CN115602949A - 一种废旧电池梯次使用的筛选方法 - Google Patents

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余海军
李爱霞
张学梅
李长东
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Abstract

本发明公开了一种废旧电池梯次使用的筛选方法，包括：S1、标准静态检查；S2、电池组容量偏差参考量P测试；S3、根据容量偏差参考量P筛选。本发明根据电池组可用容量最优原则对容量区间进行分割，将符合再次利用的电池组提前分区筛选出后，再将整体容量低于电池组阈值的电池组区分出进行电池单体拆分后，使用的循环充放电静置法，筛选出剩余容量、端电压以及直流内阻非常接近的单体电池重组，形成新的电池组后进行梯次利用，不仅缩短了若干电池组间的梯次利用筛选时间，还节省了筛选单体电池大量的充放电定容和漫长的静置时间，提升了分选工作效率，减小了对电池进行分类的耗费时间和所用成本。

Description

一种废旧电池梯次使用的筛选方法
技术领域
本发明涉及储能设备技术领域，具体为一种废旧电池梯次使用的筛选方法。
背景技术
随着电动汽车产业快速发展，动力电池得到了广泛应用，今后几年退役的动力电池数量将快速增加。对动力电池的梯次利用，一方面能够减少处理退役动力电池产生的污染和不必要的能量损失；另一方面，梯次利用退役动力电池能减少生产新的动力电池所需的大量能量和材料，有利于降低生产成本，和减少碳排放和污染的产生。若缺乏有效的回收与梯次利用体系和筛选方法，将会影响电动汽车产业可持续发展和国家节能减排战略的实施，造成严重的资源浪费和环境问题。在梯次利用退役动力电池体系中，退役动力电池的一致性很差，如果不经筛选直接利用，极易造成安全事故。
如中国专利CN104362395B的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其包括如下步骤：通过外观辨识对待分析的动力电池进行初步评估；测试电池单体的自放电；单体一致性测试；测试电池参数并分级。此方法通过分析电动汽车退役动力电池的特性，提出适用于动力电池二次利用的筛选方法，以发挥电动汽车退役动力电池的剩余性能，提高动力电池二次利用的经济性。
现有技术中，退役动力电池梯次利用的技术难点首先在于评估电池的老化情况，其次是对动力电池进行筛选分类，通常是将退役动力电池组拆解，得到最小单元单体电池，再根据充电曲线和串联电池的充放电策略实现了容量估计和设计了电池内阻的筛选方法，但这种直接筛选通过测试电池的基本参数，对电池进行分类的方法耗费时间长、所用成本较高、分选工作效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废旧电池梯次使用的筛选方法，以解决上述背景技术提出的将退役动力电池组拆解，得到最小单元单体电池，再根据充电曲线和串联电池的充放电策略实现了容量估计和设计了电池内阻的筛选方法，但这种直接筛选通过测试电池的基本参数，对电池进行分类的方法耗费时间长、所用成本较高、分选工作效率较低的问题。本发明中的筛选方法是将从第一级淘汰下的整包电池进行拆解，形成多个电池组，从经济成本上来看，电池组梯次利用的成本主要取决于电池组可用容量大小，当电池组串联使用后，整组串容量取决于该组串中最小容量的单体电池，因此，为追求筛选效率，在电池组中使用了基于容量区间分割的分类方法，提前计算出一个分组中需预留多少电池组，然后根据电池组可用容量最优原则对容量区间进行分割，直至最终细分结果满足最低电池组数量的要求，将符合再次利用的电池组提前分区筛选出，再将整体容量低于电池组阈值的电池组区分出进行电池单体拆分后，使用的循环充放电静置法，即对每节退役电池单体先进行多次充放电测试定容后静置多日，最后筛选出剩余容量、端电压以及直流内阻非常接近的单体电池重组，形成新的电池组后进行梯次利用，节省了大量的充放电定容和漫长的静置时间。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种废旧电池梯次使用的筛选方法，包括以下步骤：
S1、标准静态检查：经外观检查、极性检查、封装检查后，将不合格的电池组进行回收处理；
S2、电池组容量偏差参考量P测试：在完成步骤S1后，为每个电池组建立容量偏差参考量P，计算公式如下：
Figure 951351DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，a为参考量权重，取值0.4-0.6；C为测得容量；
