CN111190114A - 一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法 - Google Patents

一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，首先3.65‑2.0V恒倍率恒流恒压充放电，记录CC1、EC1、VC1、CD1、ED1、VD1，模拟内阻R1＝(VC1‑VD1)/nI10，能量损耗ΔE1＝EC1‑ED1；随后通过80％DOD电压区间采用m*80％EC2和m*80％ED2值恒功率充放循环100/m整数周为一个周期进行加速循环测试；最后重复3.65‑2.0V恒倍率恒流恒压充放电，记录CC2、EC4、VC2、CD2、ED4、VD2，计算R1、ΔE1；判断依据为容量损耗变化率ΣC＝(CD2‑CD1)/(CC2‑CC1)≥100％，能量损耗变化率ΣE＝ΔE2/ΔE1≥100％、模拟内阻变化率ΣR＝R2/R1≥110％中任意两项满足则终止测试。本发明利用了电池循环过程中极化逐渐升高的现象，能够有效减少长循环储能电池的测试时间，选取的判断依据能够提高准确率减少误判，操作简单方便。

Description

一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法
技术领域
本发明涉及磷酸铁锂电池电性能测试方案，具体涉及一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法。
背景技术
近几年来，我国储能行业发展迅猛，据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟(CNESA)全球储能项目库的不完全统计，2018年储能电站装机规模上升至31.2GW，储能系统典型应用场景包括用户侧(削峰填谷、需求侧响应等)、电网侧(可再生能源并网、需求响应、电量平衡和负荷特性改善)以及发电侧(电力辅助服务)等三个方面。已投运电化学储能项目的累计装机规模达到1.07GW，相比2014年的132.3MW几乎增长了9倍多；在各类投运的电化学储能项目中锂离子电池的累计装机规模为758.8MW，占比70.6％，其次是铅蓄电池，占比27.2％，钠硫电池占比仅为0.1％。在各类应用的锂离子电池储能电站中，磷酸铁锂电池由于成本低、安全性好、循环性能优异等优点十分适合在大规模储能电站的使用，其中循环寿命的长短直接关系到储能电池收益率计算，成为储能电池的重要衡量指标。目前在锂离子电池广泛使用的循环寿命测试方法为在一定工况下进行循环测试，参考的标准主要为GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》，基本方法为(20±5)℃下以标称容量的1倍电流恒流恒压充电到截止电压，限定电流为标称容量的0.05倍，静置一定时间后再以标称容量1倍的电流恒流放电到截止电压，如此为一个循环，若放电容量小于标称容量的80％则判断寿命终止。此方法测试周期长，若假定每次的静置时间为15min，则一个循环需要2.5h，对于动力等领域的锂离子电池要求的1000～3000周循环测试需要的时间就达到了100天-300天左右，而对于储能电站要求的电池达到3000～5000周的循环耗时就更长，需要占用大量的测试资源。因此构建储能用磷酸铁锂电池的循环寿命快速测试方法准确对磷酸铁锂电池的循环寿命进行预判就成为亟待解决的问题。
常规的加速测试方法为通过高温或高倍率进行循环测试，以期能够节省测试周期，但对于测试结果如何拟合到常温的实际循环寿命却缺乏足够的可靠方法，仅能够在纵向作为对比的参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，该方法可以在较短时间准确磷酸铁锂电池的循环寿命，具有测试周期短、参考性强等优点。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，包括如下方法步骤：
步骤S1：温度T条件下，对电池采用n倍10h率放电电流nI10恒流放电到2.0V，静置60min后以放电电流nI10恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录为第一充电容量CC1，第一充电能量EC1，第一充电中值电压VC1，静置60min后对所述电池采用nI10电流恒流放电到2.0V，记录为第一放电容量CD1，第一放电能量ED1，第一放电中值电压VD1；计算模拟内阻R1＝(VC1-VD1)/nI10，能量损耗ΔE1＝EC1-ED1；
步骤S2：所述温度T下，采用步骤S1以10倍10h率放电电流10I10测试得到的标准充电能量EC1’与标准放电能量ED1’；以所述标准充电能量EC1值的功率对所述电池恒功率充电到3.65V，记录为恒功率充电能量EC2，静置60min后采用所述标准放电能量ED1值的功率对所述电池恒功率放电到2.0V，记录为恒功率放电能量ED2；
步骤S3：所述温度T下，由充放电曲线选取k％DOD的充放电电压区间作为基础，以m*k％*EC2所述恒功率充电能量值的功率恒功率充电至截止电压，静置30min后以m*k％*ED2所述恒功率放电能量值的功率恒功率放电至截止电压，循环100/m的取整数周完成加速循环测试；
步骤S4：对加速循环测试后的所述电池采用nI10的电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录为第二充电容量CC2，第二充电能量EC3，第二充电中值电压VC2，静置60min后采用nI10电流恒流放电到2.0V，记录为第二放电容量CD2，第二放电能量ED3，第二放电中值电压VD2，计算模拟内阻R2＝(VC2-VD2)/nI10，能量损耗ΔE2＝EC3-ED3；
