CN110749832B - 一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，通过对多个退役锂离子单体电池并联构成的电池组，在恒流放电过程中各单体锂离子电池电流分布的测量及分析，发现在电池组恒流放电的中期，即电池组的SOC大约在20％‑80％区间内，各单体锂离子电池的电流平均值的比值近似为各单体锂离子电池实际容量的比值，因此可以利用这一关系来快速估算单体退役电池的实际容量，提高退役锂离子电池容量估计效率，减少估算成本，对退役锂离子电池的再利用具有重要意义。

Description

一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法
技术领域
本发明涉及退役锂离子电池实际容量的估算领域，具体涉及一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染的加剧，交通能源转型势在必行。运用绿色环保的锂离子电池作为动力电源的电动汽车可有效减少路面排放，受到国内外汽车研究机构和厂商的高度重视。但动力电池组成本较高，而且当其容量衰减为额定容量的70-80％时，电池组将会被退役。退役的电池组虽不能满足电动汽车使用，但其容量完全能够满足储能设备的使用，仍然具有很大的再利用价值。
然而，退役下来的电池的容量、内阻等参数差异较大，并不能直接应用，需要对其进行重新筛选配组。电池组在出厂时的容量为已知的额定容量，但退役时的实际容量为未知量，这就要求获取退役单体锂离子电池的容量等参数。对于大规模退役的电池，传统的容量测量方法为对每个单体锂离子电池至少进行一次完整的充放电周期，该方法耗时长、效率低、成本高。因此，研究发明一种电动汽车退役锂离子电池的实际容量快速估算方法，对电动汽车退役电池再利用的推广具有重要意义。
发明内容
针对现有的退役锂离子电池检测容量方法耗时长、效率低、成本高的问题，本发明提供了一种电动汽车退役锂离子电池的实际容量快速估算方法。
本发明采用以下的技术方案：
一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，包括以下步骤：
步骤1：退役电池模块中拆分为单体锂离子电池，已知出厂时单体锂离子电池的额定容量为C，退役后的实际容量为所需估算的未知量Cix，i为正整数；
步骤2：任意选取N个退役单体锂离子电池进行并联构成额定容量为NC的并联电池组，则其退役单体锂离子电池实际容量分别记为C1x、C2x、…、CNx；
步骤3：并联电池组静置1小时，然后对并联电池组以0.2-0.3NC的电流进行恒流充电直至电池充电至截止电压V1，然后进行恒压充电，直至电流降为0.1NC；
步骤4：静置半小时，然后对并联电池组以0.2-0.3NC的电流Ipack进行恒流放电直至电池组的放电至截止电压V2，记录这一过程的并联电池组中各个单体锂离子电池的放电电流值，以及放电时间T，通过积分计算得到退役并联电池组实际容量即为
Figure GDA0003154103080000011
步骤5：根据步骤4中的单体锂离子电池的电流数据，计算得到电池组的荷电状态SOCpack，并计算SOCpack在20％-80％这个范围内的每个单体锂离子电池的电流平均值记为I1、I2、…、IN，运用单体锂离子电池电流与其实际容量的近似关系式：I1:I2:…:IN＝C1x:C2x:…:CNx，并结合步骤4中计算得到的Cpack，得到估算的各个单体锂离子电池的实际容量：
Figure GDA0003154103080000021
优选地，并联电池组中的每个单体锂离子电池均连接有一个电流霍尔传感器，电流霍尔传感器进行单体锂离子电池的电流检测；
并联电池组连接有充放电设备，充放电设备对并联电池组进行充放电操作。
优选地，步骤4中的各个单体锂离子电池的放电电流值的取样频率不低于0.1Hz。
优选地，截止电压V1和截止电压V2是由电池材料决定的；
磷酸铁锂充电截止电压为3.65-3.7V、放电截止电压为2.5-2.7V，三元电池充电截止电压为4.15-4.2V、放电截止电压为2.5-2.7V。
优选地，荷电状态SOCpack的计算公式为：
Figure GDA0003154103080000022
其中，t为放电时间。
本发明具有的有益效果是：
从单体锂离子电池并联成组的新角度出发，通过理论分析和实验验证得出电池组中内部单体锂离子电池的电流与其容量的近似关系式，根据这一关系仅对并联电池组进行一次充放电周期便可同时估算出电池组中所有单体锂离子电池的容量，大大提高估算效率，减少估算成本，对电动汽车退役电池再利用的推广具有重要意义。