Figure 587867DEST_PATH_IMAGE004
为标称能量；
S3、根据容量偏差参考量P筛选：计算所得的电池组容量偏差参考量P后，通过利用
Figure 102025DEST_PATH_IMAGE006
准则进行判别，利用电池组的容量偏差参考量P的相对关系，将其中明显偏差的电池组剔除，再进行回收，获得容量偏差参考量P一致性高的电池组集合；
S4、电池自放电筛选，对剔除出的电池组未分类电芯进行适当充电时，对电芯使用过程中的安全性筛选，并终止缺陷电芯后续充电，对筛选后的安全性合格电芯，进行脉冲放电，并提取相关参数输入等效电路模型数据库，短暂静置后接着进行EIS测试，通过测试曲线的形状进行类别区分后，对阻抗曲线进行等效电路拟合，将得到的等效参数也输入所述等效电路模型数据库待用；
S5、在进行电池组重组前，按照分组标准在所述等效电路模型数据库中检索，搜寻到指定范围内的退役电池后即可重组实现梯次利用。
优选的，在步骤S1中，所述外观检查要求电池组外观不得有变形及破裂，表面平整、无外伤及无污物，且标志清晰、正确；
所述极性检查包括电池组端子极性应正确，且有清晰的正负极标识；
所述封装检查要求电池组无漏液、无明火。
优选的，在步骤S2中，所述电池组容量偏差参考量P测试时，在20±2℃下，以
Figure DEST_PATH_IMAGE007
/5恒流放电，测得电池组的初次容量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，将电池组以1.0C倍率恒流充电满载后，以
Figure 638180DEST_PATH_IMAGE009
/5恒流放电至终止电压2.50V，放出的电量即为此电池组最大可用容量C。
优选的，在步骤S2中，所述电池组在充放电的过程中，按固定时间间隔2.0～3.0s对待测电池组当前总电压、当前总电流进行采集并记录，并通过积分运算，获取该批次各动力电池组的测得容量和测得能量。
优选的，在步骤S3中，所述
Figure 921394DEST_PATH_IMAGE006
准则为当数据组具有正态分布规律时，实际容量与额定容量差的绝对值落在
Figure 212698DEST_PATH_IMAGE006
以外的概率为0.28～0.32%；若
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
＞
Figure 181529DEST_PATH_IMAGE006
，则可认为该电池组不合格。
优选的，在步骤S4中，所述等效电路模型是通过等效元件组成的复合元件来拟合各个频段的 EIS 曲线，频响曲线与所测电池EIS曲线一致时的所测电池系统。
优选的，所述等效元件由电学元件中的电感L、电阻R、电容C、恒相位元件Q和阻抗W；所述等效电路模型的表达式，如下所示：
Figure 849270DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，Q的量纲为
Figure 986991DEST_PATH_IMAGE014
，取正值；j表示虚部符号，
Figure 183617DEST_PATH_IMAGE016
表示角频率，n表示常相位元件指数，取值为0＜n＜1；
Figure 141208DEST_PATH_IMAGE018
表示相位角；
Figure 347062DEST_PATH_IMAGE020
为韦伯常数。
优选的，在步骤S5中，电流电压采样频率为1Hz，设定电位值为开路电压，采用交流电压幅值为4mV，扫描频率范围为2kHz～0.01Hz。
优选的，在步骤S4中，所述电芯使用过程中的安全性筛选为针对电芯内部常见缺陷类型以及充电各阶段电芯内部结构微观变化特征的静态搁置电压筛选方法，以识别缺陷电芯；所述电芯内部常见缺陷类型包括筛选隔膜穿孔、金属异物、粉尘颗粒。
优选的，在步骤S4中，所述静态搁置电压筛选方法为采集电芯首次充电初期短时充电结束后的电压，并上传至数据库，根据对比正常电芯充电结束电压，若测试电芯电压较小，则内部隔膜存在穿孔；若测试电芯的电压当结束充电后下降逐步加快，则内部存在金属异物或粉尘颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是将从第一级淘汰下的整包电池进行拆解，形成多个电池组，并在电池组中使用了基于容量区间分割的分类方法，提前计算出一个分组中需预留电池组数量后，根据电池组可用容量最优原则对容量区间进行分割，直至最终细分结果满足最低电池组数量的要求，将符合再次利用的电池组提前分区筛选出后，再将整体容量低于电池组阈值的电池组区分出进行电池单体拆分后，对充放电测试前，进行静态搁置电压筛选方法，节约了内部缺陷电芯进行后续充放电测试所消耗的人力、电力，降低内部缺陷电芯发生安全事故的概率，再使用的循环充放电静置法，筛选出剩余容量、端电压以及直流内阻非常接近的单体电池重组，形成新的电池组后进行梯次利用，通过将电池组和电池单体分级使用与之对应的检测方法，不仅缩短了若干电池组间的梯次利用筛选时间，还节省了筛选单体电池大量的充放电定容和漫长的静置时间，提升了分选工作效率，减小了对电池进行分类的耗费时间和所用成本。
