TWI528044B - Elimination of battery screening methods - Google Patents

Description

汰役電池篩選方法

本發明係與電池檢測技術有關，特別係指一種用於檢測與篩選電動車使用之動力電池堪用程度之汰役電池篩選方法。

大容量之動力鋰電池歸功於電動車及電動巴士的推廣，在近幾年製造技術與產量有顯著的成長。一般動力電池在運行一段時間後電容量會衰減、電池性能降低老化，當電池容量下降至新電池容量的70%~80%以下時，此時因無法滿足電動車應用的性能與安全需求，維修人員會將電容量降低至標準以下之電池從電動車體上移除，這些低於標準之電池稱為汰役電池。該些汰役電池雖都已經具有一定程度的劣化，實際上該電池仍具有相當多的能量，雖無法符合電動車輛之性能需求，但經過篩選後可以作為其他用途，如儲電、緊急發電、照明等，只要是對電池電容量需求相對較低、或者可利用多組小容量電池結合成大型儲電單元之固定式設備，皆可使用汰役電池，以減少購置全新電池之成本與符合環保需求。

先前技術中，檢測電池堪用程度的方法有下列數 種：(1)以直流阻抗測試法(DCIR)測定電池於開路電壓(OCV)下的阻抗值；(2)以交流阻抗測試法(ACIR)來測定電池在充放電過程中電極附近的離子動力學現象，例如電極與電解液接觸介面或離子在電荷轉移/混合過程中所呈現的容抗值。上述兩種方法係用以判定電池內阻增加的狀態，一般檢測步驟最後會以深度充放電曲線來確認電池的可用容量與其放電平台電壓，由這些量測數據得知電池的堪用程度。使用直流阻抗方法可測定電池之巨觀內阻(Lumped resistance)；其係指利用電池對負載放電，電流大小為I_load，此時電池之兩端電壓為V_bat，配合電池之原始開路電壓值V_oc，可以求得電池之直流內阻DCIR=(V_oc-V_bat)/I_load。

另外，EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy，電化學阻抗頻譜分析)測試法可以透過非破壞性試驗將電池內部的各種要素分離出來，此可用來解析並決定電池的性能與劣化程度，一般稱為交流阻抗測試。交流阻抗分析經常被使用於研究材料傳導性質或其表面電化學反應，具有將系統中的物種遷移、複雜反應或同時發生的多重反應以不同頻率範圍分離，進而獨立表現的能力，並將所得到之各種材料特性，以電子元件訊號來模擬。

直流阻抗測試與交流阻抗測試雖然能在電池出廠時，或使用到一定程度有故障疑慮時，提供部份電池資訊作為判斷之用，但無法有效的將電池的損耗狀態作出明確的 評判，只能粗略的以二分法分為堪用或不堪用。在實際考慮該汰役電池能否作為其他電源用途時，必須考慮多種因素，盡可能掌握該汰役電池之實際性能狀態，以利後續篩選與應用。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種汰役電池篩選方法，係用於篩選經使用過之電池組中性能尚未老化之單電池，將該些堪用之單電池重新組裝後，作為儲電系統或其他電源用途。

本發明係提供一種汰役電池篩選方法，係用於篩選經使用過之電池組中性能尚未老化之單電池，其步驟係包括：量測該電池之開路電壓，若該電池之開路電壓低於最低容許開路電壓值，則判定該電池汰除；量測該電池之內阻，若該電池之內阻超過標準內阻值，則判定該電池汰除；對該電池進行充放電測試，量測該電池之實際電容量，若該電池之實際電容量低於可用電容量，則判定該電池汰除；對該電池進行交流阻抗測試，檢視該電池之交流阻抗頻率響應圖之曲線，若該曲線不符標準曲線，則判定該電池汰除；將篩選後判定可用之複數電池結合BMS(電池管理系統)後，組成一電池組。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及 功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

