CN110931897B - 一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法 - Google Patents

一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，用于电池分选，该方法利用IC曲线，从电池内部老化机理方面对电池进行分选，使分选出的电池具有更长的使用寿命与更好的一致性，使梯次电池组具有更长的使用寿命。本发明提供的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，将电池容量、电池内阻以及IC曲线检测方式融合在一起，只进行一次测试便可得到电池的三种参数，能够快速提取电池的特征参数，完成分选。

Description

一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及到一种用于梯次利用磷酸铁锂电池快速分选的特征参数快速提取方法。
背景技术：
由于电动汽车行业的兴起，电动汽车的销量成爆发式增长，同时也带动了锂离子动力电池销量的上升。与此同时，电动汽车的井喷式发展同时使得需要进行报废的电池数量急剧上涨。预测到2020年，市场所需报废的电池容量将达到32GWh，这将造成巨大的资源浪费。对于利用在电动汽车上的动力电池来说，为保证其满足电动汽车的续航里程，在电池容量下降到原有容量的80％便需要从汽车上淘汰下来，直接淘汰会造成电池剩余价值的浪费，目前退役梯次电池可用于通信基站、家庭备用电源、储能系统中。
梯次利用电池相比于刚刚出厂的电池，因为其经历过一次使用，电池组内的单体电池在经历不同的充放电过程，在不同的环境温度下工作，其性能也会产生不同的变化，电池组的单体一致性差异要大，内部复杂程度也要高，电池组内部的不一致性将会直接影响电池二次使用的容量性能、功率性能以及电池组的剩余寿命，同时退役电池更有产生故障的可能性，为了保障电池梯次利用的安全性与经济性，必须对电池进行重新分选成组。在现有的方法中，大部分分选方式都只是对电池的外部特性进行分选，如容量、内阻等，很少有人去对电池内部的机理特征进行实验研究进行分选，这样就会导致电池分选成组之后，电池的老化程度与老化速度不一致，电池的不一致性会很快呈现出来，影响梯次电池组的使用寿命。
发明内容：
针对上述问题，本发明提出了梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，快速提取出电池的特征参数，从电池老化机理方面对梯次磷酸铁锂电池进行分选，其技术方案如下：
一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，包括如下具体步骤：
1)对需要进行分选的磷酸铁锂电池按外壳无损坏、无鼓包、无涨包和无漏液现象的四种类型进行分选，淘汰其余电池；
2)对分选出的电池在20℃-30℃环境下进行下述电池特征实验，并按设定周期进行电压和电流采样且包括如下步骤：
2.1)将分选出的电池以恒流恒压方式进行充电，恒流充电电流为1/3C-1C，恒压充电的截止电流为0.02C；
2.2)对充电结束的电池搁置1h-2h；
2.3)对搁置结束的电池以1/5C-1/3C恒流电流进行恒流放电，当电池电压达到指定电压V1时停止放电并搁置1h-2h，再对电池进行一次脉冲充放电过程；所述脉冲充放电过程的具体步骤为：先以1C电流对电池进行脉冲放电，放电时长为10s，搁置40s，然后用0.75C的电流脉冲对电池进行充电，充电脉冲时长为10s，搁置10s；
2.4)对2.3)完成脉冲充放电过程的电池进行恒流放电，恒流放电电流为1/5C-1/3C，当电池电压达到V2时停止放电并搁置1h-2h，再对电池进行一次脉冲充放电过程，脉冲充放电结束后搁置10s；
2.5)对电池进行恒流放电，恒流放电电流为1/5C-1/3C，当电池电压达到截止放电电压时停止放电；
3)计算分选所需参数，所述参数为各电池的电池容量C、电池内阻和IC曲线峰值；
所述电池容量C由下述公式得到
Figure BDA0002295665530000021
其中，t1为步骤2.3)恒流放电的开始时刻，t2为步骤2.5)电池电压达到截止放电电压的时刻；I为充放电电流，设放电时电流为正，充电时电流为负；η为充放电效率；
所述电池内阻为当步骤2.3)中电池电压达到指定电压V1时的内阻R1和当步骤2.4)中电池电压达到指定电压V2时的内阻R2的平均值，其中，R1和R2的计算方法如下：
Figure BDA0002295665530000022
Figure BDA0002295665530000023
Figure BDA0002295665530000031
其中，RC1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Va为步骤2.3)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vb为步骤2.3)中脉冲放电状态末端电压值，Vc为步骤2.3)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vd为步骤2.3)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值。
