動力電池梯次利用技術(shù) 課件 4.3動力蓄電池的SOH評估與余電釋放

動力電池梯次利用技術(shù)項目四動力蓄電池的拆解任務(wù)三動力蓄電池的SOH評估與余電釋放學(xué)習(xí)目標(biāo)一、知識目標(biāo)1.了解動力電池的SOC與SOH的概念。2.掌握SOC與SOH的檢測方法。3.掌握動力電池余電釋放的方法。二、技能目標(biāo)1.能正確描述動力電池的SOC與SOH的概念。2.能熟練的對動力電池進(jìn)行SOC與SOH的檢測。3.能完成動力電池余電釋放的過程。三、素養(yǎng)目標(biāo)1.通過比克電池儲能項目的案例，引導(dǎo)學(xué)生樹立“技術(shù)報國、科技報國”的理想。2.通過了解SOC與SOH的多種檢測方法，培養(yǎng)學(xué)生辯證分析的思維能力。3.通過實操，培養(yǎng)精益求精的精神。4.在電池檢測過程中嚴(yán)守崗位操作規(guī)程，增強(qiáng)作業(yè)安全意識。5.實操養(yǎng)成定期反思與總結(jié)的習(xí)慣，改進(jìn)不足，樹立嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度。6.嚴(yán)格執(zhí)行6S現(xiàn)場管理。學(xué)習(xí)目標(biāo)比克電池儲能項目不僅應(yīng)用于十分成熟的磷酸鐵鋰電池，還將三元電池納入梯次利用的范圍之內(nèi)。在廢舊動力電池梯次利用前，需要對動力電池進(jìn)行相關(guān)測試，再對電池包進(jìn)行分類處置。具體有哪些檢測項目，你知道嗎？任務(wù)導(dǎo)入目錄動力電池的SOC與SOH的概念01.動力電池SOC與SOH檢測使用的設(shè)備與檢測方法02.動力電池余電釋放所使用的設(shè)備與方法03.conents相關(guān)知識動力電池SOC與SOH的測量與評估、余電釋放任務(wù)實施動力電池的SOC與SOH的概念01PARTONE電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）用于描述電池的剩余電量，是電池使用過程中的重要參數(shù)，此參數(shù)與電池的充放電歷史和充放電的電流大小有關(guān)。（一）SOC的概念SOC的取值范圍為：0≤SOC≤100%目前較統(tǒng)一的是從電量角度定義SOC，如美國先進(jìn)電池聯(lián)合會（USABC）在其《電動汽車電池實驗手冊》中定義SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。（一）SOC的概念剩余電量與相同條件下額定容量的關(guān)系式式中

——

額定容量；

——電池剩余的按額定電流放電的可用容量。由于SOC受充放電倍率、溫度、自放電、老化等因素的影響，實際應(yīng)用中要對SOC的定義進(jìn)行調(diào)整。例如，日本、韓國、中國的電動汽車公司對SOC的定義為：（一）SOC的概念例如，日本、韓國、中國的電動汽車公司對SOC的定義為：由于電池長期使用必然發(fā)生老化或劣化，因而必須估計電池的健康狀況(State-

-of

-Health,SOH

)，也稱為壽命狀態(tài)，也有的稱為老化情況、劣化程度等。SOH狀態(tài)（二）SOH的概念剩余電量的角度剩余的循環(huán)次數(shù)的角度剩余循環(huán)次數(shù)的角度內(nèi)阻的角度其中，Cntremain為電池剩余循環(huán)次數(shù)；Cnttotal為電池的總循環(huán)次數(shù)。其中，Caged為電池當(dāng)前容量；Crated為電池額定容量。REOL

為電池壽命終結(jié)時的電池內(nèi)阻，Rnew為電池出廠時的內(nèi)電阻，Rc為電池當(dāng)前狀態(tài)下的內(nèi)阻。其中，Qaged-max為當(dāng)前電池最大放電電量；Qnew-max為新電池最大放電電量。退役動力電池的梯次利用的目標(biāo)市場