S1~S6‧‧‧本發明之汰役電池篩選方法步驟流程

圖1係為本發明之汰役電池篩選方法步驟流程圖。

圖2係為本發明實施例之充放電測試之放電容量曲線與放電台階電壓曲線圖。

圖3係為習知交流阻抗頻譜響應圖之簡單說明。

圖4係為本發明實施例測得之交流阻抗頻譜響應圖。

圖5a至圖5d係為本發明實施例產出之磷酸鋰鐵再生電池組之單顆電池個別放電曲線圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明之汰役電池篩選方法步驟流程圖如圖1所示，其步驟係包括：進行量測前，先行檢視該電池之外觀，若該電池外觀出現變形、膨脹、漏液、鏽蝕或其他損壞現象，則判定該電池汰除S1；量測該電池之開路電壓，若該電池之開路電壓低於最低容許開路電壓值，則判定該電池汰除S2；量測該電池之內阻，若該電池之內阻超過標準內阻值，則判定該電池汰除S3；對該電池進行充放電測試，量測該電池之 實際電容量，若該電池之實際電容量低於可用電容量，則判定該電池汰除S4；對該電池進行交流阻抗測試，檢視該電池之交流阻抗頻率響應圖之曲線，若該曲線不符標準曲線，則判定該電池汰除S5；將篩選後判定可用之複數電池結合BMS(電池管理系統)後，組成一電池組S6。

本發明定義之汰役電池係指經電動車輛使用過後汰換之動力電池，因電動車輛之安全標準與性能需求較高，一般整組動力電池組之電容量低於標準額定電容量之70%時，即被判定不可繼續使用而拆卸更換。然而動力電池組係由複數個單電池(Cell)組裝而成，每個單電池之實際老化程度不一，若該單電池之實際電容量具有全新電池之電容量70%以上，則依然可作為一般儲能系統之電源使用。故本發明係篩選出汰役電池組中性能堪用之單電池，重新組裝成電池組使用，重新組裝之電池組充放電性能雖不及全新電池組，但可用於電動車輛動力需求以外、對電池性能容量要求相對較低之儲能需求，如緊急供電、再生能源儲電單元等。本發明可節省儲能系統之購置成本，並具有環保與節約資源之優點。

本發明之汰役電池篩選方法於實際運用時，需先取得該篩選電池之性能數據，包括最低容許開路電壓、全新狀態之電池內阻、標準電容量、台階電壓曲線圖、交流阻抗測試曲線圖或其他電池性能數據，以作為後續篩選步驟比對之用。本發明之汰役電池篩選方法係由基本檢驗步驟開始， 逐步對該待篩選電池進行更詳細深入之檢測，確保經本發明之汰役電池篩選方法檢測後之電池性能堪用，可作為儲能或其他電源用途。

本發明其中一實施例中，係以磷酸鋰鐵電池(LiFePO₄)作為篩選目標，一般狀態之磷酸鋰鐵單電池之最低容許開路電壓值為2.0V至2.5V，視電池種類與廠牌而定。本發明之實施例以2.0V為最低容許開路電壓值，首先量測該待篩選電池之開路電壓，若該待篩選電池之開路電壓低於最低容許值(2.0V)，則判定該待篩選電池已無法繼續使用而汰除。在確認該待篩選電池之開路電壓符合標準後，進一步量測該待篩選電池之內阻是否超過標準內阻值過多，以致無法繼續使用。標準內阻值係指該電池全新狀態之內阻值，在本發明之實施例中，先將該待篩選電池以定電流(CC)/定電壓(CV)模式進行充電或放電至3.2V±0.1V，常溫靜置1分鐘以上後即可量測該待篩選電池之內阻，以放電之電流大小為I_load，此時電池兩端之工作電壓為V_bat，配合電池之原始開路電壓值V_oc，可以求得電池之直流內阻DCIR=(V_oc-V_bat)/I_load，當該待篩選電池之內阻大於全新電池之內阻值1.3~1.6倍時，則判定該待篩選電池已無法繼續使用而汰除。

