CN111665446A - 一种退役动力电池性能评估方法及系统 - Google Patents

一种退役动力电池性能评估方法及系统 Download PDF

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赵洲峰
裘吕超
梅简
张�杰
罗宏建
周宇通
陈胤桢
鲁旷达
徐冬梅
惠洋
谷小博
邹君文
张江丰
李小英
赵洪宇
徐强
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Abstract

本发明公开了一种退役动力电池性能评估方法及系统。本发明的评估方法包括：1)退役动力电池的容量评估：根据退役动力电池在5‑10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量；2)退役动力电池的内阻评估：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用；3)退役动力电池的安全性评估：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。本发明可在20分钟内掌握退役动力电池的容量、内阻、安全等性能，缩短了退役动力电池性能评估的时间，降低了退役动力电池梯次利用的过程成本。

Description

一种退役动力电池性能评估方法及系统
技术领域
本发明属于电动汽车和储能技术领域，具体涉及一种判断退役动力电池是否能够进行梯次利用的退役动力电池性能评估方法。
背景技术
从2013年开始，我国电动汽车行业进入快速发展期，2018年和2019年电动汽车销售都超过100万辆，截止到2019年底我国电动汽车累计保有量超过340万辆。目前的电动汽车主要以锂离子电池作为动力来源，在电动汽车使用过程中，动力电池性能不断下降，当其性能不能满足新能源汽车的应用需求时，就要从车上退役下来。在这些退役动力电池中，很大一部分还具有较高的剩余能量，这些电池经过重新的评估和分选，有可能应用于对电池性能要求较低、使用工况比较温和的场景，从而实现动力电池的梯次利用。
在经过长期的车载使用后，动力电池性能已经出现了明显的衰退，并且在退役时的容量、内阻、安全等状态通常都没有准确掌握，因此，在梯次利用之前，需要对退役动力电池的性能进行评估，以判断哪些退役动力电池可以梯次利用。目前针对退役动力的容量评估主要是在室温下以一定的倍率(通常是0.3-0.5C)对电池进行1-3次的充放电，以获得退役动力电池的剩余容量；这种方法虽然能较准确的掌握电池的当前容量，但由于测试时间较长，通常需要几个小时到十几个小时，且一般都是在实验室中进行，工程化应用成本高，大大降低了动力电池梯次利用的经济性。针对退役动力电池的内阻评估通常是采用内阻测试仪测试在某一频率点的交流阻抗值(通常是1000Hz)，这种方法虽然能在很短的时间内获取电池的内阻值，但获得的是退役动力电池静态下的内阻，不能掌握电池在充放电过程中的动态内阻，而动态内阻对退役动力电池的使用更有指导价值。针对退役动力电池的安全状态评估，一是测试电池在过充电、过放电、短路、炉温等各种滥用条件下的状态，考察电池是否满足相应的技术标准，二是采用加速量热仪测试退役动力电池的热失控特性，分析电池的自加热触发温度和热失控起始温度，从而指导退役动力电池在梯次利用过程中温度控制阈值的确定；但这两类安全性评估方法都是以破坏退役动力电池性能为代价的，进行过安全评估的电池已没有了梯次利用的价值。
因此，对于退役动力电池，需要一种电池性能的评估方法，既能在较短时间对电池的容量、内阻、安全等性能进行评估，又不破坏退役动力电池的使用性能，然后在此基础上判断哪些退役动力电池可以梯次利用。
发明内容
针对退役动力电池，本发明提供一种退役动力电池性能评估方法及系统，其可在20分钟内掌握退役动力电池的容量、内阻、安全等性能，缩短退役动力电池性能评估的时间，降低退役动力电池梯次利用的过程成本。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种退役动力电池性能评估方法，其包括：
1)退役动力电池的容量评估：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量；
2)退役动力电池的内阻评估：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用；
3)退役动力电池的安全性评估：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。
