CN112098872B - 一种动力电池快速诊断与评测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池快速诊断与评测的方法，包括如下步骤：选取动力电池，再将动力电池充电至截止电压；将动力电池和水置于容器中，抽真空，加热，保温保压，释压，再加压，保压；循环，再取出动力电池，将动力电池与充放电器连接，再置于盛装溶剂的容器中，将毛细管***容器中；对动力电池进行恒流充放电循环，记录充放电前毛细管的刻度hn和充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀；评测动力电池的性能，再将性能相近的动力电池配组。本发明通过体积测量的方式反映电池健康状况，无需使用精密的充放电仪器或内阻测试仪器监测充放电过程的容量和电流或电阻，评测的成本低。

Description

一种动力电池快速诊断与评测的方法

技术领域

本发明涉及电池回收领域，特别是涉及一种动力电池快速诊断与评测的方法。

背景技术

在新能源汽车产业的带动下，锂离子动力电池得到广泛的应用，2018年，我国新能源汽车累计产销127.05万辆和125.62万辆，同比增长59.92％和61.74％。动力电池寿命通常为500-2000循环，一般在使用5-8年后，电池容量低于80％，当不满足用户的通行需求时则需要报废处理。据预测，2020年我国动力电池报废量将达到24.8万吨，动力电池回收处理问题非常严峻。根据《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》(工信部联节〔2018〕43号)的要求，鼓励按照先梯次利用后再生利用原则，对废旧动力蓄电池开展多层次、多用途的合理利用，降低综合能耗，提高能源利用效率，提升综合利用水平与经济效益，并保障不可利用残余物的环保处置。

对动力电池进行梯次利用首先需要对退役动力电池进行诊断和评测，评测结果判定各项性能指标满足梯次利用要求的方可进行重组。传统的评测方法是对动力电池进行充放电循环，检测其容量，然后对容量相近的电池进行重组。传统评测方法仅能用单一的检测方法，分别检测容量、内阻、倍率性能等参数，分别从单一维度进行评估，不能综合考量动力电池容量、内阻、倍率性能等电池整体性能。传统评测方法仅能保证重组时电池的一致性，由于未对电池整体性能进行评估，导致在后期梯次利用使用时造成一致性快速劣化。此外，传统评测方法不能对电池寿命进行评估，电池寿命是一项不可逆测量参数，一旦测量出电池的实际寿命，电池已被循环损坏不能继续使用。有技术通过建立电池衰减模型基于当前电池容量、内阻、电动汽车的车载信息等参数进行估算，一方面电池车载信息难以取得，另一方面采用普适性的模型评估个性差异的电池存在巨大的不可靠性，传统评测方法局限性明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池快速诊断与评测的方法，该方法通过体积测量的方式反映电池健康状况，无需使用精密的充放电仪器或内阻测试仪器监测充放电过程的容量和电流或电阻，评测的成本低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种动力电池快速诊断与评测的方法，包括如下步骤：

(1)选取动力电池，再将动力电池充电至截止电压；

(2)将动力电池和水分开置于容器中，抽真空，加热，保温保压，释压，再加压，保压；

(3)循环步骤(2)，再取出动力电池，将动力电池的正负极分别与充放电器连接，再置于盛装溶剂的容器中，将毛细管***容器中；

(4)对动力电池进行恒流充放电循环，记录充放电前毛细管的刻度hn和充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀；

(5)评测动力电池的性能，再将性能相近的动力电池配组。

截止电压：截止电压是在电池充电时的上限电压，或者是放电时的下限电压。超出截止电压使用电池会对电池造成不可逆的损坏。对于锂离子电池，无论是充电还是放电，都会有截止电压，对于正极材料为镍钴锰酸锂的锂离子电池，通常充电截止电压为4.2V，放电截止电压为3.0V；对于正极材料为磷酸铁锂的锂离子电池，通常充电截止电压为3.8V，放电截止电压为2.5V。

优选地，步骤(1)中，所述选取动力电池是选取外形无碰撞凸起和无凹坑的动力电池。

优选地，步骤(2)中，所述抽真空是将容器内的压力抽至3-20kPa。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为25℃-60℃。

