CN105738830B - 锂离子动力电池梯次利用分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子动力电池梯次利用分析方法，综合考虑了温度、工况的对锂离子动力电池筛选的影响，基于某一温度条件下对锂离子动力电池的进行放电评测并快速推测特定条件下的实际可用容量以及内阻等，并根据实际可用容量以及内阻等参数对锂离子动力电池进行合理的梯次筛选，以保证二次利用的锂离子电池组的一致性，使得废旧动力电池的资源利用可以实现最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种对废旧锂离子动力电池进行梯次筛选以便进行重复利用的分析方法。
背景技术
随着电动汽车的逐步产业化，电动汽车动力锂离子电池的产量将大幅提高，随之而来的问题是，废旧动力锂离子电池该如何回收和处理。电动汽车用动力锂离子电池中含有铅、镍、钴、锂等金属材料和电解液，一旦废弃蓄电池不能得到有效的回收处理，不仅造成资源的浪费，对环境的污染也尤为严重。
通过梯次利用，不仅可以让动力蓄电池性能得到充分的发挥，有利于节能减排，还可以缓解大量动力蓄电池进入回收阶段给回收工作带来的压力。但是现阶段对于废旧动力电池的筛选， 仍没有明确的定义和方法。如何将这些还具有大部分容量的电池合理的再次使用是一个非常有价值和意义的研究。所以要将电池进行梯次利用，首先要对车用淘汰锂离子动力电池的特性进行研究。然而现有技术中存在如下技术问题 ：从电动车上淘汰下来的动力电池，健康状态并不一致，必须进行严格筛选，剔除出已经与大部分电池不一致的少部分问题电池，只有通过合理的筛选，二次利用才能充分发挥其价值。
发明内容
本发明的目的就是提供对锂离子动力电池梯次利用的筛选分组提供一种行之有效的方法， 该方法合理估算了单体电池的有效容量，并依据此将它们重新组合成新的动力电池组以应用于不同的场合。 不仅可以充分利用动力电池的余能；而且对废弃动力电池进行了回收利用，实现了节能环保。
本发明是这样来实现上述目的的：
锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于包括以下步骤：
a.对待分析的锂离子动力电池进行预筛选；
b.经预筛选的锂离子动力电池根据用户提供的使用工作条件，包括工作温度T工作及放电工作电流I工作，确定相应的放电评测条件，包括放电评测温度T评测以及固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行放电评测获得平衡电势曲线及等效内阻曲线；
c.利用公式EMFSoC=I工作*rSoC+UL （一），
其中，I工作是放电工作电流，UL是放电截止电压，SoC是锂离子动力电池荷电状态，EMFSoC是一SoC值所对应的平衡电势，rSoC是一SoC值所对应的等效内阻；分别取不同的SoC值根据平衡电势曲线及等效内阻曲线获得相应的EMFSoC和rSoC，并将EMFSoC和rSoC代入公式（一）中；
d.直至公式（一）得到满足，并记录此时的SoC值为SoC工作，代入公式
η=100%-SoC工作 （二），
其中，η是容量系数，再将容量系数代入公式
Q=Q’*η （三），
其中，Q是锂离子动力电池实际可用容量，Q’是锂离子动力电池原始容量；按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选。
其中，步骤b中的放电评测包括以下步骤：
b1. 在固定评测温度T评测下对锂离子动力电池进行充电直至完全充满；
b2.以固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行恒流放电，并持续设定的放电时间；若放电时间内锂离子动力电池的电压低于放电截止电压，则进入步骤b4，否则进入步骤b3；
b3.保持锂离子电池在搁置状态，持续一段时间，然后返回步骤b2；
b4.利用涓流对锂离子电池放电直至完全放空；
b5.保持锂离子电池在搁置状态，持续一段时间，测试结束；