本发明分别对退役动力电池的容量、内阻、安全进行评估，可在20分钟内完成，大幅度缩短了退役动力电池的性能评估时间。本发明所采用的方法在工程实施中都比较容易实现，具有较高的应用价值。
进一步地，所述退役动力电池的容量评估的具体步骤如下：
11)测量电池的开路电压Vocv，并根据开路电压值来判断电池是进行充电还是放电；
12)以该型号电池额定容量的1/3C倍率对电池进行充电或放电5-10min，记录充电或放电起始时刻的电压V1和终止时刻的电压V2，计算该过程中电压的变化值ΔVR和容量ΔQR：
ΔVR＝V2-V1，
ΔQR＝It，
其中，I为充、放电电流，单位为安培；t为充放电时间，单位为小时；
然后，依据该型号电池技术规格书中的充放电曲线，计算在同样电压变化范围时电池的充电或放电容量ΔQN，再根据该型号电池的额定容量QN，计算退役电池的剩余容量QR：
QR＝ΔQR*QN/ΔQN，
13)根据退役动力电池的剩余容量百分比，判断其能否梯次利用。
更进一步地，步骤11)中，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.23V时，对其进行充电；当开路电压大于3.28V时，对其进行放电；当开路电压在3.23-3.28V之间时，对其进行充电或放电均可。
更进一步地，步骤13)中，剩余容量百分比计算方法为：剩余容量百分比＝QR/QN*100％，
当剩余容量百分比低于60％时，该电池剩余容量过低，梯次利用价值小，不进行梯次利用。
进一步地，所述退役动力电池的内阻评估的具体步骤如下：
21)交流内阻评估：采用高精度内阻测试仪测试电池在1000Hz下的交流阻抗值Rac，内阻测试精度不低于0.01mΩ，并与该型号新电池在该频率下的内阻值进行比较，当Rac大于新电池交流内阻值2倍时，不对该退役动力电池进行梯次利用；
22)直流内阻评估：以电池额定容量的1.0-1.5C倍率对其充电或放电15-30s，记录充电或放电起始时刻的电压V3和终止时刻的电压V4，计算电池的直流内阻DCIR：
DCIR＝(V4-V3)/I，
I为充电或放电电流，充电时取正值，放电时取负值；
比较同一支电池(同一支电池就是指同一个电池样品)的直流内阻DCIR和在1000Hz下的交流内阻Rac，当直流内阻DCIR大于1000Hz下的交流内阻Rac值的1.8倍时，电池直流内阻过高，不进行梯次利用。
更进一步地，步骤22)中，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.26V时，对其进行充电；当开路电压大于3.26V时，对其进行放电。
进一步地，所述退役动力电池的安全性评估的具体步骤如下：
31)电池外观检查：检查退役动力电池是否有极耳断裂、极柱生锈、正负极标识不清和电池泄露情况，对于存在上述情况中一种或多种的电池，不进行梯次利用；
32)电池尺寸检测：采用量具测量退役动力电池在长、宽、高三个方向的尺寸，并与技术规范书上电池的尺寸进行对比，如果电池在某个方向上的形变超过5％，不能够进行梯次利用；
33)电池开路电压检测：采用万用表或电压测试仪器，测试退役动力电池的开路电压，考察其是否在正常范围之内；
34)电池历史运行数据分析：分析退役动力电池的历史运行数据，考察其有无出现过压、欠压和过温情况。
更进一步地，步骤33)中，测试退役动力电池的开路电压时，对于磷酸铁锂/石墨电池，正常开路电压范围为2.5-3.65V，对于开路电压不在该范围内的电池，不进行梯次利用。
更进一步地，步骤34)中，对于磷酸铁锂/石墨电池，过压指电压超过3.65V，欠压指电压低于2.5V，过温指电池温度高于60℃；对于出现过上述情况中一种或多种的退役动力电池，不进行梯次利用。
本发明采用的另一种技术方案为：一种退役动力电池性能评估系统，其包括：
退役动力电池的容量评估单元：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量；
退役动力电池的内阻评估单元：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用；
退役动力电池的安全性评估单元：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。
本发明对退役动力电池的容量、内阻、安全等性能进行评估，并依据评估结果判断哪些退役动力电池可以梯次利用；本发明可在较短时间内完成掌握退役动力电池的性能评估，节约了退役动力电池的评估成本，降低了退役动力电池梯次利用的过程成本；同时可为退役动力电池的分选重组、系统集成和运维等提供数据支撑。本发明在电动汽车、电化学储能、动力电池梯次利用等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明退役动力电池性能评估方法的流程图；
