CN111007413B - 一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法 - Google Patents

一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，包括步骤：测量并拟合出一只电池在不同SOC下OCV曲线；存储前按照1C的电流进行充放电测试，标定其存储前实际容量C0；将电池调整到指定SOC，此时存储容量为Cbefore，经充分静置测定其存储前电压V0；将电池进行预设时长存储；存储结束后取出电池并测量电压V1；计算其存储前理论荷电状态x0和存储后理论荷电状态x1；放电测试，放出电量为Cafter；再充放电测试，放出容量为C1；计算并判断电池存储过程中容量损失。本发明的方法，可在不损坏电池的情况下，判断电池容量损失，对日历寿命研究、长期存储SOC选择等具有指导意义。

Description

一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，特别是涉及一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法。
背景技术
锂离子电池凭借其能量密度高、使用寿命长等优点，在手机、笔记本电脑等3C数码领域得到广泛应用。目前，全球新能源汽车市场进入快速发展通道。动力电池领域受全球新能源汽车市场快速发展带动，成为近年来拉动全球锂离子电池市场高速增长的主要因素。
寿命是考量锂离子电池性能好坏的重要指标之一，尤其是锂离子电池应用在汽车上最为关键性指标之一，这主要是由于车主对于车辆的可使用年限和可行驶里程两方面所做的考虑，根据这个要求，往往从循环寿命和日历寿命两个方面评价电池寿命。
其中，循环寿命是指电池在工况循环或者常规循环过程中达到寿命终止所需要的时间；日历寿命是指电池在某参考温度下、开路状态达到寿命终止所需要的时间，即电池在备用状态下的寿命。总之，日历寿命是在最低化电池使用的条件下，评估了时间的流逝对电池性能的影响。目前，对于锂离子电池日历寿命的研究，由于受长时间存储、测试分析数据量巨大的限制，研究较少。然而，在实际电池使用过程中，尤其是电动汽车，其大部分时间是在进行存储，故日历寿命对锂离子电池可使用年限的影响尤为关键。
锂离子电池的日历存储衰减，主要和锂离子电池的荷电状态、存储温度等因素相关，一般认为荷电状态越高、存储温度越高，则锂离子电池的容量衰减速度也就越快，因此，通常在锂离子电池需要存储时，一般都会将锂离子电池的荷电状态调低、并将电池存放在较低的温度下。
然而，目前还没有一种方法，能够分析锂离子电池的容量衰减机制，缺乏对锂离子电池存储过程中容量衰减的有效判断。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法。
为此，本发明提供了一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，包括以下步骤：
第一步，选取一只锂离子电池，测量其在不同荷电状态SOC下的开路电压OCV，从而拟合出电池在不同SOC下的OCV曲线，即V＝f(x)，其中V为开路电压，x为荷电状态；
第二步，在对待存储的该锂离子电池进行存储前，将该锂离子电池按照1C的电流进行充放电测试，以标定其存储前的实际容量C0；
第三步，将待存储的该锂离子电池调整到指定的SOC，此时锂离子电池的存储容量为Cbefore，经充分静置，测定其在存储前的电压V0；
第四步，将待存储的该锂离子电池放在指定的测试环境下，进行预设时长的存储；
第五步，在存储结束后，取出该锂离子电池，并测量其存储后的电压V1；
第六步，将该锂离子电池在存储前的电压V0和存储后的电压V1，代入V＝f(x)，得到该锂离子电池在存储前的理论荷电状态x0和存储后的理论荷电状态x1；
第七步，对存储后的该锂离子电池进行放电测试，放出的电量为Cafter；再进行一次充放电测试，放出的容量为C1；
第八步，根据预设计算公式，计算电池存储过程中的可逆容量损失和不可逆容量损失，并通过比较可逆容量损失和不可逆容量损失的大小，计算电池存储过程中理论容量残余和理论容量恢复。
其中，在第八步中，具体包括以下步骤：
第一子步骤，根据测试数据，计算电池的实际容量损失Ract、实际容量残余Rres,act和实际容量恢复Rrec,act，计算公式如下：
Figure GDA0003179476450000031
Figure GDA0003179476450000032
Figure GDA0003179476450000033
第二子步骤，基于计算数据，进一步计算电池的理论容量损失Rcal、理论容量残余Rres,cal和理论容量恢复Rrec,cal，计算公式如下：
Rcal＝x0-x1， 公式(4)；
Figure GDA0003179476450000034
Rrec,cal＝1-(Ract-Rcal)， 公式(6)；
其中，可逆容量损失等于理论容量损失，电池存储过程中可逆容量损失为Rcal，不可逆容量损失等于实际容量损失和理论容量损失之间的差值，即为Ract-Rcal。
其中，在第八步中，锂离子电池容量损失分为可逆容量损失和不可逆容量损失，当不可逆容量损失所占比例越高，则计算得到的理论容量恢复越低，即对电池存储越不利。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，其通过电压测试，便可以在不损坏电池的情况下判断电池容量损失，对最优化电池长期存储条件、延长电池日历寿命具有指导意义，从而进一步让锂电池企业可以指导用户在使用锂电设备过程中合理化设备存储荷电状态，以最大化延长设备使用年限。
