CN110988699A - 一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法及装置，诊断步骤为：对锂电池储能单元进行循环充放电，计算不同循环次数下各单体的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度，分别将同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度与锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析，并且对不同循环次数下储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差与其剩余容量进行关联性分析，筛选出与储能单元容量关联性高的表征指标，根据表征指标与容量之间的关系判断储能单元的剩余容量，完成对梯次利用锂电池储能单元的现场准确评价。

Description

一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法及装置

技术领域

本申请属于锂电池技术领域，尤其是涉及一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法及装置。

背景技术

发展新能源汽车是我国汽车工业向能源清洁化发展的重要转型方向，近年来，我国电动汽车产业进入快速发展期，2011到2018年我国电动汽车销量呈快速增长趋势，相应的，电动汽车动力电池出货量也保持高速增长的态势，2018年动力电池出货量已达到65GWh。得益于国家技术和产业扶持，磷酸铁锂电池、三元锂电池等锂电池在近年的动力电池市场中占据主流地位。

由于动力锂电池具有安全性好、循环寿命长等优点，大多数退役锂电池仍然具有较高的剩余能量及使用价值，如能找到适当的应用场合，即可实现动力锂电池的梯次利用。通过对动力锂电池不同技术性能阶段的梯次利用，可以让动力电池的性能得到充分的发挥，有效降低动力电池应用于电动汽车领域的成本，延长整个电池的使用寿命。

退役动力锂电池梯次利用，主要需解决以下两个方面的问题：一是评价退役动力锂电池能否开展梯次利用；二是退役锂电池在梯次利用中还能提供多少使用价值。考虑到退役锂动力电池的性能离散性大，无法通过类似新电池抽检方式评估所有电池的状态，必须逐一开展检查。退役动力锂电池状态的传统评估方法与新电池评估类似，主要测试电池的容量特性、能量特性、阻抗特性、倍率特性、高低温充放电性能、自放电特性和寿命特性等外特性，并对部分电池进行拆解，研究电池内部缺陷以及电池各组件的性能状况，最后结合电池内外特性的分析结果，对退役电动汽车动力电池的状态进行评估，但该全面进行内外特性评估的方式工作量大、周期长，必然带来应用成本的增加，降低梯次利用的整体经济性。所以，有必要研究梯次利用电池储能单元现场诊断技术，指导梯次利用储能电站安全稳定运行。

通常，锂电池的健康状况由模型评估得到，现有文献研究的锂电池健康状态评估模型主要有电化学模型、等效电路模型和经验模型三种，例如：文献[Gambhire P,GanesanN,Basu S,et a1.A reduced order electrochemical thermal model for lithium ioncells[J].Journal of Power Sources,20l5,290:87-101]提出了降阶电化学模型来研究电池的电化学和热学性质，并将模型简化为只含代数和普通微分方程的公式，文献[张金,魏影,韩裕生,等.一种锂离子电池容量退化经验模型[J].电源技术,2016,(6):1176-1179]给出了电池内部阻抗与容量退化的关系，提出了一种根据容量退化速率优先确定整数变量的条件三参数容量退化经验模型；文献[张凝,徐皑冬,王锴,等.基于粒子滤波算法的锂离子电池剩余寿命预测方法研究[J].高技术通讯,2017,(8):699-707]将变形后的双指数经验模型和数据驱动法相融合，提出了一种电池剩余寿命预测方法。如上所述，虽然针对电池的健康状态评估及其模型研究取得了一定的成果，但均不能对动力锂电池组的健康状态实现快速、准确的评估，因而不适宜现场检测分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有锂电池组健康状况评估模型因不能实现快速、准确的评估而不适宜现场检测分析的技术问题，从而提供一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，包括如下步骤：

对待测锂电池储能单元进行循环充放电，计算不同循环次数下锂电池储能单元中各单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度，然后分别将同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析，并且对不同循环次数下待测锂电池储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差分别与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析，筛选出与锂电池储能单元容量关联性高的表征指标，并根据所述表征指标与容量之间的关系判断待测锂电池储能单元的剩余容量。

优选地，所述与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析的同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度分别为最大充电截止电压离散度、最大放电截止电压离散度、最大100％SOC点的开路电压离散度和最大0％SOC点的开路电压离散度。

优选地，所述与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标为充电截止电压离散度或充电截止电压极差。

优选地，所述关联性分析为线性关联系数分析，所述关联性高为线性相关系数高。

优选地，所述锂电池为磷酸铁锂电池或三元铁锂电池。

优选地，所述循环充放电方法为：将待测锂电池储能单元的残余电量放完，对放完电量的锂电池储能单元先恒流充电至上限电压，再恒压充电至电流降至低于下限电流，静置，之后采用恒流放电方式放电至下限电压时停止放电。

优选地，所述上限电压为3.6-4.2V，所述下限电压为2.8-3.0V。

优选地，恒流充电的电流为0.2～0.4C，下限电流为0.05C，恒流放电的电流为0.4～0.6C。

优选地，待测锂电池储能单元的残余电量放完后需静置10-20分钟，充电之后静置的时间为20-40分钟。

本申请还提供了一种梯次利用锂电池储能单元的诊断装置，包括：

离散度及截止电压极差获取单元，用于获取在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元中单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度及在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差；