图2为本发明退役动力电池性能评估系统的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种退役动力电池性能评估方法，如图1所示，其步骤如下：
(1)退役动力电池的容量评估：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，来估算其剩余容量。
①测量电池的开路电压Vocv，并根据开路电压值来判断电池是进行充电还是放电。对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.23V时，对其进行充电；当开路电压大于3.28V时，对其进行放电；当开路电压在3.23-3.28V之间时，对其进行充电或放电均可。
②以该型号电池额定容量的1/3C倍率对电池进行充电(或放电)5-10min,记录充电(或放电)起始时刻的电压V1和终止时刻的电压V2，计算该过程中电压的变化值ΔVR和容量ΔQR：
ΔVR＝V2-V1(1)
ΔQR＝It (2)
其中，I为充放电电流(单位为安培)，t为充放电时间(单位为小时)。
然后，依据该型号电池技术规格书中的充放电曲线，计算在同样电压变化范围(从V1到V2)是电池的充电(或放电)容量ΔQN，再根据该型号电池的额定容量QN，计算退役电池的剩余容量：
QR＝ΔQR*QN/ΔQN (3)
③根据退役动力电池的剩余容量百分比，来判断其能否梯次利用。剩余容量百分比计算方法为：
剩余容量百分比＝QR/QN*100％ (4)
当剩余容量百分比低于60％时，该电池剩余容量过低，梯次利用价值小，不进行梯次利用。
(2)退役动力电池的内阻评估：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用。
①交流内阻评估：采用高精度内阻测试仪(内阻测试精度不低于0.01mΩ)测试电池在1000Hz下的交流阻抗值Rac，并与该型号新电池在该频率下的内阻值进行比较，当Rac大于新电池交流内阻值2倍时，不对该退役动力电池进行梯次利用。
②直流内阻评估：以电池额定容量的1.0-1.5C倍率对其充电(或放电)15-30s，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.26V时，对其进行充电；当开路电压大于3.26V时，对其进行放电。记录充电(或放电)起始时刻的电压V3和终止时刻的电压V4，计算电池的直流内阻DCIR：
DCIR＝(V4-V3)/I (5)
I为充电(或放电)电流，充电时取正值，放电时取负值。
比较同一支电池(同一支电池就是指同一个电池样品)的直流内阻DCIR和在1000Hz下的交流内阻Rac，当直流内阻DCIR大于1000Hz下的交流内阻Rac值的1.8倍时，电池直流内阻过高，不进行梯次利用。
(3)退役动力电池的安全性评估：从电池的外观、尺寸、开路电压、历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。
①电池外观检查：在光线良好的条件下，检查退役动力电池是否有极耳断裂、极柱生锈、正负极标识不清、电池泄露等情况，对于存在上述情况中一种或多种的电池，在使用时存在着较高的风险，不能够进行梯次利用。
②电池尺寸检测：采用高精度量具测量退役动力电池在长、宽、高三个方向的尺寸，并与技术规范书上电池的尺寸进行对比，如果电池在某个方向上的形变超过5％，不能够进行梯次利用。
③电池开路电压检测：采用万用表或其他电压测试仪器，测试退役动力电池的开路电压，考察其是否在正常范围之内。对于磷酸铁锂/石墨电池，正常开路电压范围为2.5-3.65V，对于开路电压不在该范围内的电池，发生了过充电、过放电或存在较严重的内短路，这种电池有较高的安全风险，不能够进行梯次利用。
④电池历史运行数据分析：分析退役动力电池的历史运行数据，考察其有无出现过压、欠压和过温等情况，对于磷酸铁锂/石墨电池，过压只电压超过3.65V，欠压指电压低于2.5V，过温指电池温度高于60℃；对于出现过上述情况中一种或多种的退役动力电池，存在着较高的安全隐患，不能够进行梯次利用。
实施例2
本实施例提供一种退役动力电池性能评估系统，如图2所示，其由退役动力电池的容量评估单元、退役动力电池的内阻评估单元和退役动力电池的安全性评估单元组成。
一、退役动力电池的容量评估单元：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量。容量的具体评估过程如下：