簡單來講，也就是電池使用一段時間后某些直接可測或間接計算得到的性能參數(shù)的實際值與標(biāo)稱值的比值，用來判斷電池健康狀況下降后的狀態(tài)，衡量電池的健康程度，其實際表現(xiàn)在電池內(nèi)部某些參數(shù)(如內(nèi)阻、容量等)的變化上。動力電池SOC與SOH檢測使用的設(shè)備與檢測方法02PARTTWO動力電池SOC與SOH檢測使用的設(shè)備主要有：負(fù)載儀、動力電池包、電池分容柜、萬用表、充放電控制盒等。（一）使用設(shè)備1.動力電池SOC的檢測方法動力電池的充放電過程是個復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，電池剩余電量受到動力電池的基本特征參數(shù)（端電壓、工作電流、溫度、容量、內(nèi)部壓強(qiáng)、內(nèi)阻和充放電循環(huán)次數(shù)）和動力電池使用特性因素的影響，使得對電池組的荷電狀態(tài)（SOC）的測定很困難。目前關(guān)于電池組電量的研究，較簡單的方法是將電池組等效為一個電池單體，通過測量電池組的電流、電壓、內(nèi)阻等外界參數(shù)，找出SOC與這些參數(shù)的關(guān)系，以間接地測試電池的SOC值。（二）檢測方法優(yōu)點方法簡單，估算精度也相對較高缺點不可以帶負(fù)載測量，需要占用大量的測量時間，并且放電測量時，必須中斷電池之前進(jìn)行的工作，使電池置于脫機(jī)狀態(tài)，因此不能在線測量。VS（二）檢測方法（1）放電實驗法原理：以恒定的電流使電池處于不間斷的放電狀態(tài)，當(dāng)放電到達(dá)截止電壓時對所放電量進(jìn)行計算。放電電量值為放電時所采用的恒定電流值與放電時間的乘積值。安時計量法(ampere

hour,簡稱AH)是最常用的SOC估計方法，安時計量法的原理是電池在不同電流下的放電電量等價為某個具體電流下的放電電量，其主要思想是Peukert

方程。（二）檢測方法等效放電電量公式（2）安時計量法優(yōu)點容易實現(xiàn)缺點但由于沒有從電池內(nèi)部得到電池SOC與充放電電量的關(guān)系，只是記錄充放電電量，從而會導(dǎo)致電池SOC累計誤差，結(jié)果精度較低，而且該方法不能確定電池的初始值。VS（二）檢測方法（2）安時計量法關(guān)注該系統(tǒng)的外部特征，在電量估算過程中，只關(guān)心流進(jìn)和流出電池的電量。安時計量法采用積分法實時計算電池充入與放出的容量，通過長時間記錄與計算電池的電量，最終可得到電池在某一時刻所剩余電量。（二）檢測方法（2）安時計量法綜合考慮電池SOC的影響因素，進(jìn)行電量補(bǔ)償，可以適當(dāng)提高安時計量法的精度。常規(guī)估算模型如圖安時積分法常規(guī)估算模型（二）檢測方法（3）開路電壓法原理是：電池長時間充分靜置后的各項參數(shù)相對穩(wěn)定，此時的開路電壓與電池荷電狀態(tài)間的函數(shù)關(guān)系也是相對比較穩(wěn)定的。若想獲得電池的荷電狀態(tài)值，只需測得電池兩端的開路電壓，并對照OCV-SOC曲線來獲取相應(yīng)信息。OCV-SOC曲線鋰離子單體電池組成結(jié)構(gòu)（二）檢測方法線性模糊算法的原理是：基于SOC變化量、電流、電壓和上一個時間點SOC值，建立的線性方程：β0β1β2β3為利用參考數(shù)據(jù)，通過最小二乘法得到的系數(shù)，沒有特別的物理意義。適用于低電流、SOC緩變的情況。（4）線性模型法電池內(nèi)阻測試儀（二）檢測方法原理是：用不同頻率的交流電激勵電池，測量電池內(nèi)部交流電阻，并通過建立的計算模型得到SOC估計值。β0β1β2β3為利用參考數(shù)據(jù)，通過最小二乘法得到的系數(shù)，沒有特別的物理意義。適用于低電流、SOC緩變的情況。（5）內(nèi)阻法基本原理將噪聲與信號的狀態(tài)空間模型作為算法模型，在測量時，應(yīng)用當(dāng)前時刻的觀測值與上一時刻的估計值，對狀態(tài)變量的估算進(jìn)行更新。輸入項有：電池電流、環(huán)境溫度、電池剩余容量、歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻等變量輸出為：電池的工作電壓。由于電池等效模型確定的非線性方程，在計算過程中要線性化。（二）檢測方法（6）卡爾曼濾波法原理是：將大量相對應(yīng)的電壓、電流等外部數(shù)據(jù)以及電池的荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身學(xué)習(xí)過程中輸入信息的正向傳播和誤差傳遞的反向傳播反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練和修改，在預(yù)測的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)計要求的誤差范圍內(nèi)時，通過輸入新的數(shù)據(jù)來得到電池的荷電狀態(tài)預(yù)測值，（7）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（二）檢測方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（二）檢測方法2.SOC主要檢測方法優(yōu)缺點主要SOC檢測方法比較估算方法優(yōu)點缺點放電測試法簡單、準(zhǔn)確離線情況下適用，會改變電池狀態(tài)，損失電池能量。安時計量法簡單、準(zhǔn)確、在線測量需要準(zhǔn)確的測量電流，無法計算初始電量值，對副反應(yīng)較敏感，開環(huán)方法有累計誤差。開路電壓法簡單、準(zhǔn)確、在線測量只適用于靜態(tài)條件下，電池需要長時間靜置才能得到準(zhǔn)確值。線性模型法在線測量只適用于靜態(tài)條件下，電池需要長時間靜置才能得到準(zhǔn)確值。內(nèi)阻法準(zhǔn)確對溫度較敏感，計算量大卡爾曼濾波法準(zhǔn)確、在線測量需要一個合適的電路模型，計算量大，需要大存儲空間，耗時較多。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法準(zhǔn)確、在線測量計算量大，耗時，需要大存儲空間，需要訓(xùn)練樣本。表示SOH以百分比的形式表現(xiàn)了當(dāng)前電池的容量能力，對一塊新的電池來說，其SOH值一