本发明具有快速、高效、准确性高的优点，无需占用大量测试资源和时间，能够大大节省测试成本和提高效率，可大规模推广和应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法的流程图；
图2为本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，在具体实施例中，电池在不同SOC下的OCV曲线；
图3为本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，在具体实施例中，电池的实际容量损失和理论容量损失对比图；
图4为本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，在具体实施例中，电池的实际容量残余和理论容量残余对比图；
图5为本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，在具体实施例中，电池的实际容量恢复和理论容量恢复对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，能够测试不同荷电状态的电池存储前后电压变化、容量衰减，计算电池存储过程中可逆容量损失和不可逆容量损失；具体包括以下步骤：
第一步，选取一只锂离子电池，测量其在不同荷电状态SOC(State of charge)下的开路电压OCV(Open circuit voltage)，从而拟合出电池在不同SOC下的OCV曲线，即V＝f(x)，其中V为开路电压，x为荷电状态；
第二步，在对待存储的该锂离子电池进行存储前，将该锂离子电池按照1C(C为电池标称容量)的电流进行充放电测试，以标定其存储前的实际容量C0；
第三步，将待存储的该锂离子电池调整到指定的SOC，此时锂离子电池的存储容量为Cbefore，经充分静置(例如6小时的静置)，测定其在存储前的电压V0；
第四步，将待存储的该锂离子电池放在指定的测试环境(例如预设温度环境下，如15～25摄氏度的室温环境)下，进行预设时长的存储(具体为长期存储，例如三十天或者三个月)；
第五步，在存储结束后，取出该锂离子电池，并测量其存储后的电压V1；
第六步，将该锂离子电池在存储前的电压V0和存储后的电压V1，代入V＝f(x)(即基于存储前后电压、容量和电池OCV曲线进行计算分析)，得到该锂离子电池在存储前的理论荷电状态x0和存储后的理论荷电状态x1。
第七步，对存储后的该锂离子电池进行放电测试，放出的电量为Cafter；再进行一次充放电测试，放出的容量为C1。
第八步，根据预设计算公式，计算电池存储过程中的可逆容量损失和不可逆容量损失，并通过比较可逆容量损失和不可逆容量损失的大小，判断锂离子电池存储过程中容量损失，并且计算电池存储过程中理论容量残余和理论容量恢复；具体为：锂离子电池容量损失分为可逆容量损失和不可逆容量损失，当不可逆容量损失所占比例越高，则计算得到的理论容量恢复越低，即对电池存储越不利。
在本发明中，在第八步中，具体包括以下步骤：
第一子步骤，根据测试数据，计算电池的实际容量损失Ract(％)、实际容量残余Rres,act(％)和实际容量恢复Rrec,act(％)，计算公式如下：
Figure GDA0003179476450000051
Figure GDA0003179476450000052
Figure GDA0003179476450000053
第二子步骤，基于计算数据，进一步计算电池的理论容量损失Rcal(％)、理论容量残余Rres,cal(％)和理论容量恢复Rrec,cal(％)，计算公式如下：
Rcal＝x0-x1， 公式(4)；
Figure GDA0003179476450000054
Rrec,cal＝1-(Ract-Rcal)， 公式(6)；
其中，可逆容量损失等于理论容量损失，电池存储过程中可逆容量损失为Rcal，不可逆容量损失等于实际容量损失和理论容量损失之间的差值，即为Ract-Rcal。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例进行说明如下。
实施例
参见图2至图5所示，针对一款方型锂离子动力电池(额定容量为51Ah)，需要对电池实施图1中的各个步骤执行，以评估其存储过程中容量损失。
具体的实施方案如下：
第一步，取一只电池测量其在不同SOC(荷电状态，State of charge)下的OCV(开路电压，Open circuit voltage)，从而拟合出电池在不同SOC下的OCV曲线(如图2)，即
V＝6.6764x6-14.2010x5+6.5744x4+4.0785x3-3.7545x2+1.4391x+3.3852 (7)
(其中V为开路电压，x为荷电状态)；
第二步，取7只电池进行存储，将待存储电池按照51A电流对电池进行充放电测试，以标定其存储前的实际容量C0-1，C0-2，……，C0-7；
第三步，将待存储的7电池分别调整到15％，35％，55％，70％，85％，95％，100％SOC，此时电池存储容量为Cbefore-1，Cbefore-2，……，Cbefore-7，经充分静止测定其电压V0-1，V0-2，……，V0-7；
第四步，将待存储电池放在指定的测试环境下进行长期存储；
第五步，存储结束后，取出7只电池测量其存储后的电压分别为V1-1，V1-2，……，V1-7；
第六步，将存储前电压V0-1，V0-2，……，V0-7和存储后电压V1-1，V1-2，……，V1-7，代入公式(7)，得到存储前理论荷电状态x0-1，x0-2，……，x0-7和存储后理论荷电状态x1-1，x1-2，……，x1-7。