测试过程中记录每一时刻的电压与电流数据。对每一工作段b2，取放电结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的放电电压USoC，对每一搁置段b3，取静置结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的平衡电势EMFSoC，代入以下公式
rSoC=（EMFSoC-USoC）/I评测 （四），
计算获得该SoC水平下的等效内阻rSoC，将不同SoC下的等效内阻利用拟合或插值的方式获得等效内阻曲线。
其中，所述工作温度T工作与放电评测温度T评测相同。
当工作温度T工作与放电评测温度T评测不同时，EMFSoC与rSoC根据以下公式进行转换，
EMF’SoC=EMFSoC*β温度 （五），
r’SoC=rSoC*α温度 （六），
其中β温度及α温度分别为EMFSoC和rSoC的温度系数，将公式（一）中的EMFSoC替换为EMF’SoC，rSoC替换为r’SoC。
其中，按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选后，再按照以下公式计算使用工作条件下的劣化程度，利用劣化程度对锂离子动力电池进行二次梯次筛选，
SOH（r’ SoC）=（r’ SoC -rnew）/（rold- rnew） （七），
其中，r’ SoC是锂离子动力电池在工作条件下的实际内阻，rnew是锂离子动力电池的额定放电内阻，rold是预设的锂离子动力电池寿命终结时的放电内阻。
本发明的有益效果是：现有技术采用单次测量的锂离子动力电池容量与内阻值进行分级配组，并不能保证在特定工况下的一致性，如在20度下的某批电池，测得容量与内阻在适用范围内，但将其置于0度环境下则可能超出可接受范围，为此本方法综合考虑了温度、工况的对锂离子动力电池筛选的影响，基于某一温度条件下对锂离子动力电池的进行放电评测并快速推测特定条件下的实际可用容量以及内阻等，并根据实际可用容量以及内阻等参数对锂离子动力电池进行合理的梯次筛选，以保证二次利用的锂离子电池组的一致性，使得废旧动力电池的资源利用可以实现最大化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是放电评测获得的平衡电势曲线图；
图2是放电评测获得的等效内阻曲线图；
图3是放电评测中对锂离子动力电池进行放电内阻评估测试的实验数据图。
具体实施方式
锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于包括以下步骤：
a.对待分析的锂离子动力电池进行预筛选。
第一是拆解，对回收得到的废弃动力电池组进行放电后，然后无损拆解，获得电池单体 ；用螺丝刀将电池组上的螺丝拆卸下来，逐一移除非电池单体的部件，对无法使用螺丝刀拆解的位置使用刀具切割，从电池组拆解成电池模块，再从电池模块拆解成电池单体，最后得到若干个电池单体。对同种规格、同种型号的动力电池按组分开。
第二是外观筛选，将电动汽车上退役下来的电池组进行拆分之后，对同种规格、同种型号的动力电池即待分析的动力电池进行外观评估以获得有梯次利用价值的动力电池。判断动力电池的外观是否完好的标准是，判断其表面是否平整干燥，有无破损，有无变形，有无污渍，有无鼓包胀气现象，外观识别需在良好的光线条件下进行，筛选出认为有梯次利用价值的动力电池，而无梯次利用价值的电池直接进入回收流程。
第三是自放电检测，动力电池在使用过程中， 安全隐患很大程度是来自电池的内部短路， 对于经过长期使用的动力电池，其安全隐患明显增加。电池自放电是一个能很好反映电池内阻短路问题的参数，通过测试电池的自放电参数，能在很大程度上排除内部短路的电池。测试流程为：将电池以 1/3C 电流充满，在室温（25℃）下搁置 7 天，再测试电池的电压，计算电池的自放电率。将自放电率作为电池筛选过程中最先考虑的参数，剔除自放电率较高的电池。
