WO2013086875A1 - 一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法 - Google Patents

一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the field of batteries, and in particular to a grading method for power battery ladder utilization.
  • BACKGROUND OF THE INVENTION Electric vehicles have high performance requirements for power batteries. When the capacity of the power battery drops to a certain level, it must be replaced in order to ensure the power performance, driving range and safety performance of the electric vehicle. The battery replaced from the electric car still has a high residual capacity.
  • Lithium-ion batteries have the advantages of high specific energy, good temperature characteristics, long cycle life, etc. After being decommissioned as electric vehicle power batteries, they are filtered and re-assembled, which may be applied to relatively good working conditions and relatively low battery performance requirements. In the case of the use of the power battery.
  • the use of power battery ladders means that the power supply device continues to be used in other fields after the performance of the power battery is degraded and the requirements for use of the electric vehicle cannot be met.
  • Lithium-ion power batteries are usually judged and sorted according to the external characteristics of the battery (such as battery capacity, internal resistance, charge and discharge curve, self-discharge, etc.) before being used in groups. The basis for battery grouping.
  • the power battery used in the ladder due to its safety performance and electrochemical performance decline, it is necessary to evaluate its health status before use (including battery safety performance, self-discharge, charge and discharge characteristics, in subsequent use). Cyclic performance, etc.), to determine whether the battery can be used in a step-by-step manner and how to use the ladder.
  • the external characteristic parameters of the battery can only reflect the changes of some of its main parameters, and can not reflect the factors causing the battery performance degradation from the internal mechanism, and it is impossible to accurately evaluate the battery health status.
  • the invention Based on the analysis of the external characteristic parameters of the battery and the analysis of the internal characteristics of the battery, the invention fundamentally grasps the cause of the deterioration of the battery performance, and then evaluates the health status of the battery, and combines the health status of the power battery according to the ladder.
  • the battery performance requirements for different occasions are used to classify the power cells for the ladders.
  • the way to use the power battery ladder mainly includes the backup power supply for the computer and information system, the peak clipping and valley filling for the power grid, and the power smoothing for the renewable energy power generation.
  • Different applications have different working conditions, and the performance requirements of the battery are also different.
  • By classifying the power battery for the ladder different levels of batteries should be used. When used in different occasions, it can ensure the performance of the battery to meet the requirements of the application, and to fully exert the performance of the battery.
  • the present invention provides a grading method for the utilization of electric vehicle power battery ladders. By classifying the power batteries for the ladders, different levels of batteries are applied to different occasions to ensure the performance of the battery is satisfied. In order to meet the requirements of the occasion, it is necessary to give full play to the performance of the battery.
  • the present invention provides a grading method for electric vehicle power battery ladder utilization, which is improved in that the grading method includes the following steps:
  • the battery usage condition includes the battery usage frequency, the magnification, and the SOC limit.
  • the external characteristic analysis of the ladder using the power battery includes historical characteristic analysis, basic characteristic test analysis and accelerated aging test analysis.
  • the historical characteristic analysis analyzes the appearance change, the internal resistance change, the available capacity and energy, and the energy retention capability of each battery, and the battery with a zero voltage battery and an excessive resistance and a serious appearance Poor power battery, directly eliminate the possibility of ladder utilization;
  • the preliminary grading is based on the capacity, internal resistance and capacity retention rate of the battery in the historical analysis of the basic characteristics, different capacities, internal resistances And the capacity retention rate range is set to a different level.
  • the internal characteristic analysis detects a factor causing a capacity decay of a lithium ion battery, and performs a crystal structure study on the electrode material by an X-ray diffraction spectrum to Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy were used to analyze the morphology of the electrode and the separator, and observe the SEI film.
  • the composition of the residual electrolyte in the battery was also analyzed by mass spectrometry.
  • factors causing the capacity decay of the lithium ion battery include: Structural distortion, active material dissolution, current collector corrosion, plate loosening, membrane blockage, and SEI film state changes.
  • step 4 the step utilization of the power battery is classified as follows:
  • the first level The slow internal thickening of the SEI film occurs in the battery, which reduces the interface charge exchange capacity of the battery, but has little effect on the frequency of use and the use rate of the battery;
  • the second stage In addition to the thickening of the SEI film inside the battery, there is also a phenomenon in which the crystal structure of the electrode material is distorted and some active substances are dissolved, so that the reversibility of the electrochemical reaction and the lithium ion diffusion coefficient are lowered, and the frequency and rate of use of the battery are certain. Degree of influence
  • the third stage Local corrosion of the current collector occurs inside the battery, some active substances loose and fall off, and the diaphragm is blocked to a certain extent, which reduces the amount of active lithium and increases the impedance of the battery, which has a great influence on the frequency of use, the magnification and the SOC limit.