优选地，步骤(2)中，所述保温保压的时间为2-30min。

优选地，步骤(2)中，所述加压是将压力加至1-5MPa。

优选地，步骤(2)中，所述保压的时间为2-30min。

优选地，步骤(3)中，所述循环步骤(2)是将步骤(2)循环1-5次。

优选地，步骤(3)中，所述溶剂为无水乙醇、煤油或甘油中的一种。

优选地，步骤(3)中，所述盛装溶剂的容器中，溶剂的充装度＞95％，溶剂与电池的体积比＜3:1。

优选地，步骤(4)中，所述循环充放电中循环次数为1-5次。

优选地，步骤(4)中，所述充放电切换时静置5-15min，在最后一次的循环后静置1-2h。

优选地，步骤(4)中，所述充放电循环过程中产生气泡，则判定为异常电池。

优选地，步骤(5)中，所述评测动力电池的性能：将hn-h₀的值记为ha，hn_max-hn的值记为hb，αha+βhb的值记为hc，其中0＜α＜1，β＝1-α。

优选地，步骤(5)中，所述将性能相近的动力电池配组是按照电池个数的要求，选取不同的hc值进行动力电池组合，并使得组合后该组hc值的相对标准偏差(RSD)最小。

将hc由小到大排序，其数值越小，判定电池性能越好；另外，电池进行梯次利用时，根据hc值相近的电池进行配对重组。

α值根据侧重配对性和循环性进行确定；ha反映电池寿命，也就是循环性；hb反映容量和内阻，也就是配对性。根据电池梯次利用应用场景对配对性和循环性的不同，α值大小不同。

目前分为2种极端的情况：

1、对于要求循环性高的，但配对性不高的情况。对于电池而言，每一个电池单体在组装时刻时，一致性都比较好，但其实每个电池的寿命差异会比较大，在未来使用过程中，可能有的电池很快就达到了寿命终点，有的电池仍然好好的，也就是在后续的使用过程中劣化程度是不同的，后续使用一致性会不断地变差。

2、对于要求配对性高，但循环性不高的情况。对于电池而言，每一个电池单体在组装时刻时，一致性不是很好，但其实每个电池的寿命差异较小，在未来使用过程中，能够长时间保持这样一种差异程度，也就是在后续的使用过程中劣化程度是相近的，后续使用一致性变化不大。

上述两种情况，在实际梯次利用应用场景中都会遇到，例如：

①在梯次利用电池应用到备用电源UPS的场景下，由于备用电源并不需要长时间不断地循环，仅仅是在偶尔断电的情况下才需要工作，对于这种应用场景，需要侧重配对性，α要小一点；

②在梯次利用应用到太阳能路灯的场景下，由于电池需要每天在太阳光照射下充电，在晚上黑暗时放电照明，每天往复循环，对于这种应用场景，需要侧重寿命性，α要大一点。

优选地，步骤(3)至步骤(5)的具体步骤为：打开浸泡循环槽的电池进料口，将动力电池放入浸泡循环槽，将电池正、负极分别与浸泡循环槽的正、负极相连，关闭电池进料口，打开进液管开关，将体积为V₀的溶液加入进液口，打开进液口开关，溶液进入储液槽，关闭进液口开关，将加压泵连接加压口，缓慢打开加压口开关，使储液槽的溶液全部流动至浸泡循环槽，关闭进液管开关，读数，记录毛细管液面高度h1；对电池进行恒流充电到截止电压，然后进行恒流放电至截止电压，循环1-5次，在电池循环的过程中记录毛细管最高刻度h1_max；按上述相同的步骤，对下一个电池进行检测，记录得到h2和h2_max；同样地，再对下一个电池进行检测，记录得到h3和h3_max。在h1，h2，h3，…，hn之中选取最小值，记为h₀。

本发明还提供上述动力电池快速诊断与评测的方法在电池回收领域中的应用。

退役动力电池在退役时均有一定程度的鼓胀，利用中后段寿命动力电池已循环次数与鼓胀的程度成正比关系。通过定量测量电池鼓胀的程度反推退役动力电池已循环的次数或残余寿命。反映电池寿命的参数为ha，其中ha＝hn-h₀。ha越大，说明电池鼓包程度越严重，已循环次数越多，剩余寿命越短。

体相薄弱环节包括细微裂纹、防爆阀破损、或电极与电池外壳密封失效等情况。如果电池存在上述情况，那么电池在真空、高压循环恶劣的环境中水蒸气进入电池内部与电池的电解液发生反应，反应产生HF气体，使电芯体积发生膨胀，同时，压强贯穿电池内外部，导致电池外壳形变，形变后的电池体积为V1，正常电池的体积为V0，导致V1＞＞V0，从而可以在后续的毛细管高度变化上呈现而被读取出来。