b.经预筛选的锂离子动力电池根据用户提供的使用工作条件，包括工作温度T工作及放电工作电流I工作，确定相应的放电评测条件，包括放电评测温度T评测以及固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行放电评测获得平衡电势曲线（参照图1）及等效内阻曲线（参照图2）。其中，为了精确获得放电评测数据，工作温度T工作与放电评测温度T评测相同。但是考虑到锂离子动力电池的工作条件，尤其是工作温度会随外部环境的变化而产生相应的变化，工作温度T工作并非一个恒定值，因此即使约定工作温度T工作等于放电评测温度T评测进行放电评测，也不能完全反映锂离子动力电池在其他工作温度的情况。但是发明人研究表明，放电评测数据与温度呈线性关系，也就是当工作温度T工作与放电评测温度T评测不同时，EMFSoC与rSoC满足以下公式，
EMF’SoC=EMFSoC*β温度 （五），
r’SoC=rSoC*α温度 （六），
其中β温度及α温度分别为EMFSoC和rSoC的温度系数，将公式（一）中的EMFSoC替换为EMF’SoC，rSoC替换为r’SoC。因此只需要在放电评测温度T评测下进行放电评测，即可获得其他工作温度时的EMF’SoC以及r’SoC，并据此判断锂离子动力电池能够满足特定场景的使用需要。
下面详细描述放电评测的工作步骤：
b1. 在固定评测温度T评测下对锂离子动力电池进行充电直至完全充满；
b2.以固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行恒流放电，并持续设定的放电时间300秒；若放电时间300秒内锂离子动力电池的电压低于放电截止电压2.2V，则进入步骤b4，否则进入步骤b3；
b3.保持锂离子电池在搁置状态，持续10分钟，然后返回b2；
b4.利用0.01C涓流对锂离子动力电池放电直至完全放空；
b5.保持锂离子电池在搁置状态，持续一段时间，测试结束；
测试过程中记录每一时刻的电压与电流数据。对每一工作段b2，取放电结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的放电电压USoC，对每一搁置段b3，取静置结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的平衡电势EMFSoC，代入公式rSoC=（EMFSoC-USoC）/I评测 （四），
计算获得该SoC水平下的等效内阻rSoC，将不同SoC下的等效内阻利用拟合或插值的方式获得等效内阻曲线。
下面以具体的实施例对放电评测进行详细的说明。
1.对锂离子动力电池进行充电。以0.5C的恒定电流、3.7V的恒定电压对电池充电，充电的截止电流为0.033C。该步骤目的是尽量将电池电量完全充满，国家行业标准QC/T743规定，当充电电流小于0.033C就认为电池已被充满。充电完成后将电池搁置10分钟，因为电池在充电过程中，内部必然会产生一定量的热量，为保证电池内部能完全跟环境温度一致，有必要搁置一段时间。
2.以0.5C电流对电池放电5分钟，同时控制放电截止电压为2.2V。此时电池的电压迅速下降，放电结束时检测电池的电压，该电压值为超电势USoC。
3.然后将电池搁置10分钟，此时电压会缓慢上升直至稳定，并记录搁置完成后的电压值为平衡电势EMFSoC。
4.重复步骤2、3三十次，每次记录的数据为电池每个SoC所对应的USoC及EMFSoC。
5.考虑到电池的放电末期等效电阻偏大，放电倍率过大时很难将电池放干，因此需要改用小电流放电，以0.01C电流对电池放电至截止电压2.2V。
6.搁置10分钟。
7.重复步骤5、6十次。
8.放电评测结束。