  • the power battery belonging to the first stage is used for the power smoothing of the renewable energy power generation; the power battery belonging to the second stage is used for the peak clipping of the power grid; The power battery is used as a backup power source.
  • the present invention provides a grading method for the utilization of electric vehicle power battery ladders, by classifying the power batteries for the ladders, and applying different levels of batteries to different occasions, thereby ensuring the performance of the battery can be satisfied.
  • it is necessary to give full play to the performance of the battery; and through the combination of internal and external characteristics analysis, reveal the cause of the decline in the performance of the power battery in the ladder, and based on this, conduct battery health assessment; Based on the health status of the power battery, it is accurately graded; combined with the use conditions of different occasions, find suitable use occasions for different levels of batteries.
  • DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A grading method for power battery ladder utilization of an electric vehicle, characterized in that the grading method comprises the following steps:
  • the battery usage condition includes the battery usage frequency, the magnification, and the SOC limit.
  • the main occasions in which power batteries may be used for cascade use include smoothing of power fluctuations in renewable energy generation, and grid cutting. Peak fill and backup power.
  • the external characteristics analysis of the ladder using the power battery mainly includes historical characteristic analysis, basic characteristic test analysis and accelerated aging test analysis.
  • Historical characteristics analysis mainly analyzes the appearance change of each battery, internal resistance change and available capacity and energy, and energy retention.
  • the battery with excessive resistance and the serious poor appearance severe inflation, damage to the surface of the battery, serious corrosion on the surface of the battery, etc.
  • the possibility of using the ladder is directly excluded; Mainly to test and record the parameters of voltage, internal resistance, capacity, energy, efficiency, temperature rise, voltage drop and capacity retention of each battery; Accelerated aging test analysis is mainly to test the performance of the battery under accelerated aging conditions.
  • the possibility of use of the ladder is excluded; for batteries with normal analysis of all three, it may be considered for the use of the ladder.
  • the initial classification is first performed according to the external characteristic parameters, and then the internal characteristic analysis of the sampling of each level of the battery is performed.
  • the internal characteristic analysis is mainly for the detection of important factors such as material crystal structure distortion, active material dissolution, current collector corrosion, plate loosening, diaphragm blockage, and SEI film state change, which cause lithium ion battery capacity attenuation.
  • the crystal structure of the electrode material was studied by X-ray diffraction spectrum.
  • the morphology and surface of the electrode and the separator were analyzed by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy.
  • the SEI film was observed.
  • the composition of the residual electrolyte in the battery was analyzed by mass spectrometry.
  • First level The internal SEI film is mainly thickened in the battery to make the interface charge exchange of the battery. The capacity is reduced, but it has little effect on the frequency of use of the battery and the use rate. Such batteries can be applied to the power smoothing of renewable energy generation; Second stage: In addition to the thickening of the SEI film, the crystal structure distortion of the electrode material also occurs.