本发明的优点：

(1)本发明通过体积测量的方式反映电池健康状况，无需使用精密的充放电仪器或内阻测试仪器监测充放电过程的容量和电流或电阻，评测的成本低。

(2)本发明通过交错真空低温沸腾的方式和高压挤压的方式对探测动力电池体相裂纹，及早发现退役动力电池的体相薄弱环节，对薄弱环节的放大，影响电池循环过程的体积变化，通过直读毛细管高度变化评估；如果电池体相存在细微裂纹、防爆阀破损、或电极与电池外壳密封失效，则电池在真空、高压循环过程中水蒸气进入电池内部与电池的电解液发生反应引发严重产气，从而暴露发现异常电池。

(3)本发明通过探测退役动力电池浸泡在溶液中进行充放电循环其过程中的体积变化，综合反映出动力电池的内阻差异和容量差异。基于不同电池具有不同的内阻，根据焦耳定律Q＝I²Rt(Q表示热量，I表示电流，R表示电阻，t表示时间)，在恒定的充放电电流下对电池进行循环，在相同的时间下，不同内阻的电池会发出不同的热量。基于不同电池具有不同的容量，在恒定的充放电电流下，不同容量的电池循环所用的时间不同，根据Q＝I²Rt，当电池内阻相同时，不同容量的电池会发出不同的热量。热量最后以加热溶液以溶液体积变化影响毛细管高度变化作为电池性能的最终体现。

(4)退役动力电池在退役时均有一定程度的鼓胀，利用中后段寿命动力电池循环次数与鼓胀的程度成正比关系。通过定量测量电池鼓胀的程度反推退役动力电池已循环的次数或残余寿命。通过加权考量动力电池残余寿命与容量内阻、容量、内阻，配对重组梯次利用电池。

具体实施方式

为了对本发明进行深入的理解，下面结合实例对本发明优选实验方案进行描述，以进一步的说明本发明的特点和优点，任何不偏离本发明主旨的变化或者改变能够为本领域的技术人员理解，本发明的保护范围由所属权利要求范围确定。

实施例1

一种动力电池快速诊断与评测的方法，包括以下具体步骤：

(1)外观判别选择外观完整的动力电池，将动力电池充电至截止电压；

(2)将动力电池和水分开置于耐压容器中，关闭进出料口和阀门，将耐压容器抽真空至3kPa，加热至25℃，使水沸腾，恒温恒压2min，释放压力后对耐压容器加压至1Mpa，恒压30min；

(3)循环1次步骤(2)，再取出动力电池，将动力电池的正负极分别与充放电器连接，将动力电池置于溶液中，被溶液完全浸没，将带刻度的毛细管***盛装溶液的容器中，将容器完全密封，仅保留毛细管与外界相连，容器外壁设有保温层；

(4)对10个动力电池在充放电截止电压范围内进行恒流充、放电循环，循环次数1次，每次充放电切换时静置5min，在最后一次的循环后静置1h，记录充放电前毛细管的刻度hn，10个动力电池的hn分别为10，11，8，9，10，9，10，10，9，12，记录充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，10个动力电池的hn_max分别为26，32，29，30，28，30，31，29，30，28，如电池在循环过程中产生气泡，则判定为异常电池，异常电池直接剔除，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀，h₀＝8；

(5)评测动力电池：hn-h₀的值记为ha，10个动力电池的ha分别为2，3，0，1，2，1，2，2，1，4；hn_max-hn的值记为hb，10个动力电池的hb分别为16，21，21，21，18，21，21，19，21，16；αha+βhb的值记为hc，其中α＝0.9，β＝0.1，将性能相近的动力电池配组：将hc由小到大排序，10个动力电池的hc分别为2.1，3，3，3，3.4，3.6，3.7，3.9，4.8，5.2；电池进行梯次利用时，根据hc值相近的电池进行配对重组。

当需要4串时，该批10个动力电池可选取hc为3，3，3，3.4的电池进行重组；当需要6串时，该批10个动力电池可选取hc为3，3，3，3.4，3.6，3.7进行重组。

上述选取该6个电池进行重组，原理是：将10个数字随机选取出来的情况下，当选择该6个数字的时候，RSD最小。(RSD为相对标准偏差)