本發明之實施例中，該待篩選電池之開路電壓與內阻值之量測結果均符合標準後，進一步對該待篩選電池進行充放電測試，以量測該待篩選電池之電容量是否足夠繼續 使用。本發明之實施例進行充放電測試的方法係為：將該待篩選電池(本實施例採用磷酸鋰鐵電池)以定電流(CC)/定電壓(CV)模式充電至飽電位3.6V；以定電流(CC)/定電壓(CV)模式放電至2.8V；以定電流(CC)/定電壓(CV)模式充電至3.6V，記錄上述過程中該待篩選電池之充放電電容量、電流、電壓與溫度數據，取充電容量與放電容量之最小值作為該待篩選電池之實際電容量。其中定電流(CC)充放電電流為0.5C~1C，定電壓(CV)測試終止條件為電流小於0.05C，C為電池充放電速率(C rate)，其數值定義為充放之電流值除以電池之安培小時容量。本發明實施例之充放電測試結果之放電容量曲線圖如圖2所示，在本發明實施例中，以該電池全新狀態電容量之70%為可用電容量，若該待篩選電池測得之實際電容量小於可用電容量，則判定該待篩選電池已無法繼續使用而汰除。本發明實施例進行充放電測試之步驟中，同時可測得該待篩選電池之放電台階電壓(plateau voltage)數值，如圖2下方之放電電壓平台(放電台階電壓)曲線圖所示，若該待篩選電池之放電台階電壓準位已偏移(低於)該電池全新狀態之台階電壓過多，代表電池極化嚴重且電極結構受損。以本發明實施例之磷酸鋰鐵電池為例，可容許之放電台階電壓為3.0V，低於該數值代表該電池之電化學反應效果已變差，則判定該待篩選電池已無法繼續使用而汰除。

本發明之實施例中，該待篩選電池之開路電壓、 內阻值、電容量與台階電壓之量測結果均符合標準後，進一步對該待篩選電池進行交流阻抗測試，使用交流阻抗測試方法可以獲得電池內部的局部阻抗值；其係對系統施加微小振幅的交流電壓訊號，量測響應電流之大小以及相對於施加電壓之相位角差，計算出複數阻抗值，不同頻率的複數阻抗值可畫成頻率響應圖(Nyquist plot)，也就是不同頻率的阻抗實部(Z’)與阻抗虛部(Z”)圖，交流阻抗圖之簡單說明如圖3所示，藉由曲線中實軸截距偏移量(R_e)與半圓的直徑(R_ct)來篩選電池的劣化程度，在等效電路元件的模擬中，實軸代表電阻值而虛軸的正負各代表感抗與容抗值，所以在電池電極的測試方面，圖譜半圓直徑(R_ct,Charge Transfer Resistance)對應之實軸的大小與實軸截距偏移量(R_e,Electrolyte Resistance)可用來比較阻抗的大小。一般來說，二次鋰離子電池在使用後圖譜上的半圓會明顯增大。使用不同頻率量測交流阻抗可反應電池內部不同介面處之阻抗值，如超高頻段(10kHz)與外部線路有關，高頻段(10kHz~1kHz)與電極表面之生成物有關，中頻段(1kHz~1Hz)與電解質內之帶電離子進入電極界面產生化學反應有關，低頻段(10Hz~1mHz)與電解質內的帶電離子於陰、陽極間的擴散效應有關，極低頻段(50μHz)與電極之生成物累積效應有關。本發明實施例測得之交流阻抗頻譜響應圖如圖4所示，當頻譜之實軸(Z’軸)截距偏移量R_e大於全新電池R_{e_new}之1.5~2.0倍時，即判定該待篩選電池已無法繼續使 用而汰除；另當電池老化，交流阻抗圖的半圓直徑(R_ct)會逐漸擴大，代表該電池內部之電化學反應受阻，可能是電極表面阻抗增大、或電解液成分改變等原因，當直徑大於新電池曲線的1.5~2.0倍時，則判定該待篩選電池已無法繼續使用而汰除。

