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CN102437385B - 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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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 (7)

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；
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，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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