步骤S5：计算容量损耗变化率ΣC，能量损耗变化率ΣE、模拟内阻变化率ΣR作为判断依据，计算公式如下：
ΣC＝(CD2-CD1)/(CC2-CC1)
ΣE＝(EC3-ED3)/(EC1-ED1)
ΣR＝R2/R1。
所述步骤S1与步骤S4中1≤n≤10，n取整数，且所述步骤S1与所述步骤S4中n取值相同。
所述步骤S1与步骤S4中温度T值为5℃～60℃范围的任一温度，且所述步骤S1与所述步骤S4中T取值相同。
所述步骤S3中k％为40％～90％DOD区间的任一值。
所述步骤S3中m值为1.0～3.0中任一个值。
所述步骤S2-步骤S5为一个循环周期，当判断依据不满足时回到步骤S2重新标准充电能量EC1’与标准放电能量ED1’。
所述判断依据如下：若满足ΣE≤100％、ΣR≥110％、ΣC≥100％三项中任意两项则终止测试，若不满足则重新开始循环，记录一个循环周期的循环次数既为100周。本发明的有益效果如下：
本发明分别选择充电能量和放电能量值作为加速循环测试的充电和放电功率的参数，降低了电池存在的充放电能量效率的干扰，得出的结果更加准确可信；加速测试过程选择恒功率充放电也进一步提升电池的稳定性。
(1)本发明对加速循环测试选择10％-90％的DOD电压区间，能够有效避免充电末端和放电末端由于电池极化加剧形成温度快速升高造成的干扰。
(2)本发明利用了循环过程中电池极化会逐渐升高的现象，选择循环前后恒流恒压充放电过程的中值电压计算模拟内阻R，对模拟内阻的变化率ΣR的计算能够有效对循环前后进行差异化判断；同时结合容量损耗变化率ΣC和能量损耗变化率ΣE三个参数以任意两个满足作为判断循环结束的依据，可有效避免测试过程中由于测试柜精度、温度波动等原因造成的误判，增加了判断的可信度。
(3)本发明选择100次循环为一个周期作为判断依据，用时较短，重新开始选择重新标定的充电和放电能量作为功率值，能够避免电池长期充放电过程中容量衰减造成功率不匹配的问题。
附图说明
图1为本发明的一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法的流程图。
具体实施方式
为使本技术领域的人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明做出进一步的详细说明。
对比实施例：
25℃条件下，采用10I10的电流将电池恒流放电到2.0V，静置60min后10I10的电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流为0.05C，静置60min后采用10I10电流恒流放电到2.0V，以此进行充放电循环测试，记录每周的放电容量。
实施例1
步骤S1：5℃条件下，对电池采用10h率放电电流10I10恒流放电到2.0V，静置60min后以10I10电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录充电容量CC1，充电能量EC1，充电中值电压VC1，静置60min后采用10I10电流恒流放电到2.0V，记录放电容量CD1，放电能量ED1，放电中值电压VD1；计算模拟内阻R1＝(VC1-VD1)/10I10，能量损耗ΔE1＝EC1-ED1；
步骤S2：5℃条件下，充电能量EC1’＝EC1与放电能量ED1’＝ED1；以EC1’值的功率恒功率充电到3.65V，记录充电能量EC2，静置60min后采用ED1’值的功率恒功率放电到2.0V，记录放电能量ED2；
步骤S3：5℃条件下，由充放电曲线选取20％～70％DOD的充放电电压区间作为基础，以1*50％EC2值的功率恒功率充电至截止电压，静置30min后以1*50％ED2值的功率恒功率放电至截止电压，循环100周进行加速循环测试；
步骤S4：对加速循环后的电池采用10I10的电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录充电容量CC2，充电能量EC3，充电中值电压VC2，静置60min后采用10I10电流恒流放电到2.0V，记录放电容量CD2，放电能量ED3，放电中值电压VD2，计算模拟内阻R2＝(VC2-VD2)/nI10，能量损耗ΔE2＝EC3-ED3；
步骤S5：计算容量损耗变化率ΣC，能量损耗变化率ΣE、模拟内阻变化率ΣR，计算公式如下：
ΣC＝(CD2-CD1)/(CC2-CC1)
ΣE＝(EC3-ED3)/(EC1-ED1)
ΣR＝R2/R1。
判断依据如下：若满足ΣE≤100％、ΣR≥110％、ΣC≥100％三项中任意两项则终止测试，若不满足则重复步骤S2-S5开始循环，记录一个循环周期的循环次数既为100周。
实施例2
步骤S1：25℃条件下，对电池采用5I10恒流放电到2.0V，静置60min后以5I10电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录充电容量CC1，充电能量EC1，充电中值电压VC1，静置60min后采用5I10电流恒流放电到2.0V，记录放电容量CD1，放电能量ED1，放电中值电压VD1；计算模拟内阻R1＝(VC1-VD1)/nI10，能量损耗ΔE1＝EC1-ED1；
步骤S2：25℃条件下，采用步骤1)以10h率放电电流I10测试得到的充电能量EC1’与放电能量ED1’；以EC1’值的功率恒功率充电到3.65V，记录充电能量EC2，静置60min后采用ED1’值的功率恒功率放电到2.0V，记录放电能量ED2；