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法，所述分级方法包括如下步骤：（1）.对梯次利用动力电池进行外特性分析，判断动力电池是否可以进行梯次利用；（2）.对于能梯次利用的电池，根据其外特性参数进行初步分级，然后对每一级别的电池进行抽样内特性分析；（3）.在内外特性分析的基础上，建立内外特性参数之间的关联关系，并对电池的健康状态进行评估；（4）.将电池健康状态评估结果与电池的使用条件相结合，对梯次利用动力电池进行分级。本发明提供的电动汽车动力电池梯次利用的分级方法，既能保证电池的性能满足使用场合的要求，又要充分发挥电池的性能。

Description

一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法
技术领域 本发明属于蓄电池领域， 具体涉及一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法。 背景技术 电动汽车对动力电池的性能要求较高， 当动力电池的容量下降到一定程度后， 为了确保 电动汽车的动力性能、 续驶里程和运行过程中的安全性能， 就必须对其进行更换。 从电动汽 车上更换下来的电池， 仍具有较高的剩余容量。 锂离子电池具有比能量高、 温度特性好、 循 环寿命长等优点， 在作为电动汽车动力电池退役后， 经过筛选和重新配组， 有可能应用于工 况相对良好、 对电池性能要求相对较低的场合， 实现动力电池的梯次利用。 动力电池梯次利 用是指在动力电池性能下降、 不能满足电动汽车使用要求后， 作为能量提供装置在其他领域 继续使用。
对于从电动汽车上退役下来、有可能进行梯次利用的电池， 尚未有电池分级概念的提出， 更没有相关的分级方法。锂离子动力电池在成组使用之前，通常是根据电池的外特性参数（如: 电池的容量、 内阻、 充放电曲线、 自放电等） 对电池的性能进行判断并分选， 并以次作为电 池成组的依据。 而对于梯次利用的动力电池， 由于其安全性能和电化学性能的下降， 因此在 使用前， 需对其健康状态进行评估 （包括电池的安全性能、 自放电、 充放电特性、 在后续使 用中的循环性能等） ， 判断电池是否可梯次利用以及如何进行梯次利用。 电池的外特性参数 只能反映其一些主要参量的变化， 不能从内在机理上反映造成电池性能衰退的因素， 也就不 能准确的对电池健康状态进行评估。 本发明首次在电池外特性参数分析的基础上， 结合电池 的内特性分析， 从根本上把握电池性能衰退的原因， 进而对电池的健康状态进行评估， 并根 据梯次利用动力电池的健康状态， 结合不同使用场合对电池性能的要求， 对梯次利用动力电 池进行分级。
从目前来看， 动力电池梯次利用的途径主要包括作为计算机和信息系统的备用电源、 用 于电网的削峰填谷、 用于可再生能源发电的功率平滑等。 不同的应用场合有着不同的使用工 况， 对电池的性能要求也不一样， 通过对梯次利用动力电池进行分级， 将不同级别的电池应 用到不同的场合， 既能保证电池的性能满足使用场合的要求， 又要充分发挥电池的性能。 发明内容 为克服上述缺陷， 本发明提供了一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法， 通过对 梯次利用动力电池进行分级， 将不同级别的电池应用到不同的场合， 既能保证电池的性能满 足使用场合的要求， 又要充分发挥电池的性能。
为实现上述目的， 本发明提供一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法， 其改进之处 在于， 所述分级方法包括如下步骤：
(1) .对梯次利用动力电池进行外特性分析， 判断动力电池是否可以进行梯次利用；
(2) .对于能梯次利用的电池， 根据其外特性参数进行初步分级， 然后对每一级别的电池进 行抽样内特性分析；
(3) .在内外特性分析的基础上， 建立内外特性参数之间的关联关系， 并对电池的健康状态 进行评估；
(4) .将电池健康状态评估结果与电池的使用条件相结合， 对梯次利用动力电池进行分级； 其中， 所述步骤 4中， 电池的使用条件包括电池的使用频次、 倍率、 SOC限值。
本发明提供的优选技术方案中， 在所述步骤 1 中： 对梯次利用动力电池进行的外特性分 析， 包括历史特性分析、 基本特性试验分析和加速老化试验分析。
本发明提供的第二优选技术方案中， 所述历史特性分析， 分析每支电池外观变化、 内阻 变化和可用容量与能量以及能量保持能力， 对零电压电池、 电阻过大的电池及外观严重不良 的动力电池， 直接排除其梯次利用的可能性； 所述基本特性历史分析， 测试并记录每个电池 的以下参数： 电压、 内阻、 容量、 能量、 效率、 温升、 电压下降及容量保持率； 加所述速老 化试验分析， 测试电池在加速老化条件下的性能。