附图说明
图1为并联电池组连接及电流检测示意图。
图2为实施例1中恒流放电下并联电池组内单体锂离子电池电流分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图1，一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，包括以下步骤：
步骤1：退役电池模块中拆分为单体锂离子电池，已知出厂时单体锂离子电池的额定容量为C，退役后的实际容量为所需估算的未知量Cix，i为正整数。
步骤2：任意选取N个退役单体锂离子电池进行并联构成额定容量为NC的并联电池组，则其退役单体锂离子电池实际容量分别记为C1x、C2x、…、CNx。
如图1所示，并联电池组中的每个单体锂离子电池均连接有一个电流霍尔传感器，电流霍尔传感器进行单体锂离子电池的电流检测。
并联电池组连接有充放电设备，充放电设备对并联电池组进行充放电操作。
步骤3：并联电池组静置1小时，然后对并联电池组以大约0.2-0.3NC的电流进行恒流充电直至电池充电至截止电压V1，然后进行恒压充电，直至电流降为0.1NC。
步骤4：静置半小时，然后对并联电池组以大约0.2-0.3NC的电流Ipack进行恒流放电直至电池组的放电至截止电压V2，记录这一过程的并联电池组中各个单体锂离子电池的放电电流值，以及放电时间T，该过程中各个单体锂离子电池的放电电流值的取样频率不低于0.1Hz。
通过积分计算得到退役并联电池组实际容量即为
Figure GDA0003154103080000031
截止电压V1和截止电压V2是由电池材料决定的。
例如，磷酸铁锂充电截止电压为3.65-3.7V、放电截止电压为2.5-2.7V，三元电池充电截止电压为4.15-4.2V、放电截止电压为2.5-2.7V。
步骤5：根据步骤4中的单体锂离子电池的电流数据，计算得到电池组的荷电状态SOCpack，并计算SOCpack在20％-80％这个范围内内的每个单体锂离子电池的电流平均值记为I1、I2、…、IN，运用单体锂离子电池电流与其实际容量的近似关系式：I1:I2:…:IN＝C1x:C2x:…:CNx，并结合步骤4中计算得到的Cpack，得到估算的各个单体锂离子电池的实际容量：
Figure GDA0003154103080000032
荷电状态SOCpack的计算公式为：
Figure GDA0003154103080000033
其中，t为放电时间。
其中，在放电初期(SOCpack在100％-80％的范围内)为并联均衡过程，单体锂离子电池的电流分布变化波动较大；而在放电后期(SOCpack<20％的范围内)，由于电池开路电压明显降低以及内阻明显增大的影响，致使单体锂离子电池电流分布变化波动大；因此，在电流波动相对较小的区域通过计算得到电池组SOCpack大约在80％-20％这个范围内，在此区域内各单体锂离子电池电流平均值的比值近似等于其实际容量的比值，即：I1:I2:…:IN＝C1x:C2x:…:CNx。
实施例1
选取了典型的某电动汽车退役的3块18650三元锂离子电池(N＝3)，单体锂离子电池的标称容量为3.2Ah。
结合图1和图2，对这3块电池的估算方法如下：
步骤a：3个单体锂离子电池(N＝3)并联形成并联电池组，每个单体锂离子电池的电流由电流霍尔传感器检测，充放电电流由通用的充放电设备提供；
3个单体锂离子电池实际容量分别记为C1x、C2x、C3x。
步骤b：并联电池组静置1小时，以2.8A(即0.29NC＝0.29×3×3.2A)的电流进行恒流充电直至电池充电截止电压4.2V，然后进行恒压充电，直至充电电流降为0.96A(即1/10NC＝0.1×3×3.2A)；
步骤c：静置半小时；
以2.8A的电流Ipack＝2.8A进行恒流放电直至电池组的放电截止电压2.7，记录这一过程的电池组中各个单体锂离子电池的放电电流值(采样周期为1S)，以及总放电时间T＝10750S；通过积分计算得到退役并联电池组实际容量即为
Figure GDA0003154103080000041
步骤d：如图2所示为步骤c中恒流放电过程中电池组内各单体锂离子电池电流分布，在放电初期(A区域)为并联均衡过程，电流分布变化波动较大；而在放电后期(C区域)，由于电池开路电压明显降低以及内阻明显增大的影响，致使单体锂离子电池电流分布变化波动大；因此除去A、C区域，在电流波动相对较小的区域(B区域)，通过计算得到电池组SOCpack大约在20％-80％内的各单体锂离子电池电流平均值为I1、I2、I3，如图2中虚线所示；