步骤S3：25℃条件下，由充放电曲线选取10％～90％DOD的充放电电压区间作为基础，以2*80％EC2值的功率恒功率充电至截止电压，静置30min后以2*80％ED2值的功率恒功率放电至截止电压，循环50周进行加速循环测试；
步骤S4：对加速循环后的电池采用5I10的电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录充电容量CC2，充电能量EC3，充电中值电压VC2，静置60min后采用5I10电流恒流放电到2.0V，记录放电容量CD2，放电能量ED3，放电中值电压VD2，计算模拟内阻R2＝(VC2-VD2)/nI10，能量损耗ΔE2＝EC3-ED3；
步骤S5：计算容量损耗变化率ΣC，能量损耗变化率ΣE、模拟内阻变化率ΣR，计算公式如下：
ΣC＝(CD2-CD1)/(CC2-CC1)
ΣE＝(EC3-ED3)/(EC1-ED1)
ΣR＝R2/R1。
判断依据如下：若满足ΣE≤100％、ΣR≥110％、ΣC≥100％三项中任意两项则终止测试，若不满足则重复步骤S2-S5，重新开始循环，记录一个循环周期的循环次数既为100周。
下表给出通过实施例2中的方法测试得到的数据，结果显示，第15周期(1500周)时达到了满足ΣE≤100％、ΣR≥110％、ΣC≥100％三项中任意两项的条件则终止循环测试，判断电池的循环寿命为1400周。对比实施例中实际的1C/1C通过恒流恒压充放电的传统循环寿命的测试方法得到的数据，结果显示电池通过传统测试方法得到的循环寿命为1328周(容量保持率≥80％作为判断依据)。实施例2得到的循环寿命结果与对比实施例的循环寿命结果差距较小，误差在1个周期(100周)以内；相应的，实施例2的测试时间仅为对比实施例的40％；故本发明能够准确、快速判断电池的循环寿命，符合本发明的预期。
Figure BDA0002322817110000041
Figure BDA0002322817110000051
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，包括如下方法步骤：
步骤S1：温度T条件下，对电池采用n倍10h率放电电流nI10恒流放电到2.0V，静置60min后，对所述电池以nI10恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录为第一充电容量CC1，第一充电能量EC1，第一充电中值电压VC1，静置60min后对所述电池采用nI10电流恒流放电到2.0V，记录为第一放电容量CD1，第一放电能量ED1，第一放电中值电压VD1；计算模拟内阻R1＝(VC1-VD1)/nI10，能量损耗ΔE1＝EC1-ED1；
步骤S2：所述温度T下，采用步骤S1以10倍10h率放电电流10I10测试得到的标准充电能量EC1’与标准放电能量ED1’；以所述标准充电能量EC1值的功率对所述电池恒功率充电到3.65V，记录为恒功率充电能量EC2，静置60min后采用所述标准放电能量ED1’值的功率对所述电池恒功率放电到2.0V，记录为恒功率放电能量ED2；
步骤S3：所述温度T下，由充放电曲线选取k％DOD的充放电电压区间为基础，以m*k％*EC2所述恒功率充电能量值的功率恒功率充电至截止电压，静置30min后以m*k％*ED2所述恒功率放电能量值的功率恒功率放电至截止电压，循环100/m的取整数周完成加速循环测试；
步骤S4：对加速循环测试后的所述电池采用nI10的电流恒流恒压充电到3.65V，截止电流0.5I10，记录为第二充电容量CC2，第二充电能量EC3，第二充电中值电压VC2，静置60min后采用nI10电流恒流放电到2.0V，记录为第二放电容量CD2，第二放电能量ED3，第二放电中值电压VD2，计算模拟内阻R2＝(VC2-VD2)/nI10，能量损耗ΔE2＝EC3-ED3；
步骤S5：计算容量损耗变化率ΣC，能量损耗变化率ΣE、模拟内阻变化率ΣR作为判断依据，计算公式如下：
ΣC＝(CD2-CD1)/(CC2-CC1)
ΣE＝(EC3-ED3)/(EC1-ED1)
ΣR＝R2/R1。
2.根据权利要求书1所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述步骤S1与步骤S4中1≤n≤10，n取整数，且所述步骤S1与所述步骤S4中n取值相同。
3.根据权利要求书1所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述步骤S1与步骤S4中温度T值为5℃～60℃范围的任一温度，且所述步骤S1与所述步骤S4中T取值相同。
4.根据权利要求书1所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述步骤S3中k％为40％～90％DOD区间的任一值。
5.据权利要求书1所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述步骤S3中m值为1.0～3.0中任一个值。
6.根据权利要求书1所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述步骤S2-步骤S5为一个循环周期，当判断依据不满足时回到步骤S2重新标定标准充电能量EC1’与标准放电能量ED1’。
7.根据权利要求书4所述的储能用长循环磷酸铁锂电池加速测试方法，其特征在于，所述判断依据如下：若满足ΣE≤100％、ΣR≥110％、ΣC≥100％三项中任意两项则终止测试，若不满足则重新开始循环，记录一个循环周期的循环次数既为100周。
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