①测量电池的开路电压Vocv，并根据开路电压值来判断电池是进行充电还是放电。对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.23V时，对其进行充电；当开路电压大于3.28V时，对其进行放电；当开路电压在3.23-3.28V之间时，对其进行充电或放电均可。
②以该型号电池额定容量的1/3C倍率对电池进行充电(或放电)5-10min,记录充电(或放电)起始时刻的电压V1和终止时刻的电压V2，计算该过程中电压的变化值ΔVR和容量ΔQR：
ΔVR＝V2-V1 (1)
ΔQR＝It (2)
其中，I为充放电电流(单位为安培)，t为充放电时间(单位为小时)。
然后，依据该型号电池技术规格书中的充放电曲线，计算在同样电压变化范围(从V1到V2)是电池的充电(或放电)容量ΔQN，再根据该型号电池的额定容量QN，计算退役电池的剩余容量：
QR＝ΔQR*QN/ΔQN (3)
③根据退役动力电池的剩余容量百分比，来判断其能否梯次利用。剩余容量百分比计算方法为：
剩余容量百分比＝QR/QN*100％ (4)
当剩余容量百分比低于60％时，该电池剩余容量过低，梯次利用价值小，不进行梯次利用。
二、退役动力电池的内阻评估单元：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用。内阻的具体评估过程如下：
①交流内阻评估：采用高精度内阻测试仪(内阻测试精度不低于0.01mΩ)，测试电池在1000Hz下的交流阻抗值Rac，并与该型号新电池在该频率下的内阻值进行比较，当Rac大于新电池交流内阻值2倍时，不对该退役动力电池进行梯次利用。
②直流内阻评估：以电池额定容量的1.0-1.5C倍率对其充电(或放电)15-30s，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.26V时，对其进行充电；当开路电压大于3.26V时，对其进行放电。记录充电(或放电)起始时刻的电压V3和终止时刻的电压V4，计算电池的直流内阻DCIR：
DCIR＝(V4-V3)/I (5)
I为充电(或放电)电流，充电时取正值，放电时取负值。
比较同一支电池(同一支电池就是指同一个电池样品)的直流内阻DCIR和在1000Hz下的交流内阻Rac，当直流内阻DCIR大于1000Hz下的交流内阻Rac值的1.8倍时，电池直流内阻过高，不进行梯次利用。
三、退役动力电池的安全性评估单元：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。安全性的具体评估过程如下：
①电池外观检查：在光线良好的条件下，检查退役动力电池是否有极耳断裂、极柱生锈、正负极标识不清、电池泄露等情况，对于存在上述情况中一种或多种的电池，在使用时存在着较高的风险，不能够进行梯次利用。
②电池尺寸检测：采用高精度量具测量退役动力电池在长、宽、高三个方向的尺寸，并与技术规范书上电池的尺寸进行对比，如果电池在某个方向上的形变超过5％，不能够进行梯次利用。
③电池开路电压检测：采用万用表或其他电压测试仪器，测试退役动力电池的开路电压，考察其是否在正常范围之内。对于磷酸铁锂/石墨电池，正常开路电压范围为2.5-3.65V，对于开路电压不在该范围内的电池，发生了过充电、过放电或存在较严重的内短路，这种电池有较高的安全风险，不能够进行梯次利用。
④电池历史运行数据分析：分析退役动力电池的历史运行数据，考察其有无出现过压、欠压和过温等情况，对于磷酸铁锂/石墨电池，过压只电压超过3.65V，欠压指电压低于2.5V，过温指电池温度高于60℃；对于出现过上述情况中一种或多种的退役动力电池，存在着较高的安全隐患，不能够进行梯次利用。

Claims (10)

1.一种退役动力电池性能评估方法，其特征在于，包括：
1)退役动力电池的容量评估：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量；
2)退役动力电池的内阻评估：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用；
3)退役动力电池的安全性评估：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。
2.根据权利要求1所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，所述退役动力电池的容量评估的具体步骤如下：
11)测量电池的开路电压Vocv，并根据开路电压值来判断电池是进行充电还是放电；