附图说明
图1为本发明一种废旧电池梯次使用的筛选方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当动力电池容量衰减到标称容量的80%以下时，考虑到里程焦虑和充电频繁等因素，将不再适用于电动车，但仍可用于一些小型且对电池性能要求较低的储能场合，如便携式备用电源、电动叉车电源、电网调峰调频及可再生能源储能等，进而实现动力电池的梯次利用。然而，退役电动汽车动力电池能量特性及功率特性会发生衰减，且电池单体间性能参数差异大，为实现不同性能表现电池应用价值的最大化，保证电池再次应用时的可靠性和安全性，必须对电池进行筛选，实现电池的分级梯次应用。
参照图1所示：一种废旧电池梯次使用的筛选方法，包括以下步骤：
步骤一、标准静态检查：经外观检查、极性检查、封装检查后，将不合格的电池组进行回收处理；外观检查要求电池组外观不得有变形及破裂，表面平整、无外伤及无污物，且标志清晰、正确；极性检查包括电池组端子极性应正确，且有清晰的正负极标识；封装检查要求电池组无漏液、无明火。
电池组的容量效率与能量效率参数也十分重要，电池组充放电循环的效率反映了电池组内阻情况。效率明显太差的电池组应予剔除，筛选方法也可采取
Figure 73709DEST_PATH_IMAGE006
准则方法。
步骤二、电池组容量偏差参考量P测试：在完成步骤S1后，为每个电池组建立容量偏差参考量P，电池组容量偏差参考量P测试时，在20±2℃下，以
Figure 470930DEST_PATH_IMAGE004
/5恒流放电，测得电池组的初次容量
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，将电池组以1.0C倍率恒流充电满载后，以
Figure 165086DEST_PATH_IMAGE009
/5恒流放电至终止电压2.50V，放出的电量即为此电池组最大可用容量C，计算公式如下：
Figure 757653DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，a为参考量权重，取值0.4-0.6；C为测得容量；
Figure 73228DEST_PATH_IMAGE004
为标称能量。
电池组在充放电的过程中，按固定时间间隔2.0～3.0s对待测电池组当前总电压、当前总电流进行采集并记录，并通过积分运算，获取该批次各动力电池组的测得容量和测得能量。
步骤三、根据容量偏差参考量P筛选：计算所得的电池组容量偏差参考量P后，通过利用
Figure 549340DEST_PATH_IMAGE006
准则进行判别，利用电池组的容量偏差参考量P的相对关系，将其中明显偏差的电池组剔除，再进行回收，获得容量偏差参考量P一致性高的电池组集合。
Figure 183321DEST_PATH_IMAGE006
准则为当数据组具有正态分布规律时，实际容量与额定容量差的绝对值落在
Figure 668660DEST_PATH_IMAGE006
以外的概率为0.28～0.32%；若
Figure 104321DEST_PATH_IMAGE022
＞
Figure 515448DEST_PATH_IMAGE006
，则可认为该电池组不合格。
本发明将退役电池系统分为三级，具体的第一级是电池包梯次利用、第二级为电池组梯次利用、第三级为单体电池级的梯次利用，目前技术发展上已从单体电池的拆解，发展成为电池组及电池包的回收使用，而第一级电池包梯次利用阶段的条件是电池容量大于或等于80%，即动力电池做为正常能源电池在车中被使用；当电池包异常时，要对电池包进行检测评估，从而对整个电池包进行替换，一般情况下，电池包退役后，不会淘汰整个电池包，且为提升利用价值和保障安全性，也不会再次使用整体的电池包，而是将电池包拆解成若干电池组后，进行电池组间的筛选和再次拆解，进行电池单体中的筛选。