锂电池储能单元容量表征指标获取单元，通过同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度、充电截止电压极差、放电截止电压极差与待测锂电池储能单元剩余容量的关联性分析，获取与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标；

电池组剩余容量获取单元，用于根据与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标与容量之间的关系来判定待测锂电池储能单元的剩余容量。

本发明的有益效果是：

本发明梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法主要通过计算不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元中各单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度，并将同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度，并且对不同充放电循环次数下的充电截止电压极差、放电截止电压极差与容量进行关联性分析，筛选出用于准确评价锂电池储能单元容量的表征指标，从而根据该表征指标给出现场梯次利用储能电池组能否继续正常运行的准确结论，该表征指标获取快速，通过该表征指标数据可以完成对梯次利用锂电池储能单元健康状态的无损诊断和现场评价。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的8个单体电池在第一次充放电循环过程的充电电压随时间的变化曲线；

图2为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的8个单体电池在第一次充放电循环过程的放电电压随时间变化的曲线；

图3为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的8个单体电池在第一次充放电循环中的0％SOC点的开路电压；

图4为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的8个单体电池在在第一次充放电循环中的100％SOC点的开路电压；

图5为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的最大充电截止电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图6为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的最大放电截止电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图7为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的最大0％SOC点的开路电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图8为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的充电截止电压极差与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图9为梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)的放电截止电压极差与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图10为梯次利用三元铁锂电池储能单元(2#电池组)的最大充电截止电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图11为梯次利用三元铁锂电池储能单元(2#电池组)的最大放电截止电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图12为梯次利用三元锂电池储能单元(2#电池组)的最大0％SOC点的开路电压离散度与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图13为梯次利用三元锂电池储能单元(2#电池组)的充电截止电压极差与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析；

图14为梯次利用三元锂电池储能单元(2#电池组)的放电截止电压极差与其相应循环次数的储能单元容量的相关性分析。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种梯次利用磷酸铁锂电池储能单元的状态诊断方法，包括如下步骤：

(1)对含有8个串联单体电池的梯次利用磷酸铁锂电池储能单元(1#电池组)进行循环充放电，该组电池分别编号为1～8号，充放电的方法为：在室温下(20±5℃)，将电池残余电量放完，静置15分钟，以0.3C进行恒流充电至3.65V转为恒压充电，直至充电电流降至0.05C，静置30分钟后，以0.5C恒流放电至电压降到2.8V；

从图1可以看出，在第一次充放电循环中，8号单体电池最先达到充电截止电压压，且8号单体电池的充电截止电压最大，为3.65V，而8个单体电池的平均充电截止电压为3.49V，1号单体电池的充电截止电压最小，为3.449V，则该次循环中，8号单体电池的充电截止电压离散度为(3.65-3.49)/3.49＝4.5％，8号单体电池的充电截止电压离散度最大，该次循环的充电截止电压极差为3.65V-3.449V＝0.201V，实际上在之后的每次充放电循环中，8号单体电池的充电截止电压及充电截止电压离散度始终最大，由此可以计算出8号单体电池在每次充放电循环中的充电截止电压离散度，并可以计算出每次充放电循环中的充电截止电压极差；；

从图2可以看出，在第一次充放电循环中，8号单体电池最先达到放电截止电压，且8号单体电池的放电截止电压最小，为2.493V，而8个单体电池的平均放电截止电压为3V，1号单体电池的放电截止电压最大，为3.147V，则该次循环中，8号单体电池的放电截止电压离散度为(3-2.493)/3＝0.169，8号单体电池的放电截止电压离散度最大，该次循环的充电截止电压极差为3.147V-2.493V＝0.654V，实际上在之后的每次充放电循环中，8号单体电池的放电截止电压始终最小，且放电截止电压离散度始终最大，由此可以计算出8号单体电池在每次充放电循环中的放电截止电压离散度，并可以计算出每次充放电循环中的放电截止电压极差；

图3和图4为8个串联单体电池在100％SOC点和0％SOC点的开路电压值，通过每次充放电循环中8个单体电池的0％SOC点开路电压及8个串联单体电池0％SOC点开路电压的平均值，可以分别计算出每次充放电循环中每个单体电池在0％SOC点开路电压的离散度，而通过每次充放电循环的8个单体电池在100％SOC点开路电压值及8个串联单体电池100％SOC点开路电压的平均值，可以分别计算出每次充放电循环中每个单体电池在100％SOC点开路电压的离散度；所述离散度的计算方法为单体电池在0％SOC点或100％SOC点开路电压值与所有单体电池在0％SOC点或100％SOC点开路电压的平均值之差，除以所有单体电池在0％SOC点或100％SOC点开路电压的平均值。