Figure BDA0002295665530000032
Figure BDA0002295665530000033
Figure BDA0002295665530000034
其中RC2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Ve为步骤2.4)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vf为步骤2.4)中脉冲放电状态末端电压值，Vj为步骤2.4)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vk为步骤2.4)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值；
所述IC曲线峰值为步骤2.4)恒流放电过程中电池的IC曲线中电压最大的1号峰值和次大的2号峰值。
4)首先分选出电池容量大于电池额定容量60％的电池，淘汰其余电池；
然后分选出电池内阻小于等于2倍电池初始内阻的电池，淘汰其余电池；
再分选出2号峰值大于各电池2号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池；
最后分选出1号峰值大于各电池1号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池。
优选地，所述设定周期为1-3s。
优选地，所述V1取电池SOC为95％-98％处的电池电压；V2取2.6V-3V。
优选地，所述V1取电池SOC为98％处的电池电压；V2取3V。
优选地，步骤3中所述IC曲线按如下公式得到：
Figure BDA0002295665530000035
其中，ΔV为电压差值，ΔQ为ΔV内对应的放电容量差值；
优选地，所述电压差值ΔV取30mV-50mV。
优选地，所述电压差值ΔV取40mV。
优选地，步骤3.1)充放电效率η取1。
优选地，步骤1中所述磷酸铁锂电池为对电动汽车上淘汰下来的磷酸铁锂动力电池组拆包后的电池。
优选地，步骤2中所述电池特征实验采用Arbin电池测试系统进行。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果
本发明提供的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，利用IC曲线，从电池内部老化机理方面对电池进行分选，使分选出的电池具有更长的使用寿命与更好的一致性，使梯次电池组具有更长的使用寿命。
本发明提供的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，将电池容量、电池内阻以及IC曲线检测方式融合在一起，只进行一次测试便可得到电池的三种参数，能够快速提取电池的特征参数，进而快速完成分选。
附图说明：
图1为实施例中电池特征实验流程示意图；
图2为实施例中脉冲充放电过程流程示意图；
图3为实施例中电池IC曲线示意图；
图4为实施例中电池第一次脉冲充放电过程电压响应曲线示意图；
图5为实施例中电池第二次脉冲充放电过程电压响应曲线示意图；
图6为实施例中电池特性试验中的电压电流曲线。
具体实施方式：
下面结合具体实施例及对应附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
下面结合具体实施例对本发明作以下进一步的说明：
本实施例采用本发明提出的一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，对磷酸铁锂电池组进行分选，包括以下步骤：
1)首先，将所需要进行分选的磷酸铁锂电池组进行拆包，将其分成单体电池，对拆包后的需要进行分选的各电池进行外观辨识，按外壳无损坏、无鼓包、无涨包和无漏液现象的四种类型进行分选，淘汰其余电池，留下外观完好的电池，完成电池的初步分选。该步骤中的磷酸铁锂电池为电动汽车上淘汰下来的磷酸铁锂动力电池组。
2)将1)中分选出的电池在25℃环境下采用Arbin电池测试系统进行下述电池特征实验，并按设定周期进行电压和电流采样，采样周期为1s，如图1所示，电池特征实验具体步骤为：
2.1)将外观辨别后初步分选出的电池进行充电，充电方式为恒流恒压充电，首先用1/3C-1C恒流电流对电池进行充电，达到充电电压之后转为电池恒压充电，等充电电流下降到0.02C时停止充电；本实施例中恒流电流取1C。
2.2)再对充电结束的电池进行搁置，搁置时长为1h。
2.3)搁置完成后，对电池进行恒流放电，放电电流使用1/5C-1/3C恒流电流，在放电达到指定电压V1之后停止放电，搁置1h，再对电池进行一次脉冲充放电过程，本实施例中恒流放电过程放电电流取1/3C。如图2所示，该脉冲充放电过程的具体步骤为：用1C电流脉冲对电池进行放电，放电脉冲的时长为10s，搁置40s，再用0.75C的电流脉冲对电池进行充电，其脉冲时长为10s，搁置10s。该步骤中V1取电池SOC为98％处的电池电压，此次脉冲充放电过程所得电压响应曲线如图4所示。
