容量增量内阻一致性在线检测方法

研究背景

     随着人们对生活环境的重视，更多的清洁新能源逐渐替代传统石油等能源，新能源动力汽车市场保有量与日俱增。当电动汽车的电池容量衰退到80%以下时，动力电池将被淘汰，这也就意味着动力电池市场将迎来一次大规模退役浪潮，预计到2029年，全球新能源汽车每年将约有108 GW·h动力电池退役。若直接淘汰锂离子动力电池将造成资源的浪费，目前的一种处理方式是将退役电池投入到一些小倍率充放电的储能工况中实现梯级利用，有效降低锂电池成本。梯级利用过程中的重难点是锂离子电池的安全性能评估与管理。另外新电池在出厂前经过一致性筛选，但在使用过程中，如车主驾驶习惯、充电方法、自放电差异等多重因素会造成使用过程中的不一致，呈现出初始容量的80%到50%的波动，缺乏在役电池的一致性检测。不一致性具有不可逆性和渐涨性，电池组单体内阻的不一致会造成某些单体长时间的过充过放，易诱发析锂现象，加大内短路、热失控等安全隐。而且影响电池组电荷状态SOC、健康状态SOH等的正确估算以及加速电池组的容量衰减和降低寿命。 

     国内外对电池健康状态的评估还主要集中在电压方面，现阶段研究锂电池梯次回收利用一致性检测和诊断方法不仅较少，而且检测耗时较长，能耗大，不具有工程应用的意义。目前国内外对汽车动力电池的检测及诊断还处于较新的阶段，对于电动汽车后市场服务, 包括电动汽车在役电池的快速检测和退役电池的梯次利用等还处于起步阶段。有效的一致性检测方法，应该以简便、快捷、高通量为特征。

创新点及解决的问题

     本文利用充电过程中的容量增量，提出一种电池包单体层面的内阻一致性在线检测方法，并在《动力电池与充放电检测系统的设计与实现》文章中提到的动力电池充放电检测系统进行应用，采用低成本的充放电设备，高效率、准确地比较出单体内阻差异，为使用过程中的锂电池内阻一致性安全检测、全生命周期的一致性演变特点研究等给出一定方法指导。

重点内容导读

1 常见的内阻检测方法

2 基于容量增量的内阻一致性在线检测

2.1  不同老化程度分析

图1  不同老化程度的IC曲线

Fig. 1  IC curves for different degrees of aging

     为了量化锂电池不同老化程度下的差异，基于上述内容本文提出一种表达内阻差的方法，如下公式：

     V1表示电池老化程度1下IC曲线峰位置所对应的电压，V2表示老化程度2下IC曲线峰位置所对应的电压，I表示电池在老化程度1、老化程度2下的同一检测电流。

2.2  内阻一致性在线检测方法

     对于一个电池包的内阻一致性检测可分为3个大步骤：数据准备、数据处理及分析、数据结果分析。具体内容如下：

1) 数据准备

2) 数据处理及分析

图2  数据处理流程图

Fig. 2  data processing flow chart

     Vt表示单体i在当前老化程度下IC曲线峰位置所对应的电压。针对一个电池包：Vt最小值对应的单体为基准单体，用V0表示，利用公式：

得到各单体与基准单体的内阻差。至此完成检测数据的处理。

3) 数据结果分析

     箱型图是一种用作显示一组数据分散情况资料的统计图。本文中对检测步骤2中得到的内阻差结果可使用箱型图表示内阻一致性分布情况，进行异常检测。

3 检测方法的应用与实验分析

3.1  检测方法在检测系统的应用

3.2  实验数据及结果分析

图3  95个单体容量增量峰位置所在的电压

Fig. 3  Voltage corresponding to increment capacity peak position for the 95 cells

图4  基于IC的归一化内阻差箱型图

Fig. 4  Box-plot of IC-based normalized internal resistance difference

4 验证与对比

     为了进一步探索基于IC曲线的内阻一致性检测的准确性，参考HPPC检测方法，使用美国ARBIN公司生产的EVTS动力电池检测系统对上述电池包进行检测。

图5  两种检测方法的归一化内阻差分布情况

Fig. 5  Normalized internal resistance distribution of two test methods

图6  两种检测方法的归一化内阻差箱型图

Fig. 6  Box-plot of normalized internal resistance difference for the two test methods

      电池的放电内阻值与SOC之间呈现U型，中间段内阻值较稳定。基于IC曲线计算的内阻差值能够表征充电平台SOC=30%~80%范围内的内阻一致性，避免了传统在特定SOC下进行检测的复杂性。同时，这种基于IC曲线的内阻计算方法充分地考虑了整包电池的各个单体老化的内部差异性，在电池内部活性材料相变状态相同的条件下进行内阻一致性检测，更加精确地计算单体之间的内阻差异性，避免了整个电池包内单体不同SOC对内阻的影响。因此，基于IC曲线计算的内阻值能够应用于电池包单体层面的一致性检测。

结论

     本文针对动力电池的一致性安全问题，介绍了一种适用电池包单体层面的一致性检测方法，并在电池检测系统中实现了良好的应用。与常规的内阻检测方法相比，两者检测结果基本一致，检测成本低，简单易操作，方法和系统都适用于商用电池的大规模内阻一致性检测。在线检测方法还存在以下优点：避免了常规电池包在特定SOC下进行检测的复杂性，充分考虑了单体老化之间的差异性，提高了一致性检测精度。检测条件不影响工程正常运行、不消耗时间和能量成本，对电池组寿命也不产生损害。

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