本發明之實施例中，當該待篩選電池之開路電壓、內阻值、電容量、台階電壓與交流阻抗之量測結果均符合標準後，即可將篩選合格之複數單電池結合BMS(電池管理系統)組成一再生電池組，作為儲電或其他電源需求使用。以本發明實施例之磷酸鋰鐵電池為例，標準電壓為48V之磷酸鋰鐵電池組具有16顆單電池(Cell)，選取32顆經本發明檢測判定可用、且內阻較小之單電池，將該32顆單電池依電容量排序，取16顆電容量較接近之單電池加上BMS電路板組成一48V再生電池組，再對該再生電池組進行充放電測試，同時檢測每顆單電池之單電壓，以確認該再生電池組之性能可繼續使用。本發明實施例產出之磷酸鋰鐵再生電池組之單顆電池個別放電曲線圖如圖5a至圖5d所示，經本發明之汰役電池篩選方法篩選後之個別單電池在經過多次(1次、40次、70次、100次)充放電循環(cycle)測試後，均具有相當穩定且一致之放電曲線，足證本發明之汰役電池篩選方法確實可達到篩選可用電池、減少資源浪費之功效。

本發明之汰役電池篩選方法係以由簡至繁的漸 進式檢測方式，逐步建立待篩選電池之各項健康狀態數據，用以判斷該待篩選電池是否可繼續作為儲能系統使用。本發明於實際運用中，充放電測試與交流阻抗測試之執行順序可調換，先進行交流阻抗測試、再進行充放電測試與放電台階電壓量測，並不影響本發明判定之結果。惟一般而言，利用同一台充放電測試儀器量測完開路電壓、內阻與進行充放電測試後，再利用另一台交流阻抗測試儀器測試該電池之交流阻抗之工序較單純，故本發明教示之實施例以符合該領域習知技術者之慣用工序為主要實施方式。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S1~S6‧‧‧本發明之汰役電池篩選方法步驟流程

Claims (9)

1. 一種汰役電池篩選方法，其步驟係包括：量測該電池之開路電壓，若該電池之開路電壓低於最低容許開路電壓值，則判定該電池汰除；量測該電池之內阻，若該電池之內阻超過標準內阻值，則判定該電池汰除；對該電池進行充放電測試，量測該電池之實際電容量，若該電池之實際電容量低於可用電容量，則判定該電池汰除；對該電池進行交流阻抗測試，檢視該電池之交流阻抗頻率響應圖之曲線，若該曲線不符標準曲線，則判定該電池汰除；將篩選後判定可用之複數電池結合電池管理系統後，組成一電池組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之汰役電池篩選方法，其中該電池係為磷酸鋰鐵電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之汰役電池篩選方法，其中量測該電池之內阻之步驟進一步包括：當該電池之內阻大於標準內阻值之1.3至1.6倍時，則判定該電池汰除。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之汰役電池篩選方法，其中進行充放電測試之步驟進一步包括：檢視該電池 之放電台階電壓，若該電池之放電台階電壓過低，則判定該電池汰除。
5. 如申請專利範圍第4項所述之汰役電池篩選方法，其中該電池之放電台階電壓低於3.0V時，則判定該電池汰除。
6. 如申請專利範圍第1項所述之汰役電池篩選方法，其中該可用電容量係為該電池全新狀態標準電容量之70%。
7. 如申請專利範圍第2項所述之汰役電池篩選方法，其中該最低容許開路電壓值係為2.0V。
8. 如申請專利範圍第1項所述之汰役電池篩選方法，其中在量測該電池之開路電壓前，先行檢視該電池之外觀，若該電池外觀出現變形、膨脹、漏液、鏽蝕或其他損壞現象，則判定該電池汰除。
9. 如申請專利範圍第1項所述之汰役電池篩選方法，其中該充放電測試之步驟與該交流阻抗測試之步驟順序係可對調。