CN112666478A - 一种梯次利用动力电池健康状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，包括以下步骤：S1、对模组内各电池单体的电压、容量、直流内阻及周自放电率进行测试；S2、对模组内电池单体间的容量不一致性进行计算，并计算电池包内不同电池模组电池单体容量的不一致性；S3、按照预设的告警条件对步骤S1中测得的各参数值及步骤S2中计算得的不一致性分别进行判定，并对符合所述告警条件的情况进行相应告警。通过上述方式，本发明能够对模组内各动力电池单体的相关参数以及模组、电池包内电池间充放电一致性进行检测，并为各参数设置对应的告警规则，从而在全面准确监测电池健康状态的基础上，及时发现电池的异常状况，保障梯次利用动力电池的使用安全。
Description
技术领域
本发明涉及新能源储能锂电池梯次利用技术领域，特别是涉及一种梯次利用动力电池健康状态监测方法。
背景技术
随着新能源汽车产业的迅速发展，退役动力电池的数量也在不断攀升，如果不能对其进行有效处理与利用，不仅会造成资源浪费，还会对生态环境构成威胁。为了对退役动力电池进行再利用，当前主要采用电力储能梯次利用的方式，通过对退役动力电池进行重新测试、筛选和重组，再将其应用到动力电源外的电力储能设备中，从而在提高电池使用效率的同时，通过回收降低新电池的制造成本。而在上述梯次利用过程中，对动力电池健康状态的测试是后续筛选、重组的前提，因此，有必要对梯次利用动力电池的健康状态进行监测，以便确定电池的健康状态并进行准确筛分，保证梯次利用储能系统的安全运行。
目前，退役动力电池的健康状态通常使用电池健康状态参数进行评价，通过对比退役动力电池总容量与新电池总容量的衰减程度来衡量电池的老化程度。但当前对电池健康状态参数仍缺乏统一的计算方法，且通过单一参数对电池健康状态进行评价也较为局限。因此，如何准确选择相应参数对电池健康状态进行全面有效的评价是当前研究的重点。
公开号为CN110048177A的专利提供了一种对梯次利用动力电池的运行状态进行监管的方法，该方法通过获取单体电池的电压极差、充放电能量效率、电池温升和温度极差数据，并将其与预设的判断规则进行比较，以此获取每个单体电池的监测结果。但该专利提供的方法只针对单体电池进行监测，而忽视了对模组或电池包内各电池之间状态的比较，且其选择监测的参数侧重于反映动力电池使用过程中的温度变化，难以全面准确地反映电池的健康状态；同时，该专利对各数据的预设阈值主要为极差值，但由于各类电池的数据基数差异较大，统一的极差值并不能有效衡量相应参数是否正常，准确性较低，在实际使用过程中仍存在安全隐患。
有鉴于此，当前仍有必要设计一种能够全面准确地反映电池健康状态的梯次利用动力电池健康状态监测方法，以实现梯次利用储能系统的安全性和经济性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，通过对模组内各动力电池单体的电压、容量、直流内阻、自放电率以及模组、电池包内电池间充放电一致性进行检测，并为各参数设置对应的告警规则，从而在全面准确监测电池健康状态的基础上，及时发现电池的异常状况，保障梯次利用动力电池的使用安全。
为实现上述目的，本发明提供了一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，包括以下步骤：
S1、对模组内各电池单体的电压、容量、直流内阻及周自放电率进行测试；
S2、对模组内电池单体间的容量不一致性进行计算，并计算电池包内不同电池模组电池单体容量的不一致性；
S3、按照预设的告警条件对步骤S1中测得的各参数值及步骤S2中计算得的不一致性分别进行判定，并对符合所述告警条件的情况进行相应告警。
进一步地，在步骤S1中，对所述容量的测试包括如下步骤：
S1.2.1、将模组内的电池单体以0.2C的倍率充电至截止电压，然后恒压充电至电流降到0.05C；
S1.2.2、再以0.2C的倍率恒流放电至截止电压，得到电池的放电时间；
S1.2.3、根据步骤S1.2.2中的电流值和放电时间计算容量。
进一步地，在步骤S1中，对所述直流内阻的测试包括如下步骤：
S1.3.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，搁置30～60min后，以1C的倍率恒流放电0.5h，使电池单体的荷电状态调整至50％；
S1.3.2、再将电池单体搁置30min，记录电压V1；
S1.3.3、以2C的倍率电流I2C放电5s，并记录最后一个数据采集点的电压V2；
S1.3.4、根据所述电压V1、电流I2C和电压V2对电池的直流内阻值进行计算，其计算公式如下：
式中，DCIR表示电池单体的直流内阻值，单位为mΩ。