本发明提供的第三优选技术方案中， 在所述步骤 2中， 所述初步分级是根据基本特性历 史分析中电池的容量、 内阻和容量保持率将其进行分级， 不同的容量、 内阻和容量保持率范 围定为不同的级别。
本发明提供的第四优选技术方案中， 在所述步骤 2中， 所述内特性分析针对造成锂离子 电池容量衰减的因素进行检测， 且通过 X射线衍射谱对电极材料进行晶体结构研究， 以扫描 电镜、 透射电镜对电极、 隔膜进行微观形貌分析， 并观察 SEI膜情况， 还利用质谱对电池内 残余的电解液进行成分分析。
本发明提供的第五优选技术方案中， 造成锂离子电池容量衰减的因素包括： 材料晶体结 构畸变、 活性物质溶解、 集流体腐蚀、 极板松动、 隔膜阻塞和 SEI膜状态变化。 本发明提供的第六优选技术方案中， 在所述步骤 4中， 对动力电池的梯次利用进行如下 分级：
第一级： 电池内部主要出现 SEI膜的缓慢增厚， 使电池的界面电荷交换能力下降， 但对 电池的使用频次和使用倍率影响不大；
第二级： 电池内部除 SEI膜增厚外， 还出现电极材料晶体结构畸变、 部分活性物质溶解 的现象， 使电化学反应可逆性和锂离子扩散系数下降， 对电池的使用频次和倍率有一定程度 的影响；
第三级： 电池内部出现集流体局部腐蚀， 部分活性物质松动和脱落、 隔膜一定程度的阻 塞， 使活性锂数量减少、 电池阻抗增加， 对使用频次、 倍率和 SOC限值影响较大。
本发明提供的第七优选技术方案中， 属于第一级的动力电池用于可再生能源发电的功 率平滑的场合； 属于第二级的动力电池用于电网的削峰填谷； 属于第三级的动力电池用作备 用电源。
与现有技术比， 本发明提供的一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法， 通过对梯次 利用动力电池进行分级， 将不同级别的电池应用到不同的场合， 既能保证电池的性能满足使 用场合的要求， 又要充分发挥电池的性能； 且通过内外特性分析相结合的方法， 揭示梯次利 用动力电池性能衰退的原因， 并以此为基础， 进行电池健康状态评估； 再者， 在掌握梯次利 用动力电池健康状态的基础上， 对其进行准确分级； 结合不同场合的使用条件， 为不同级别 电池找到合适的使用场合。 具体实施方式 一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法， 其特征在于， 所述分级方法包括如下步骤:
(1) .对梯次利用动力电池进行外特性分析， 判断动力电池是否可以进行梯次利用；
(2) .对于能梯次利用的电池， 根据其外特性参数进行初步分级， 然后对每一级别的电池进 行抽样内特性分析；
(3) .在内外特性分析的基础上， 建立内外特性参数之间的关联关系， 并对电池的健康状态 进行评估；
(4) .将电池健康状态评估结果与电池的使用条件相结合， 对梯次利用动力电池进行分级； 其中， 所述步骤 4中， 电池的使用条件包括电池的使用频次、 倍率、 SOC限值。 动力电池可能进行梯次利用的主要场合包括可再生能源发电功率波动的平滑、 电网的削 峰填谷和备用电源。 对于可再生能源发电功率波动的平滑， 则需要储能电池随机的进行充电 和放电， 充放电倍率大， 使用频次高，但 SOC限值范围相对较小； 对于电网削峰填谷的应用， 储能电池的使用频次相对较少且比较规律， 使用倍率也有所减小， 但是充放电时间一般较长， 并且 SOC限值范围较大； 对于备用电源的应用， 通常储能电池的使用频次、使用倍率和 SOC 限值都很小。 对梯次利用动力电池进行外特性分析， 主要包括历史特性分析、 基本特性试验分析和加 速老化试验分析。 历史特性分析， 主要分析每支电池外观变化、 内阻变化和可用容量与能量 以及能量保持能力等。 对零电压电池、 电阻过大的电池及外观严重不良 （有严重气胀现象、 电池表面有破损、 电池表面有严重腐蚀等） 的动力电池， 直接排除其梯次利用的可能性； 基 本特性历史分析， 主要是测试并记录每个电池的电压、 内阻、 容量、 能量、 效率、 温升、 电 压下降及容量保持率等参数； 加速老化试验分析主要是测试电池在加速老化条件下的性能。 对于在三项分析中有异常的电池， 排除其梯次利用的可能性； 对于三项分析都正常的电池， 可考虑对其进行梯次利用。 对于具有梯次利用可能性的电池， 首先根据其外特性参数进行初步分级， 然后对每一级 别的电池进行抽样的内特性分析。 内特性分析主要针对材料晶体结构畸变、 活性物质溶解、 集流体腐蚀、 极板松动、 隔膜阻塞、 SEI膜状态变化等造成锂离子电池容量衰减的重要因素 进行检测。通过 X射线衍射谱对电极材料进行晶体结构研究， 以扫描电镜、透射电镜对电极、 隔膜进行微观形貌分析， 并观察 SEI膜情况。 