第七步，对存储后的电池进行放电测试，放出的电量为Cafter-1，Cafter-2，……，Cafter-7；再进行一次充放电测试，放出的容量为C1-1，C1-2，……，C1-7。
第八步，根据预设计算公式，计算电池存储过程中的可逆容量损失和不可逆容量损失，并通过比较可逆容量损失和不可逆容量损失的大小，判断锂离子电池存储过程中容量损失。当不可逆容量损失所占比例越高，则计算得到的理论容量恢复越低，即对电池存储越不利。
在第八步中，根据以上公式(1)至公式(3)，计算电池的实际容量损失Ract(％)、实际容量残余Rres,act(％)和实际容量恢复Rrec,act(％)，根据公式(4)至公式(6)，计算电池的理论容量损失Rcal(％)、理论容量残余Rres,cal(％)和理论容量恢复Rrec,cal(％)，实际测试结果与理论计算结果对比见图3至图5所示。在本实施例中，可逆容量损失等于理论容量损失，实际容量损失大于理论容量损失，两者差值为不可逆容量损失，见图3；同理，实际容量残余低于理论容量残余，见图4所示。在图5中，实际容量恢复和理论容量恢复较好吻合，证明本发明的计算模型的正确性。
需要说明的是，本发明是一种快速评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，通过存储过程中检测电池电压，在不损坏电池的情况下可以判断电池存储过程中容量损失，同时通过理论计算得到的电池容量恢复与实际电池容量恢复基本吻合，从而为更合理的选择电池存储状态，避免存储过程中不可逆容量损失，延长电池的可使用年限提供指导。
基于以上技术方案可知，本发明通过测试不同荷电状态的电池存储前后电压变化、容量衰减，计算电池存储过程中可逆容量损失和不可逆容量损失。
本发明通过最简单的电压测量、基于OCV曲线，便可以快速分析出电池存储过程中容量损失，也就是说，可以判断电池存储过程中的可逆容量损失和不可逆容量损失，并且通过理论计算得到的电池容量恢复率与实际测试得到的电池容量恢复率较好吻合。本发明仅通过电压测试便可以判断电池容量损失，理论计算和实际测试得到的电池容量恢复率较好吻合，一方面，这种对电池不损坏的电池测试，有利于电池长期存储容量衰减、日历寿命的研究；另一方面，可以为电池长期存储选定最优的存储SOC提供指导。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，其通过电压测试，便可以在不损坏电池的情况下判断电池容量损失，对最优化电池长期存储条件、延长电池日历寿命具有指导意义，从而进一步让锂电池企业可以指导用户在使用锂电设备过程中合理化设备存储荷电状态，以最大化延长设备使用年限。
本发明具有快速、高效、准确性高的优点，无需占用大量测试资源和时间，能够大大节省测试成本和提高效率，可大规模推广和应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种评估锂离子电池存储过程中容量损失的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，选取一只锂离子电池，测量其在不同荷电状态SOC下的开路电压OCV，从而拟合出电池在不同SOC下的OCV曲线，即V＝f(x)，其中V为开路电压，x为荷电状态；
第二步，在对待存储的该锂离子电池进行存储前，将该锂离子电池按照1C的电流进行充放电测试，以标定其存储前的实际容量C0；
第三步，将待存储的该锂离子电池调整到指定的SOC，此时锂离子电池的存储容量为Cbefore，经充分静置，测定其在存储前的电压V0；
第四步，将待存储的该锂离子电池放在指定的测试环境下，进行预设时长的存储；
第五步，在存储结束后，取出该锂离子电池，并测量其存储后的电压V1；
第六步，将该锂离子电池在存储前的电压V0和存储后的电压V1，代入V＝f(x)，得到该锂离子电池在存储前的理论荷电状态x0和存储后的理论荷电状态x1；
第七步，对存储后的该锂离子电池进行放电测试，放出的电量为Cafter；再进行一次充放电测试，放出的容量为C1；
第八步，根据预设计算公式，计算电池存储过程中的可逆容量损失和不可逆容量损失，并通过比较可逆容量损失和不可逆容量损失的大小，计算电池存储过程中理论容量残余和理论容量恢复；
在第八步中，具体包括以下步骤：
第一子步骤，根据测试数据，计算电池的实际容量损失Ract、实际容量残余Rres,act和实际容量恢复Rrec,act，计算公式如下：
Figure FDA0003179476440000011
公式(1)；
Figure FDA0003179476440000012
公式(2)；
Figure FDA0003179476440000013
公式(3)；
第二子步骤，基于计算数据，进一步计算电池的理论容量损失Rcal、理论容量残余Rres,cal和理论容量恢复Rrec,cal，计算公式如下：
Rcal＝x0-x1， 公式(4)；
Figure FDA0003179476440000021
公式(5)；
Rrec,cal＝1-(Ract-Rcal)， 公式(6)；
其中，可逆容量损失等于理论容量损失，电池存储过程中可逆容量损失为Rcal，不可逆容量损失等于实际容量损失和理论容量损失之间的差值，即为Ract-Rcal。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第八步中，锂离子电池容量损失分为可逆容量损失和不可逆容量损失，当不可逆容量损失所占比例越高，则计算得到的理论容量恢复越低，即对电池存储越不利。
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