图3是根据以上设计的放电评测步骤对某个20Ah的磷酸铁锂动力电池进行放电内阻评估测试的实验数据。从图中可见，电池电压在测试开始时为3.5V左右，进入步骤1后以0.5C的恒定电流、3.7V的恒定电压对电池进行充电，电池电压迅速上升，直至3.7V并且充电电流达到0.033C，此步骤是为了将电池电量充满。步骤1搁置后，在步骤2中以0.5C电流对电池放电5分钟，电池电压迅速下降。步骤3搁置中，电池由于超电势特性，电压会缓慢上升，直至稳定。而步骤2结束时的电压与步骤3结束时的电压之差就是由于等效放电内阻引起的超电势的具体数值，利用公式（四），用这个数值除以放电电流，就可以计算出等效放电内阻。重复2、3步骤，电池放出的电量会逐渐增加，电池电压也逐渐下降，同时就可以得到多个SoC下对应的等效放电内阻。又因为理论上以0.5C放电，电池从完全充满状态到放干状态，需要120分钟的时间，而步骤2每次只放5分钟，所以至少需要进行24次（120/5=24），为了保证电池能以0.5C电流尽量放干，把这个重复的次数从24次增加至30次。步骤5到7以0.033C小电流对电池进行重复放电，因为放电末期等效内阻偏大，放电倍率过大时很难将电池放干，所以为了能尽量保证将电池放空，改用小电流放电。至此，可以得到电池不同SoC所对应的等效放电内阻。
c.将步骤b中测试获得的平衡电势曲线及等效内阻曲线，利用公式
EMFSoC=I工作*rSoC+UL （一），
其中，I工作是放电工作电流，UL是放电截止电压，SoC是锂离子动力电池荷电状态，EMFSoC是一SoC值所对应的平衡电势，rSoC是一SoC值所对应的等效内阻；分别取不同的SoC值根据平衡电势曲线及等效内阻曲线获得相应的EMFSoC和rSoC，并将EMFSoC和rSoC代入公式（一）中。
d.一般来说是按照SoC由右至左的方式进行代入计算，总有唯一的SoC值所对应的EMFSoC和rSoC能够满足公式（一），并记录此时的SoC值为SoC工作，代入公式
η=100%-SoC工作 （二），
其中，η是容量系数，再将容量系数代入公式
Q=Q’*η （三），
其中，Q是锂离子动力电池实际可用容量，Q’是锂离子动力电池原始容量；按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选。
为了进一步提高配组使用的锂离子动力电池的一致性，按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选后，再按照以下公式计算使用工作条件下的劣化程度，利用劣化程度对锂离子动力电池进行二次梯次筛选，
SOH（r’ SoC）=（r’ SoC -rnew）/（rold-rnew） （七），
其中，r’ SoC是锂离子动力电池在工作条件下的实际内阻，rnew是锂离子动力电池的额定放电内阻，rold是预设的锂离子动力电池寿命终结时的放电内阻。
下面按照上述梯次筛选的方法给出实际应用实例。
案例1：假设某客户要将某批车载退役锂离子动力电池应用于机房的储能电柜中，提出的工况要求是在30℃的工作温度和30A的工作电流下，能放出85Ah的容量。
具体配组实施步骤如下：
（1）首先对车载电池进行拆分和预筛选；
（2）对这批单体电池做放电评测，评测的具体工步参考工步b、c、d，其中评测温度T评测为20℃，I评测为0.5C，得到相应的等效内阻谱曲线和平衡电势曲线；
（3）将客户提出的工作温度30℃和工作电流30A代入公式（一）中，求出每个单体电池满足条件的SoC值，继而求出每个单体电池所对应的实际容量Q值；
（4）对于Q值小于客户要求的容量85Ah的单体电池，留待用于其他低倍率或者低容量要求的电池利用场合；对于有效容量高于85 Ah的单体电池，以5Ah为梯级对电池进行分组和装配，比如将Q值在85~90Ah之间的电池成组，以此类推。
案例2：客户所提出的电池应用环境和功率需求本身就带有梯次要求，比如某客户要将车载退役电池应用于多场合中。其提出的工况要求是在30℃的工作温度和30A的工作电流下，能放出90Ah的容量；在30℃和20A的工况下能放出85Ah的容量；在20℃和20A的工况下能放出83Ah的容量……。
那么在具体配组过程中，步骤（1）~（2）同上；
（3）将客户提出的各种工况条件下的温度和电流代入公式（一）中，求出每个单体电池在不同的工况中的实际容量Qi值，（i=1，2，3……）；
（4）若某一电池的有效容量Qi值不满足任何的梯级工况要求，则将其剔除；
（5）若某一电池的有效容量Qi值满足多梯级工况要求，则将其列为这些工况下的候补电池；
（6）若某一电池的有效容量Qi值仅满足其中某一工况要求，则将其归档为该工况下的梯次利用电池；