2.4)在完成一个脉冲充放电过程之后，继续对电池进行恒流放电，放电电流选择为1/3C，在放电电压达到V2之后停止继续放电，对电池搁置1h，继续对电池施加一个脉冲充放电过程，再搁置10s。此次脉冲充放电过程所得电压响应曲线如图5所示。该步骤中V2取3V。
2.5)完成第二个脉冲充放电过程之后，继续对电池以1/5C-1/3C恒流电流进行恒流放电，本实施例中放电电流选择1/3C电流，直到电池电压达到截至放电电压停止放电，电池特征实验的电流电压曲线如图6所示。
上述步骤中的电流大小用充放电倍率来表示，单位为C，其表示方法为：
Figure BDA0002295665530000051
步骤三：计算分选所需参数，所述参数为各电池的电池容量C、电池内阻和IC曲线峰值；
采用安时积分法，计算2)电池特征实验中各电池的放电容量，并以放电容量作为各电池的电池容量，其计算公式为：
Figure BDA0002295665530000061
其中，t1为步骤2.3)恒流放电的开始时刻，t2为步骤2.5)电池电压达到截止放电电压的时刻；I为充放电电流，设放电时电流为正，充电时电流为负；η为充放电效率，η取1；
所述电池内阻为当步骤2.3)中电池电压达到指定电压V1时的内阻R1和当步骤2.4)中电池电压达到指定电压V2时的内阻R2的平均值，其中，R1和R2的计算方法如下：
Figure BDA0002295665530000062
Figure BDA0002295665530000063
Figure BDA0002295665530000064
其中，RC1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Va为步骤2.3)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vb为步骤2.3)中脉冲放电状态末端电压值，Vc为步骤2.3)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vd为步骤2.3)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值。
Figure BDA0002295665530000065
Figure BDA0002295665530000066
Figure BDA0002295665530000067
其中RC2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Ve为步骤2.4)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vf为步骤2.4)中脉冲放电状态末端电压值，Vj为步骤2.4)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vk为步骤2.4)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值；
如图6所示，上述IC曲线峰值为步骤2.4)恒流放电过程中电池的IC曲线中电压最大的1号峰值和次大的2号峰值，其中，IC曲线的计算公式如下：
Figure BDA0002295665530000071
其中，ΔV为电压差值，ΔQ为ΔV内对应的放电容量差值；本实施例中电压差值ΔV取40mV，所得IC曲线图如图3所示。
步骤四：首先根据步骤3.1)计算的电池容量进行分选，分选出电池容量大于电池额定容量60％的电池，淘汰其余电池；
然后根据步骤3.2)计算的电池内阻进行分选，分选出电池内阻小于等于2倍电池初始内阻的电池，淘汰其余电池；
再根据步骤3.3)中2号峰值进行分选，分选出2号峰值大于各电池2号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池；
最后根据步骤3.3)中1号峰值进行分选，分选出1号峰值大于各电池1号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池。

Claims (8)

1.一种梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，包括如下具体步骤：
1)对需要进行分选的磷酸铁锂电池按外壳无损坏、无鼓包、无涨包和无漏液现象的四种类型进行分选，淘汰其余电池；
2)对分选出的电池在20℃-30℃环境下进行下述电池特征实验，并按设定周期进行电压和电流采样且包括如下步骤：
2.1)将分选出的电池以恒流恒压方式进行充电，恒流充电电流为1/3C-1C，恒压充电的截止电流为0.02C；
2.2)对充电结束的电池搁置1h-2h；