用质谱对电池内残余的电解液进行成分分析。 通过内特性分析， 掌握造成电池容量衰减的原因， 并找出电池外特性参数与内特性之间 的关联关系， 在内外特性分析的基础上， 对电池的健康状态进行评估。 依据电池健康状态评 估结果， 并结合电池未来可能的使用频次、 倍率、 SOC限值等条件， 对其进行分级： 第一级： 电池内部主要出现 SEI膜的缓慢增厚， 使电池的界面电荷交换能力下降， 但对 电池的使用频次和使用倍率影响不大，这类电池可应用于可再生能源发电的功率平滑等场合; 第二级： 除 SEI膜增厚外， 还出现电极材料晶体结构畸变、 部分活性物质溶解等现象， 使电 化学反应可逆性和锂离子扩散系数下降， 这对电池的使用频次和倍率有一定程度的影响， 但 仍可应用于削峰填谷等场合； 第三级： 出现集流体局部腐蚀， 部分活性物质松动和脱落、 隔 膜一定程度的阻塞， 使活性锂数量减少、 电池阻抗增加， 对使用频次、 倍率和 SOC限值影响 较大， 只能应用于备用电源等条件温和的场合。 需要声明的是， 本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应 用， 不应解释为对本发明保护范围的限定。 本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下， 可作各种修改、 等同替换、 或改进。 但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims

权 利 要 求
1、 一种电动汽车动力电池梯次利用的分级方法， 其特征在于， 所述分级方法包括如下步 骤：
(1) .对梯次利用动力电池进行外特性分析， 判断动力电池是否可以进行梯次利用；
(2) .对于能梯次利用的电池， 根据其外特性参数进行初步分级， 然后对每一级别的电池进 行抽样内特性分析；
(3) .在内外特性分析的基础上， 建立内外特性参数之间的关联关系， 并对电池的健康状态 进行评估；
(4) .将电池健康状态评估结果与电池的使用条件相结合， 对梯次利用动力电池进行分级； 其中， 所述步骤 4中， 电池的使用条件包括电池的使用频次、 倍率、 SOC限值。
2、 根据权利要求 1所述的分级方法， 其特征在于， 在所述步骤 1中： 对梯次利用动力电 池进行的外特性分析， 包括历史特性分析、 基本特性试验分析和加速老化试验分析。
3、 根据权利要求 2所述的分级方法， 其特征在于， 所述历史特性分析， 分析每支电池外 观变化、 内阻变化和可用容量与能量以及能量保持能力， 对零电压电池、 电阻过大的电池及 外观严重不良的动力电池， 直接排除其梯次利用的可能性； 所述基本特性历史分析， 测试并 记录每个电池的以下参数： 电压、 内阻、 容量、 能量、 效率、 温升、 电压下降及容量保持率; 加所述速老化试验分析， 测试电池在加速老化条件下的性能。
4、 根据权利要求 1所述的分级方法， 其特征在于， 在所述步骤 2中， 所述初步分级是根 据电池的基本特性历史分析中电池的容量、 内阻和容量保持率将其进行分级， 不同的容量、 内阻和容量保持率范围定为不同的级别。
5、 根据权利要求 1所述的分级方法， 其特征在于， 在所述步骤 2中， 所述内特性分析针 对造成锂离子电池容量衰减的因素进行检测， 且通过 X射线衍射谱对电极材料进行晶体结构 研究， 以扫描电镜、 透射电镜对电极、 隔膜进行微观形貌分析， 并观察 SEI膜情况， 还利用 质谱对电池内残余的电解液进行成分分析。
6、根据权利要求 5所述的分级方法，其特征在于，造成锂离子电池容量衰减的因素包括: 材料晶体结构畸变、 活性物质溶解、 集流体腐蚀、 极板松动、 隔膜阻塞和 SEI膜状态变化。
7、 根据权利要求 1所述的分级方法， 其特征在于， 在所述步骤 4中， 对动力电池的梯次 利用进行如下分级：
第一级： 电池内部主要出现 SEI膜的缓慢增厚， 使电池的界面电荷交换能力下降， 但对 电池的使用频次和使用倍率影响不大；
第二级： 电池内部除 SEI膜增厚外， 还出现电极材料晶体结构畸变、 部分活性物质溶解 的现象， 使电化学反应可逆性和锂离子扩散系数下降， 对电池的使用频次和倍率有一定程度 的影响；
第三级： 电池内部出现集流体局部腐蚀， 部分活性物质松动和脱落、 隔膜一定程度的阻 塞， 使活性锂数量减少、 电池阻抗增加， 对使用频次、 倍率和 SOC限值影响较大。
8、根据权利要求 7所述的分级方法， 其特征在于， 属于第一级的动力电池用于可再生能 源发电的功率平滑的场合； 属于第二级的动力电池用于电网的削峰填谷； 属于第三级的动力 电池用作备用电源。
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