进一步地，在步骤S1中，对所述周自放电率的测试包括如下步骤：
S1.4.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，再将其在环境温度23～27℃下开路贮存7天；
S1.4.2、将开路贮存后的电池单体在不充电的条件下以0.2C的倍率进行恒流放电，并记录贮存后的剩余容量；
S1.4.3、根据电池单体贮存前的容量和贮存后的剩余容量，对电池单体的周自放电率进行计算。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对所述电压的告警规则为：当模组内各电池单体电压的差异大于5％时，则发出电压差过高告警。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对所述容量的告警规则为：当模组内电池单体容量的最小值低于其初始标称容量的45％时，则发出容量过低告警。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对所述直流电阻的告警规则为：当模组内电池单体直流电阻的最大值超过出厂规格的1.6倍时，则发出直流内阻过高告警。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对所述周自放电率的告警规则为：当模组内电池单体的周自放电率的最大值高于14％时，则发出自放电过高告警。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对模组内不一致性的告警规则为：当模组内电池单体间的容量不一致性大于25％时，则发出模组内不一致性过高告警。
进一步地，在步骤S3中，所述告警条件中针对电池包内不一致性的告警规则为：当电池包内电不同电池模组的电池单体容量的不一致性大于30％时，则发出电池包内不一致性过高告警。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的梯次动力电池健康状态监测方法通过对模组内各动力电池单体的电压、容量、直流内阻、自放电率以及模组、电池包内电池间充放电一致性进行检测，并为各参数设置对应的告警规则，从而在全面准确监测电池健康状态的基础上，及时发现电池的异常状况，保障梯次利用电池的使用安全。
2、本发明选择的监测参数全面覆盖了动力电池在使用过程中关键性能，不仅能够利用电压、电容、直流内阻和自放电率等性能参数来衡量动力电池单体的健康状态，还能够对各电池单体组合而成的模组及各模组组合而成的电池包的健康状态进行评估，更加全面准确，符合实际应用时的需求。
3、本发明在告警规则的设置上主要以各模组内电池单体相关参数的差异性百分数作为阈值，与单纯以极差作为阈值相比，差异性百分数通过计算极差与对应参数均值的比值，能够避免由于各类电池的数据基数差异较大而引起的极差差异较大，从而更加真实地反映各电池单体自身性能相对原始状态的差异，提高监测结果的准确性。
4、本发明提供的梯次动力电池健康状态监测方法对电池无损耗、重复性好、准确度高，能够较为系统的反应电池的健康状态，且操作简单快捷，能够满足实际应用的需求，具有非常高的社会经济价值。
附图说明
图1是本发明一种梯次利用动力电池健康状态监测方法的监测流程图；
图2是本发明实施例中测得的模组内各电池的单体电压变化图；
图3是本发明实施例中测得的模组内各电池的单体容量变化图；
图4是本发明实施例中测得的模组内各电池的单体直流电阻变化图；
图5是本发明实施例中测得的模组内各电池的单体周自放电率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
本发明实施例提供了一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其流程图如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S1.0、对梯次利用电池进行连接测试，若线束不能正常连接，则作出连接异常告警；若线束连接正常，则按以下步骤对电池的健康状态进行监测：
S1.1、对模组内各电池单体的电压进行测试与判定
采用直接测量法分别对某一个模组内的13只电池的单体电压进行检测，结果如图2所示。
根据图2中各电池单体的电压，可以计算得该模组内各电池单体电压的平均值为3.603V，电压极差为0.005V，由电压极差除以电压平均值可以计算得该模组内的电压差异为0.14％，不大于预设的5％，则表明模组内电压差异处于安全范围，不发出电压差过高告警。
S1.2、对模组内各电池单体的容量进行测试与判定
S1.2.1、将模组内的各电池单体以0.2C的倍率充电至截止电压，然后恒压充电至电流降到0.05C；