2.3)对搁置结束的电池以1/5C-1/3C恒流电流进行恒流放电，当电池电压达到指定电压V1时停止放电并搁置1h-2h，再对电池进行一次脉冲充放电过程；所述脉冲充放电过程的具体步骤为：先以1C电流对电池进行脉冲放电，放电时长为10s，搁置40s，然后用0.75C的电流脉冲对电池进行充电，充电脉冲时长为10s，搁置10s；V1取电池SOC为95％-98％处的电池电压；
2.4)对2.3)完成脉冲充放电过程的电池进行恒流放电，恒流放电电流为1/5C-1/3C，当电池电压达到指定电压V2时停止放电并搁置1h-2h，再对电池进行一次脉冲充放电过程，脉冲充放电结束后搁置10s；V2取2.6V-3V；
2.5)对电池进行恒流放电，恒流放电电流为1/5C-1/3C，当电池电压达到截止放电电压时停止放电；
3)计算分选所需参数，所述参数为各电池的电池容量C、电池内阻和IC曲线峰值；
所述电池容量C由下述公式得到
Figure FDA0003808463760000011
其中，t1为步骤2.3)恒流放电的开始时刻，t2为步骤2.5)电池电压达到截止放电电压的时刻；I为充放电电流，设放电时电流为正，充电时电流为负；η为充放电效率；
所述电池内阻为当步骤2.3)中电池电压达到指定电压V1时的内阻R1和当步骤2.4)中电池电压达到指定电压V2时的内阻R2的平均值，其中，R1和R2的计算方法如下：
Figure FDA0003808463760000021
Figure FDA0003808463760000022
Figure FDA0003808463760000023
其中，RC1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD1为步骤2.3)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Va为步骤2.3)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vb为步骤2.3)中脉冲放电状态末端电压值，Vc为步骤2.3)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vd为步骤2.3)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值；
Figure FDA0003808463760000024
Figure FDA0003808463760000025
Figure FDA0003808463760000026
其中RC2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池充电电阻，RD2为步骤2.4)中脉冲充放电过程的电池放电电阻，Ve为步骤2.4)中脉冲放电前搁置状态末端电压值，Vf为步骤2.4)中脉冲放电状态末端电压值，Vj为步骤2.4)中脉冲充电前搁置状态末端电压值，Vk为步骤2.4)中脉冲充电状态末端电压值，Id为脉冲放电电流值，Ic为脉冲充电电流值；
所述IC曲线峰值为步骤2.4)恒流放电过程中电池的IC曲线中电压最大的1号峰值和次大的2号峰值；所述IC曲线按如下公式得到：
Figure FDA0003808463760000027
其中，ΔV为电压差值，ΔQ为ΔV内对应的放电容量差值；
4)首先分选出电池容量大于电池额定容量60％的电池，淘汰其余电池；
然后分选出电池内阻小于等于2倍电池初始内阻的电池，淘汰其余电池；
再分选出2号峰值大于各电池2号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池；
最后分选出1号峰值大于各电池1号峰值平均值1/2倍的电池，淘汰其余电池。
2.根据权利要求1所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，所述设定周期为1-3s。
3.根据权利要求2所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，所述V1取电池SOC为98％处的电池电压；V2取3V。
4.根据权利要求3所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，所述电压差值ΔV取30mV-50mV。
5.根据权利要求4所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，所述电压差值ΔV取40mV。
6.根据权利要求1所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，步骤3.1)充放电效率η取1。
7.根据权利要求1所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，步骤1中所述磷酸铁锂电池为对电动汽车上淘汰下来的磷酸铁锂动力电池组拆包后的电池。
8.根据权利要求1所述的梯次利用磷酸铁锂电池的分选方法，步骤2中所述电池特征实验采用Arbin电池测试系统进行。
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