12)以该型号电池额定容量的1/3C倍率对电池进行充电或放电5-10min，记录充电或放电起始时刻的电压V1和终止时刻的电压V2，计算该过程中电压的变化值ΔVR和容量ΔQR：
ΔVR＝V2-V1，
ΔQR＝It，
其中，I为充、放电电流，单位为安培；t为充放电时间，单位为小时；
然后，依据该型号电池技术规格书中的充放电曲线，计算在同样电压变化范围时电池的充电或放电容量ΔQN，再根据该型号电池的额定容量QN，计算退役电池的剩余容量QR：
QR＝ΔQR*QN/ΔQN，
13)根据退役动力电池的剩余容量百分比，判断其能否梯次利用。
3.根据权利要求2所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，步骤11)中，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.23V时，对其进行充电；当开路电压大于3.28V时，对其进行放电；当开路电压在3.23-3.28V之间时，对其进行充电或放电均可。
4.根据权利要求2所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，步骤13)中，剩余容量百分比计算方法为：剩余容量百分比＝QR/QN*100％，
当剩余容量百分比低于60％时，该电池剩余容量过低，梯次利用价值小，不进行梯次利用。
5.根据权利要求1所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，所述退役动力电池的内阻评估的具体步骤如下：
21)交流内阻评估：采用高精度内阻测试仪测试电池在1000Hz下的交流阻抗值Rac，内阻测试精度不低于0.01mΩ，并与该型号新电池在该频率下的内阻值进行比较，当Rac大于新电池交流内阻值2倍时，不对该退役动力电池进行梯次利用；
22)直流内阻评估：以电池额定容量的1.0-1.5C倍率对其充电或放电15-30s，记录充电或放电起始时刻的电压V3和终止时刻的电压V4，计算电池的直流内阻DCIR：
DCIR＝(V4-V3)/I，
I为充电或放电电流，充电时取正值，放电时取负值；
比较同一支电池的直流内阻DCIR和在1000Hz下的交流内阻Rac，当直流内阻DCIR大于1000Hz下的交流内阻Rac值的1.8倍时，电池直流内阻过高，不进行梯次利用。
6.根据权利要求5所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，步骤22)中，对于磷酸铁锂/石墨体系电池，当开路电压小于3.26V时，对其进行充电；当开路电压大于3.26V时，对其进行放电。
7.根据权利要求1所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，所述退役动力电池的安全性评估的具体步骤如下：
31)电池外观检查：检查退役动力电池是否有极耳断裂、极柱生锈、正负极标识不清和电池泄露情况，对于存在上述情况中一种或多种的电池，不进行梯次利用；
32)电池尺寸检测：采用量具测量退役动力电池在长、宽、高三个方向的尺寸，并与技术规范书上电池的尺寸进行对比，如果电池在某个方向上的形变超过5％，不能够进行梯次利用；
33)电池开路电压检测：采用万用表或电压测试仪器，测试退役动力电池的开路电压，考察其是否在正常范围之内；
34)电池历史运行数据分析：分析退役动力电池的历史运行数据，考察其有无出现过压、欠压和过温情况。
8.根据权利要求7所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，步骤33)中，测试退役动力电池的开路电压时，对于磷酸铁锂/石墨电池，正常开路电压范围为2.5-3.65V，对于开路电压不在该范围内的电池，不进行梯次利用。
9.根据权利要求7所述的退役动力电池性能评估方法，其特征在于，步骤34)中，对于磷酸铁锂/石墨电池，过压指电压超过3.65V，欠压指电压低于2.5V，过温指电池温度高于60℃；对于出现过上述情况中一种或多种的退役动力电池，不进行梯次利用。
10.一种退役动力电池性能评估系统，其特征在于，包括：
退役动力电池的容量评估单元：根据退役动力电池在5-10min充放电过程中的电压变化，估算其剩余容量；
退役动力电池的内阻评估单元：对退役动力电池的交流内阻和直流内阻进行评估，并依据评估结果判断其是否能够梯次利用；
退役动力电池的安全性评估单元：从退役动力电池的外观、尺寸、开路电压和历史运行数据来评估退役动力电池的安全性。
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