相对标准偏差的计算公式如式(1)所示：

其中S为标准偏差(也可以表示为SD)，

相应的平均值。

在日常的检验检测工作中，检测结果是否准确并不确定，但可以通过多次测量的方法来得出一个准确的结果，所测量数据的算术平均值就能代表总体的平均水平。设：对一个样品重复测定n次，测定值分别为x₁，x₂，...，x_n，则有限次测量数据的算术平均值用

表示，计算公式如式(2)：

针对这10个数字，如选取3，3，3，3.4，3.6，3.7组合时，计算出来的RSD为9.9％；如果选取2.1，3，3，3，3.4，3.6，计算出来的RSD为17.1％；如果选取3，3，3.4，3.6，3.7，3.9，计算出来的RSD为10.8％。因此，选取RSD最小的一组电池进行重组。

针对同型号电池，hc越小越好。而对于两款不同型号的电池，所对应的两个hc没有可比性。

充放电前毛细管的刻度hn，记录充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，hn_max-hn的值记为hb。hb是电池充放电前后电池体积膨胀程度和产热程度的综合反映。

容量虽不是单一因素被反映出来，但容量是隐藏在hb中，原理为基于不同电池具有不同的容量，在恒定的充放电电流下，不同容量的电池循环所用的时间不同，根据Q＝I²Rt，对于不同的电池，由于是恒定的充放电电流，也就是I固定，Q受R、t共同影响。不同电池的容量各不相同，导致的结果是t不同。而不同的电池有不同的内阻R，因此影响Q值大小锁对应的电池参数是内阻和容量。对于锂电池而言，内阻和容量都是单独的变量，两者之间没有必然直接的关联，所以Q值能够反映出电池内阻和容量的综合影响。对于本发明，释放出的热量加热了电池周围的溶液，使溶液温度上升，体积膨胀，最终直观地从毛细管液面高度被读取出来。

实施例2

一种动力电池快速诊断与评测的方法，包括以下具体步骤：

(1)外观判别选择外观完整的动力电池，将动力电池充电至截止电压；

(2)将动力电池和水分开置于耐压容器中，关闭进出料口和阀门，将耐压容器抽真空至20kPa，加热至60℃，使水沸腾，恒温恒压30min，释放压力后对耐压容器加压至5Mpa，恒压2min；

(3)循环5次步骤(2)，再取出动力电池，将动力电池的正负极分别与充放电器连接，将动力电池置于溶液中，被溶液完全浸没，将带刻度的毛细管***盛装溶液的容器中，将容器完全密封，仅保留毛细管与外界相连，容器外壁设有保温层；

(4)对15个动力电池在充放电截止电压范围内进行恒流充、放电循环，循环次数1次，每次充放电切换时静置5min，在最后一次的循环后静置1h，记录充放电前毛细管的刻度hn，15个动力电池的hn分别为27，25，30，29，29，25，28，25，29，22，28，29，29，27，29，记录充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，15个动力电池的hn_max分别为55，53，55，49，51，56，57，50，55，56，51，49，49，51，58，如电池在循环过程中产生气泡，则判定为异常电池，异常电池直接剔除，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀，h₀＝22；

(5)评测动力电池：hn-h₀的值记为ha，10个动力电池的ha分别为5，3，8，7，7，3，6，3，7，0，6，7，7，5，7；hn_max-hn的值记为hb，15个动力电池的hb分别为28，27，25，20，22，31，29，25，26，34，23，21，20，25，29；αha+βhb的值记为hc，其中α＝0.7，β＝0.3；将性能相近的动力电池配组：将hc由小到大排序，15个动力电池的hc分别为9.4，10.2，10.6，10.7，10.9，11.0，11.0，11.0，11.3，11.4，12.0，12.8，12.8，13.0，13.5；电池进行梯次利用时，根据hc值相近的电池进行配对重组。

当需要4串时，该批15个动力电池可选取hc为10.9，11.0，11.0，11.0的电池进行重组；当需要6串时，该批15个动力电池可选取hc为10.7，10.9，11.0，11.0，11.0，11.3进行重组。

实施例3

一种动力电池快速诊断与评测的方法，包括以下具体步骤：

(1)外观判别选择外观完整的动力电池，将动力电池充电至截止电压；

(2)将动力电池和水分开置于耐压容器中，关闭进出料口和阀门，将耐压容器抽真空至10kPa，加热至40℃，使水沸腾，恒温恒压20min，释放压力后对耐压容器加压至3Mpa，恒压20min；