（7）按照客户所提出的梯次要求对电池进行分组，对于某工况下电池组电池个数不足的情况，可补充该工况条件所对应的候选单体电池完成配组。
综上，根据所提出的电池测试配组筛选方案，可以对筛选出的额电池进行配组以实现梯次利用，使得废旧动力电池的资源利用可以实现最大化。
Claims (5)
1.锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于包括以下步骤：
a.对待分析的锂离子动力电池进行预筛选；
b.经预筛选的锂离子动力电池根据用户提供的使用工作条件，包括工作温度T工作及放电工作电流I工作，确定相应的放电评测条件，包括放电评测温度T评测以及固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行放电评测获得平衡电势曲线及等效内阻曲线；
c.利用公式EMFSoC=I工作*rSoC+UL （一），
其中，I工作是放电工作电流，UL是放电截止电压，SoC是锂离子动力电池荷电状态，EMFSoC是一SoC值所对应的平衡电势，rSoC是一SoC值所对应的等效内阻；
分别取不同的SoC值根据平衡电势曲线及等效内阻曲线获得相应的EMFSoC和rSoC，并将EMFSoC和rSoC代入公式（一）中；
d.直至公式（一）得到满足，并记录此时的SoC值为SoC工作，代入公式
η=100%-SoC工作 （二），
其中，η是容量系数，再将容量系数代入公式
Q=Q’*η （三），
其中，Q是锂离子动力电池实际可用容量，Q’是锂离子动力电池原始容量；按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于：步骤b中的放电评测包括以下步骤：
b1. 在固定评测温度T评测下对锂离子动力电池进行充电直至完全充满；
b2.以固定的放电倍率I评测对锂离子动力电池进行恒流放电，并持续设定的放电时间；若放电时间内锂离子动力电池的电压低于放电截止电压，则进入步骤b4，否则进入步骤b3；
b3.保持锂离子电池在搁置状态，持续一段时间，然后返回步骤b2；
b4.利用涓流对锂离子电池放电直至完全放空；
b5.保持锂离子电池在搁置状态，持续一段时间，测试结束；
测试过程中记录每一时刻的电压与电流数据，对每一工作段b2，取放电结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的放电电压USoC，对每一搁置段b3，取静置结束前最后一刻对应电压为该SoC水平下的平衡电势EMFSoC，代入以下公式
rSoC=（EMFSoC-USoC）/I评测 （四），
计算获得该SoC水平下的等效内阻rSoC，将不同SoC下的等效内阻利用拟合或插值的方式获得等效内阻曲线。
3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于：所述工作温度T工作与放电评测温度T评测相同。
4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于：当工作温度T工作与放电评测温度T评测不同时，EMFSoC与rSoC根据以下公式进行转换，
EMF’SoC=EMFSoC*β温度 （五），
r’SoC=rSoC*α温度 （六），
其中β温度及α温度分别为EMFSoC和rSoC的温度系数，将公式（一）中的EMFSoC替换为EMF’SoC，rSoC替换为r’SoC。
5.根据权利要求4所述的锂离子动力电池梯次利用分析方法，其特征在于：按照锂离子动力电池实际可用容量Q对锂离子动力电池进行梯次筛选后，再按照以下公式计算使用工作条件下的劣化程度，利用劣化程度对锂离子动力电池进行二次梯次筛选，
SOH（r’ SoC）=（r’ SoC -rnew）/（rold- rnew） （七），
其中，r’ SoC是锂离子动力电池在工作条件下的实际内阻，rnew是锂离子动力电池的额定放电内阻，rold是预设的锂离子动力电池寿命终结时的放电内阻。
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