步骤四、电池自放电筛选，对剔除出的电池组未分类电芯进行适当充电时，对电芯使用过程中的安全性筛选，并终止缺陷电芯后续充电。电芯使用过程中的安全性筛选为针对电芯内部常见缺陷类型以及充电各阶段电芯内部结构微观变化特征的静态搁置电压筛选方法，以识别缺陷电芯；电芯内部常见缺陷类型包括筛选隔膜穿孔、金属异物、粉尘颗粒。
静态搁置电压筛选方法为采集电芯首次充电初期短时充电结束后的电压，并上传至数据库，根据对比正常电芯充电结束电压，若测试电芯电压较小，会因在充电过程中隔膜穿孔的电芯正负极片接触微断路，消耗了充电电量和化学反应成膜及内部痕量水分分解消耗电量，则内部隔膜存在穿孔；
电芯充电过程中，负极片因嵌锂而不断膨胀，电芯内存在的金属异物或粉尘颗粒刺破隔膜，内部产生微短路点，导致静置过程中，电芯电压下降加快，若测试电芯的电压当结束充电后下降逐步加快，则内部存在金属异物或粉尘颗粒。对充放电测试前，首先进行静态搁置电压筛选方法，不仅节约了内部缺陷电芯进行后续充放电测试所消耗的人力、电力，还可降低内部缺陷电芯发生安全事故的概率。
对筛选后的安全性合格电芯，进行脉冲放电，并提取相关参数输入等效电路模型数据库，短暂静置后接着进行EIS测试，通过测试曲线的形状进行类别区分后，对阻抗曲线进行等效电路拟合，将得到的等效参数也输入等效电路模型数据库待用；等效电路模型是通过等效元件组成的复合元件来拟合各个频段的EIS 曲线，频响曲线与所测电池EIS曲线一致时的所测电池系统。
步骤五、电流电压采样频率为1Hz，设定电位值为开路电压，采用交流电压幅值为4mV，扫描频率范围为2kHz～0.01Hz，在进行电池组重组前，按照分组标准在等效电路模型数据库中检索，搜寻到指定范围内的退役电池后即可重组实现梯次利用。
等效元件由电学元件中的电感L、电阻R、电容C、恒相位元件Q和阻抗W；等效电路模型的表达式，如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
其中，Q的量纲为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，取正值；j表示虚部符号，
Figure 121879DEST_PATH_IMAGE016
表示角频率，n表示常相位元件指数，取值为0＜n＜1；
Figure 676488DEST_PATH_IMAGE018
表示相位角；
Figure 193752DEST_PATH_IMAGE020
为韦伯常数。经过测试与EIS 曲线的曲线分类、阻抗数据拟合以及脉冲参数提取后，退役动力电池的各类数据均存在于分类数据库中。基于多因子的退役动力电池重组方法即根据成组需求动态选择分类标准，这样重组出来的退役电池模组具有一致性强、健康状况良好以及成组率高的优势。
本发明中的筛选方法是将从第一级淘汰下的整包电池进行拆解，形成多个电池组，从经济成本上来看，电池组梯次利用的成本主要取决于电池组可用容量大小，当电池组串联使用后，整组串容量取决于该组串中最小容量的单体电池，因此，为追求筛选效率，在电池组中使用了基于容量区间分割的分类方法，提前计算出一个分组中需预留多少电池组，然后根据电池组可用容量最优原则对容量区间进行分割，直至最终细分结果满足最低电池组数量的要求，将符合再次利用的电池组提前分区筛选出，再将整体容量低于电池组阈值的电池组区分出进行电池单体拆分后，使用的循环充放电静置法，即对每节退役电池单体先进行多次充放电测试定容后静置多日，最后筛选出剩余容量、端电压以及直流内阻非常接近的单体电池重组，形成新的电池组后进行梯次利用，节省了大量的充放电定容和漫长的静置时间。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、标准静态检查：经外观检查、极性检查、封装检查后，将不合格的电池组进行回收处理；
S2、电池组容量偏差参考量P测试：在完成步骤S1后，为每个电池组建立容量偏差参考量P，计算公式如下：
Figure 333477DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，a为参考量权重，取值0.4-0.6；C为测得容量；
Figure 516197DEST_PATH_IMAGE004
为标称能量；
S3、根据容量偏差参考量P筛选：计算所得的电池组容量偏差参考量P后，通过利用
Figure 997732DEST_PATH_IMAGE006
准则进行判别，利用电池组的容量偏差参考量P的相对关系，将其中明显偏差的电池组剔除，再进行回收，获得容量偏差参考量P一致性高的电池组集合；