(3)循环5次步骤(2)，再取出动力电池，将动力电池的正负极分别与充放电器连接，将动力电池置于溶液中，被溶液完全浸没，将带刻度的毛细管***盛装溶液的容器中，将容器完全密封，仅保留毛细管与外界相连，容器外壁设有保温层；

(4)对12个动力电池在充放电截止电压范围内进行恒流充、放电循环，循环次数1次，每次充放电切换时静置5min，在最后一次的循环后静置1h，记录充放电前毛细管的刻度hn，12个动力电池的hn分别为20，18，19，15，16，18，20，22，17，16，17，19，记录充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，12个动力电池的hn_max分别为40，38，37，33，38，39，40，42，39，40，38，41，如电池在循环过程中产生气泡，则判定为异常电池，异常电池直接剔除，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀，h₀＝15；

(5)评测动力电池：hn-h₀的值记为ha，12个动力电池的ha分别为5，3，4，0，1，3，5，7，2，1，2，4；hn_max-hn的值记为hb，12个动力电池的hb分别为20，20，18，18，22，21，20，20，22，24，21，22；αha+βhb的值记为hc，其中α＝0.5，β＝0.5；将性能相近的动力电池配组：将hc由小到大排序，12个动力电池的hc分别为12.5，11.5，11，9，11.5，12，12.5，13.5，12，12.5，11.5，13；电池进行梯次利用时，根据hc值相近的电池进行配对重组。

当需要4串时，该批10个动力电池可选取hc为11.5，11.5，11.5，12的电池进行重组；当需要6串时，该批10个动力电池可选取hc为11.5，11.5，11.5，12，12，11进行重组。

对比例1(CN107505575A)

一种退役动力电池的快速评估方法，包括以下过程：

步骤1、将退役电池包放置在测试台上，首先使用充放电设备对退役电池包进行容量测定；

步骤2、再测定退役电池包剩余电量为20％时的功率和内阻；

步骤3、将退役电池包充满电，静置1周时间；

步骤4、最后测定退役电池包的自放电率。

将实施例1-2和对比例1对退役动力电池进行评测，得到如表1所示的结果：

表1

从表1可得，本发明检测一个退役电池的成本为0.1-0.4元，而对比例1的成本则需要1-3元，本发明检测一个退役电池的时间为4h，而对比例1的检测时间为1周，由此可以看出使用本发明的检测和评估方法，无需使用精密的充放电仪器或内阻测试仪器监测充放电过程的容量和电流或电阻，评测的成本低，时间快。而且本发明的检测和评估方法能兼容电池单体和模组的评测，无需使用专门的BMS连接，评价维度涵盖电池寿命。

以上对本发明提供的一种动力电池快速诊断与评测的方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种动力电池快速诊断与评测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)选取动力电池，再将动力电池充电至截止电压；

(2)将动力电池和水分开置于容器中，抽真空，加热，保温保压，释压，再加压，保压；

(3)循环步骤(2)，再取出动力电池，将动力电池的正负极分别与充放电器连接，再置于盛装溶剂的容器中，将毛细管***容器中；

(4)对动力电池进行恒流充放电循环，记录充放电前毛细管的刻度hn和充放电过程中毛细管的最高刻度hn_max，对比不同动力电池所记录的hn，选取hn的最小值，记为h₀；

(5)评测动力电池的性能，再将性能相近的动力电池配组；步骤(5)中，所述评测动力电池的性能：将hn-h₀的值记为ha，hn_max-hn的值记为hb，αha+βhb的值记为hc，其中0＜α＜1，β＝1-α；步骤(5)中，所述将性能相近的动力电池配组是按照电池个数的要求，选取不同的hc值进行动力电池组合，并使得组合后该组hc值的相对标准偏差最小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述抽真空是将容器内的压力抽至3-20kPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的温度为25℃-60℃；步骤(2)中，所述保温保压的时间为2-30min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加压是将容器内的压力加至1-5MPa；步骤(2)中，所述保压的时间为2-30min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述溶剂为无水乙醇、煤油或甘油中的一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述盛装溶剂的容器中，溶剂的充装度＞95％，溶剂与电池的体积比＜3:1。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述充放电切换时静置5-15min，在最后一次的循环后静置1-2h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述循环步骤(2)是将步骤(2)循环1-5次；步骤(4)中，所述恒流充放电循环中循环次数为1-5次。

9.权利要求1-8中任一项所述的方法在电池回收领域中的应用。