S1.2.2、再以0.2C的倍率(I0.2C，单位为A)恒流放电至截止电压，得到电池的放电时间t0.2C(单位为h)；
S1.2.3、根据步骤S1.2.2中的电流值和放电时间计算容量，其计算公式如下：
Q＝I0.2C*t0.2C
式中，Q表示电池单体的容量，单位为A·h。
按步骤S1.2.1～S1.2.3分别对某一个模组内的19只电池的容量进行测试，结果如图3所示。
根据图3中各电池单体的容量，可以计算得该模组内各电池单体的容量均值为24.8Ah，容量极差为0.6Ah，由此可以计算得该模组内的容量差异为2.4％，即该模组内电池单体间的容量不一致性为2.4％，不大于预设的25％，则不发出模组内不一致性过高告警；
同时，由于该模组内电池单体容量的最小值为24.6Ah，且该模组电池上标称的容量为30Ah，可以计算得该模组内电池单体容量的最小值为初始标称容量的82％，不低于预设的45％，则表明模组内电池单体容量处于安全范围，不发出容量过低告警。
S1.3、对模组内各电池单体的直流内阻进行测试与判定
S1.3.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，搁置30min后，以1C的倍率恒流放电0.5h，使电池单体的荷电状态调整至50％；
S1.3.2、再将电池单体搁置30min，记录电压V1；
S1.3.3、以2C的倍率电流I2C放电5s，并记录最后一个数据采集点的电压V2；
S1.3.4、根据所述电压V1、电流I2C和电压V2对电池的直流内阻值进行计算，其计算公式如下：
式中，DCIR表示电池单体的直流内阻值，单位为mΩ。
按步骤S1.3.1～S1.3.4分别对某一个模组内的19只电池的直流内阻进行测试，结果如图4所示。
根据图4中各电池单体的直流内阻，可以得出该模组内电池单体直流内阻的最大值为3.73mΩ，由于该模组电池上标注的直流电阻出厂规格为2.80mΩ，可以计算得该模组内电池单体的直流电阻的最大值为出厂规格的1.33倍，并未超出预设的1.6倍，则表明模组内电池单体的直流电阻处于安全范围，不发出直流电阻过高告警。
S1.4、对模组内各电池单体的周自放电率进行测试与判定
S1.4.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，再将其在环境温度25℃下开路贮存7天；
S1.4.2、将开路贮存后的电池单体在不充电的条件下以0.2C的倍率进行恒流放电，并记录贮存后的剩余容量；
S1.4.3、根据电池单体贮存前的容量Q1和贮存后的剩余容量Q2，对电池单体的周自放电率η进行计算，其计算公式如下：
按步骤S1.4.1～S1.4.4分别对某一个模组内的10只电池的周自放电率进行测试，各电池单体贮存前后的容量如表1所示。
表1各电池单体贮存前后的容量
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 储存前 | 5.92 | 5.61 | 6.37 | 6.71 | 5.31 | 6.44 | 5.69 | 5.07 | 6.13 | 6.15 |
| 储存后 | 5.23 | 4.62 | 5.51 | 6.06 | 4.29 | 5.81 | 4.66 | 4.18 | 5.42 | 5.38 |
根据表1中的容量变化状态计算得各电池单体的周自放电率结果如图5所示，其中容量衰减即表示周自放电率。
根据图5中各电池单体的周自放电率，可以计算得该模组内各电池单体的周自放电率最大值为19％，高于设定的14％，表明自放电率过高，则发出自放电率过高告警。
S1.5、对模组内的不一致性进行计算与判定
按照步骤S1.2对某一48V12Ah的模组内串联而成的13只电池的容量进行测试，结果如表2所示。
表2模组内电池单体容量表
根据表2中模组内各电池单体的容量，可以计算得所有单体的容量均值为9.1Ah，所有单体的容量极差为3.2Ah，则该模组内电池单体间的容量不一致性＝所有单体容量极差/所有单体容量均值，由此可以计算得本实施例中模组内电池单体间的容量的不一致性为35％，大于预设的25％，表明该模组内电池单体间的容量不一致性过高，则发出模组内不一致性过高告警。
S1.6、对电池包内的不一致性进行计算与判定
按照步骤S1.2对某一48V36Ah的电池包内并联而成的3只模组中的电池的容量进行测试，每只模组由13只电池串联而成，各电池的容量如表3所示。
表3电池包内电池单体容量表
根据表3中电池包内不同电池模组的电池单体的容量，可以计算得所有单体的容量均值为9.3Ah，所有单体的容量极差为5.9Ah，则该电池包内电池单体间的容量不一致性＝所有单体容量极差/所有单体容量均值，由此可以计算得本实施例中电池包内不同电池模组电池单体容量的不一致性为63％，大于预设的30％，表明该电池包内不同电池模组的电池单体容量的不一致性过高，则发出电池包内不一致性过高告警。