S4、电池自放电筛选，对剔除出的电池组未分类电芯进行适当充电时，对电芯使用过程中的安全性筛选，并终止缺陷电芯后续充电，对筛选后的安全性合格电芯，进行脉冲放电，并提取相关参数输入等效电路模型数据库，短暂静置后接着进行EIS测试，通过测试曲线的形状进行类别区分后，对阻抗曲线进行等效电路拟合，将得到的等效参数也输入所述等效电路模型数据库待用；
S5、在进行电池组重组前，按照分组标准在所述等效电路模型数据库中检索，搜寻到指定范围内的退役电池后即可重组实现梯次利用。
2.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S1中，所述外观检查要求电池组外观不得有变形及破裂，表面平整、无外伤及无污物，且标志清晰、正确；
所述极性检查包括电池组端子极性应正确，且有清晰的正负极标识；
所述封装检查要求电池组无漏液、无明火。
3.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S2中，所述电池组容量偏差参考量P测试时，在20±2℃下，以
Figure 861782DEST_PATH_IMAGE004
/5恒流放电，测得电池组的初次容量
Figure 144996DEST_PATH_IMAGE008
，将电池组以1.0C倍率恒流充电满载后，以
Figure DEST_PATH_IMAGE009
/5恒流放电至终止电压2.50V，放出的电量即为此电池组最大可用容量C。
4.根据权利要求3所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S2中，所述电池组在充放电的过程中，按固定时间间隔2.0～3.0s对待测电池组当前总电压、当前总电流进行采集并记录，并通过积分运算，获取该批次各动力电池组的测得容量和测得能量。
5.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S3中，所述
Figure 279043DEST_PATH_IMAGE006
准则为当数据组具有正态分布规律时，实际容量与额定容量差的绝对值落在
Figure 749339DEST_PATH_IMAGE006
以外的概率为0.28～0.32%；若
Figure DEST_PATH_IMAGE011
＞
Figure 604031DEST_PATH_IMAGE006
，则可认为该电池组不合格。
6.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S4中，所述等效电路模型是通过等效元件组成的复合元件来拟合各个频段的 EIS 曲线，频响曲线与所测电池EIS曲线一致时的所测电池系统。
7.根据权利要求6所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，所述等效元件由电学元件中的电感L、电阻R、电容C、恒相位元件Q和阻抗W；所述等效电路模型的表达式，如下所示：
Figure 183829DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，Q的量纲为
Figure 583717DEST_PATH_IMAGE014
，取正值；j表示虚部符号，
Figure 947834DEST_PATH_IMAGE016
表示角频率，n表示常相位元件指数，取值为0＜n＜1；
Figure 589906DEST_PATH_IMAGE018
表示相位角；
Figure 785395DEST_PATH_IMAGE020
为韦伯常数。
8.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S5中，电流电压采样频率为1Hz，设定电位值为开路电压，采用交流电压幅值为4mV，扫描频率范围为2kHz～0.01Hz。
9.根据权利要求1所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电芯使用过程中的安全性筛选为针对电芯内部常见缺陷类型以及充电各阶段电芯内部结构微观变化特征的静态搁置电压筛选方法，以识别缺陷电芯；所述电芯内部常见缺陷类型包括筛选隔膜穿孔、金属异物、粉尘颗粒。
10.根据权利要求9所述的一种废旧电池梯次使用的筛选方法，其特征在于，在步骤S4中，所述静态搁置电压筛选方法为采集电芯首次充电初期短时充电结束后的电压，并上传至数据库，根据对比正常电芯充电结束电压，若测试电芯电压较小，则内部隔膜存在穿孔；若测试电芯的电压当结束充电后下降逐步加快，则内部存在金属异物或粉尘颗粒。
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