图5-图7分别为1#串联电池组的充电截止电压、放电截止电压、0％SOC点开路电压在不同充放电循环次数下，离散度最大的单体电池(8号电池)的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、0％SOC点开路电压离散度与容量进行关联性分析的结果图，图8和图9分别为不同充放电循环次数下的充电截止电压极差和放电截止电压极差与容量进行关联性分析的结果图，从图5-图9的分析结果中可以看出，最大充电截止电压离散度和充电截止电压极差与电池组容量的线性相关性较强，线性关联系数R²分别为0.9868和0.9996，因此，可以用最大充电截止电压离散度和充电截止电压极差与电池组容量之间的关系判断待测锂电池储能单元的剩余容量。

备注：由于对于100％SOC点开路电压的离散度，在不同循环次数下并不都是同一单体电池离散度比较大，因此分析与容量关联性时没有考虑此因素。

实施例2

本实施例提供一种梯次利用三元锂电池储能单元的状态诊断方法，包括如下步骤：

(1)对含有8个串联单体电池的梯次利用三元锂电池储能单元(2#电池组)进行循环充放电，充放电的方法为：在室温下(20±5℃)，将电池残余电量放完，静置15分钟，以0.3C进行恒流充电至4.2V转为恒压充电，直至充电电流降至0.05C，静置30分钟后，以0.5C恒流放电至电压降到3.0V；

图10-图12分别为2#串联电池组的充电截止电压、放电截止电压、0％SOC点开路电压在不同充放电循环次数下，离散度最大的单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、0％SOC点开路电压离散度与容量进行关联性分析的结果图，图13和图14分别为不同充放电循环次数下的充电截止电压极差和放电截止电压极差与容量进行关联性分析的结果图，从图10-图14的分析结果中可以看出，最大充电截止电压离散度和充电截止电压极差与电池组容量的线性相关性较强，线性关联系数R²分别为0.9978和0.9992，因此，可以用最大充电截止电压离散度和充电截止电压极差与电池组容量之间的关系判断待测锂电池储能单元的剩余容量。

备注：由于对于100％SOC点开路电压的离散度，在不同循环次数下并不都是同一单体电池离散度比较大，因此分析与容量关联性时没有考虑此因素。

实施例3

本实施例提供一种梯次利用锂电池储能单元的诊断装置，包括：

离散度及截止电压极差获取单元，用于获取在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元中单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度及在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差；

锂电池储能单元容量表征指标获取单元，通过同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度、充电截止电压极差、放电截止电压极差与待测锂电池储能单元剩余容量的关联性分析，获取与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标；

电池组剩余容量获取单元，用于根据与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标与容量之间的关系来判定该待测锂电池储能单元的剩余容量。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

对待测锂电池储能单元进行循环充放电，计算不同循环次数下锂电池储能单元中各单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度，然后分别将同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析，并且对不同循环次数下待测锂电池储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差分别与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析，筛选出与锂电池储能单元容量关联性高的表征指标，并根据所述表征指标与容量之间的关系判断待测锂电池储能单元的剩余容量。

2.根据权利要求1所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，所述与相应循环次数下待测锂电池储能单元的剩余容量进行关联性分析的同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度分别为最大充电截止电压离散度、最大放电截止电压离散度、最大100％SOC点的开路电压离散度和最大0％SOC点的开路电压离散度。

3.根据权利要求1或2所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标为最大充电截止电压离散度或充电截止电压极差。

4.根据权利要求1或2所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，所述关联性分析为线性关联系数分析，所述关联性高为线性相关系数高。

5.根据权利要求1或2所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，所述锂电池为磷酸铁锂电池或三元铁锂电池。

6.根据权利要求1或2所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，所述循环充放电方法为：将待测锂电池储能单元的残余电量放完，对放完电量的锂电池储能单元先恒流充电至上限电压，再恒压充电至电流降至低于下限电流，静置，之后采用恒流放电方式放电至下限电压时停止放电。

7.根据权利要求6所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，所述上限电压为3.6-4.2V，所述下限电压为2.8-3.0V。

8.根据权利要求6所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，恒流充电的电流为0.2～0.4C，下限电流为0.05C，恒流放电的电流为0.4～0.6C。

9.根据权利要求6所述的梯次利用锂电池储能单元的状态诊断方法，其特征在于，待测锂电池储能单元的残余电量放完后需静置10-20分钟，充电之后静置的时间为20-40分钟。

10.一种梯次利用锂电池储能单元的诊断装置，其特征在于，包括：

离散度及截止电压极差获取单元，用于获取在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元中单体电池的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度及在不同充放电循环次数下待测锂电池储能单元的充电截止电压极差、放电截止电压极差；

锂电池储能单元容量表征指标获取单元，通过同一单体电池在不同循环次数下的充电截止电压离散度、放电截止电压离散度、100％SOC点的开路电压离散度和0％SOC点的开路电压离散度、充电截止电压极差、放电截止电压极差与待测锂电池储能单元剩余容量的关联性分析，获取与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标；

电池组剩余容量获取单元，用于根据与待测锂电池储能单元容量关联性高的表征指标与容量之间的关系来判定待测锂电池储能单元的剩余容量。

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