I为负载电流，以充电电流为正。

3.根据权利要求2所述的一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，所述获取新锂电池可用容量C_n具体过程为：

将新锂电池在25℃下以1C倍率恒流充电至截止电压后恒压充电至电流衰减为0.05C，搁置1h，以1C倍率恒流放电至截至电压，重复充电、放电三次，若三次充电容量极差小于额定容量的3％，则以三次测试的平均容量作为新锂电池可用容量C_n。

4.根据权利要求2所述的一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，步骤S4所述利用充放电曲线匹配法具体为：

新锂电池的充电曲线为f₀，退役锂电池的充电曲线为f_i，对曲线f_i进行平移以及按比例k沿横轴缩放使其与f₀重合，则：

C₂＝kC_n

其中，C₂为退役锂电池容量。

5.根据权利要求1所述的一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，步骤S4所述利用安时积分法具体为：

对步骤S3所述退役锂电池充放电过程中的数据所包含的电流和时间数据进行积分，获得始末过程退役锂电池充入或放出的总电量∑IΔt；

依据退役锂电池SOC初始值SOC(0)，SOC(0)＝X₁，求得整个充放电过程电池SOC的变化数值ΔSOC，计算出退役锂电池电池容量：

其中，充电过程ΔSOC＝1-X₁，放电过程ΔSOC＝X₁。

6.根据权利要求1所述的一种退役锂电池可用容量快速评估方法，其特征在于，步骤S1所述充放电曲线的获取过程为：

将新锂电池以不同倍率进行恒流恒压放电，静置后再以不同倍率进行恒流恒压充电，重复测试，得到电池在不同充电或放电电流下的电流和电压数据，获取充放电曲线；

其中放电测试恒流放电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,dis/4)，max(2C，I₁＜C_max,dis)]内选取，C_max,dis为电池额定最大放电倍率，充电测试恒流充电阶段电流在倍率区间[min(0.5C，C_max,cha/4)，max(2C，C_max,cha)]内选取，C_max,cha为电池额定最大充电倍率。

7.一种实现如权利要求1所述方法的退役锂电池可用容量快速评估装置，其特征在于，包括：

锂电池检测模块，用于进行退役锂电池和新锂电池的开路电压检测和充放电测试实验，获得新锂电池的SOC-OCV关系曲线和充放电曲线以及退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压；

退役锂电池可用容量估算模块，用于结合安时积分法，并根据退役锂电池的充放电曲线和初始开路电压求得退役锂电池可用容量C₁，且利用充放电曲线匹配法并根据新锂电池和退役锂电池的充放电曲线求得退役锂电池的可用容量C₂；

加权融合模块，用于将分别利用安时积分法和充放电曲线匹配法获得的退役锂电池可用容量C₁和C₂进行加权融合求得最终退役锂电池可用容量评估结果，获得最终退役锂电池可用容量评估结果C_p。

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