步骤e：根据并联电池组内单体锂离子电池电流分布与其实际容量的近似关系式：I1:I2:…:IN＝C1x:C2x:…:CNx，并结合计算得到的Cpack，便可得到估算的各个单体锂离子电池的实际容量：
Figure GDA0003154103080000042
Figure GDA0003154103080000043
Figure GDA0003154103080000044
为了验证本方法的测得的实际容量的准确性，对上述3个单体锂离子电池分别进行传统方法的容量标定：用I4(I4为1/4C倍率电流，0.8A)恒流进行充电至截止电压4.2V，然后恒压充电至充电电流降为I10(I10为1/10C倍率电流，0.32A)，静止1小时，然后对电池以I4恒流进行放电至截止电压2.7V，最后根据I4和放电时间积分获得电池的实际容量Ci，i＝1、2、3，标定得到的实际容量如表1所示。
如表1所示，用传统方法测得的单体锂离子电池的容量分别为2.58、2.77和3.05。
表1中还有本方法中平均电流Ii的数值，采用本方法估算的3个单体锂离子电池的容量，相对误差。
如表1所示，运用本发明的估算方法，仅对电池组进行一次充放电周期，便可估算得到每个单体退役锂离子电池的实际容量，且其误差小于2％，估算精度高。
表1
Figure GDA0003154103080000051
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：退役电池模块中拆分为单体锂离子电池，已知出厂时单体锂离子电池的额定容量为C，退役后的实际容量为所需估算的未知量Cix，i为正整数；
步骤2：任意选取N个退役单体锂离子电池进行并联构成额定容量为NC的并联电池组，则其退役单体锂离子电池实际容量分别记为C1x、C2x、…、CNx；
步骤3：并联电池组静置1小时，然后对并联电池组以0.2至0.3倍NC的电流进行恒流充电直至电池充电至截止电压V1，然后进行恒压充电，直至电流降为0.1NC；
步骤4：静置半小时，然后对并联电池组以0.2至0.3倍NC的电流Ipack进行恒流放电直至电池组的放电至截止电压V2，记录这一过程的并联电池组中各个单体锂离子电池的放电电流值，以及放电时间T，通过积分计算得到退役并联电池组实际容量即为
Figure FDA0003154103070000011
步骤5：根据步骤4中的单体锂离子电池的电流数据，计算得到电池组的荷电状态SOCpack，并计算SOCpack在20％-80％这个范围内的每个单体锂离子电池的电流平均值记为I1、I2、…、IN，运用单体锂离子电池电流与其实际容量的近似关系式：I1:I2:…:IN＝C1x:C2x:…:CNx，并结合步骤4中计算得到的Cpack，得到估算的各个单体锂离子电池的实际容量：
Figure FDA0003154103070000012
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，其特征在于，并联电池组中的每个单体锂离子电池均连接有一个电流霍尔传感器，电流霍尔传感器进行单体锂离子电池的电流检测；
并联电池组连接有充放电设备，充放电设备对并联电池组进行充放电操作。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，其特征在于，步骤4中的各个单体锂离子电池的放电电流值的取样频率不低于0.1Hz。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，其特征在于，截止电压V1和截止电压V2是由电池材料决定的；
磷酸铁锂充电截止电压为3.65-3.7V、放电截止电压为2.5-2.7V，三元电池充电截止电压为4.15-4.2V、放电截止电压为2.5-2.7V。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役锂离子电池实际容量的快速估算方法，其特征在于，荷电状态SOCpack的计算公式为：
Figure FDA0003154103070000013
其中，t为放电时间。
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