需要说明的是，在步骤S1.3.1中，电池单体的搁置时间可以根据实际情况进行调节，但不能高于60min；此外，本领域技术人员应当理解，在步骤S1.4.1中，开路贮存的温度可以在25℃的±2℃范围内波动，并不会影响测试结果。
综上所述，本发明提供的梯次利用动力电池健康状态监测方法能够对模组内各动力电池单体的相关参数以及模组、电池包内电池间充放电一致性进行检测，并为各参数设置对应的告警规则，从而在全面准确监测电池健康状态的基础上，及时发现电池的异常状况，保障梯次利用动力电池的使用安全；同时，该方法对电池无损耗、重复性好、准确度高，能够较为系统的反应电池的健康状态，且操作简单快捷，能够满足实际应用的需求，具有非常高的社会经济价值。
以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对模组内各电池单体的电压、容量、直流内阻及周自放电率进行测试；
S2、对模组内电池单体间的容量不一致性进行计算，并计算电池包内不同电池模组电池单体容量的不一致性；
S3、按照预设的告警条件对步骤S1中测得的各参数值及步骤S2中计算得的不一致性分别进行判定，并对符合所述告警条件的情况进行相应告警。
2.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S1中，对所述容量的测试包括如下步骤：
S1.2.1、将模组内的电池单体以0.2C的倍率充电至截止电压，然后恒压充电至电流降到0.05C；
S1.2.2、再以0.2C的倍率恒流放电至截止电压，得到电池的放电时间；
S1.2.3、根据步骤S1.2.2中的电流值和放电时间计算容量。
3.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S1中，对所述直流内阻的测试包括如下步骤：
S1.3.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，搁置30～60min后，以1C的倍率恒流放电0.5h，使电池单体的荷电状态调整至50％；
S1.3.2、再将电池单体搁置30min，记录电压V1；
S1.3.3、以2C的倍率电流I2C放电5s，并记录最后一个数据采集点的电压V2；
S1.3.4、根据所述电压V1、电流I2C和电压V2对电池的直流内阻值进行计算，其计算公式如下：
式中，DCIR表示电池单体的直流内阻值，单位为mΩ。
4.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S1中，对所述周自放电率的测试包括如下步骤：
S1.4.1、按照步骤S1.2.1对电池单体进行充电，再将其在环境温度23～27℃下开路贮存7天；
S1.4.2、将开路贮存后的电池单体在不充电的条件下以0.2C的倍率进行恒流放电，并记录贮存后的剩余容量；
S1.4.3、根据电池单体贮存前的容量和贮存后的剩余容量，对电池单体的周自放电率进行计算。
5.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对所述电压的告警规则为：当模组内各电池单体电压的差异大于5％时，则发出电压差过高告警。
6.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对所述容量的告警规则为：当模组内电池单体容量的最小值低于其初始标称容量的45％时，则发出容量过低告警。
7.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对所述直流电阻的告警规则为：当模组内电池单体直流电阻的最大值超过出厂规格的1.6倍时，则发出直流内阻过高告警。
8.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对所述周自放电率的告警规则为：当模组内电池单体的周自放电率的最大值高于14％时，则发出自放电过高告警。
9.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对模组内不一致性的告警规则为：当模组内电池单体间的容量不一致性大于25％时，则发出模组内不一致性过高告警。
10.根据权利要求1所述的一种梯次利用动力电池健康状态监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述告警条件中针对电池包内不一致性的告警规则为：当电池包内电不同电池模组的电池单体容量的不一致性大于30％时，则发出电池包内不一致性过高告警。
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