般是

大于100%的變化情況SOH描述的是電池長期變化。SOH的測量不需要連續(xù)進(jìn)行，對多數(shù)情況只要定期測量就夠了，測量的周期取決于不同應(yīng)用。變化情況隨著電池的使用，電池在不斷老化，SOH逐漸降低，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)1188-1996中有明確規(guī)定，當(dāng)動力電池的容量能力下降到80%時，即SOH小于80%時，就應(yīng)該更換電池。（二）檢測方法2.SOC主要檢測方法優(yōu)缺點（1）直接放電法想要知道電池的SOH，最直接的方法是讓單體電池進(jìn)行一個完全的放電循環(huán)，測試放出的電量，與新電池的標(biāo)稱容量進(jìn)行比較。目前這是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最可靠方法。例如，用0.1C倍率放電，直至達(dá)到截止電壓。放電過程大概需要10個小時。（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）（2）電壓法將2.5V的單體電池充電至充電截止電壓，根據(jù)電壓乘以容量得到充電的電量，即可算出電池的容量，對比電池的額定容量，可以估算出電池的SOH。（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)（3）內(nèi)阻法主要是通過建立內(nèi)阻與SOH之間的關(guān)系來估算SOH，電池內(nèi)阻和S0H之間存在確定的對應(yīng)關(guān)系，可以簡單的描述為：隨電池使用時間的增長，電池內(nèi)阻在增加，將影響電池容量，從而可以估算SOH。Rnow代表電池當(dāng)前的歐姆內(nèi)阻，Rnew代表電池出廠時的歐姆內(nèi)阻，Roid代表當(dāng)電池容量下降到80%時電池的內(nèi)阻。（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）（4）電化學(xué)阻抗分析法原理是：向電池施加多個不同頻率的正弦信號，然后運用模糊理論對己采集到的數(shù)據(jù)信息分析，預(yù)測電池的當(dāng)前性能，以獲取此款電池的特性。用此方法之前，需要做大量的數(shù)據(jù)采集與分析，而且還需要關(guān)于阻抗及阻抗譜的理論知識，除此之外器材造價也較為昂貴，故實際運用很少。（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）電化學(xué)阻況測試儀（6）電壓曲線模型法原理是：分析電池內(nèi)部所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以此為基礎(chǔ)建立電池的模型，用此模型來計算電池容量的衰減，來得出電池的SOH。當(dāng)量子力學(xué)這一學(xué)說應(yīng)用到化學(xué)動力學(xué)之后，化學(xué)反應(yīng)這一微觀過程有了新的論證，從而形成了過渡狀態(tài)理論。這種方法需要認(rèn)真分析電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，并知道電池一些固有參數(shù)，如活化焓，活化熵等，而且運用之前也需要做大量關(guān)于電池壽命的試驗，試驗量大，故實際運用很少。（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）活化焓（6）電壓曲線模型法電壓曲線模型法估算SOH的原理如圖（二）檢測方法（3.動力電池SOH的測量方法）電壓曲線模型估算流程主要SOH檢測方法比較（二）檢測方法（SOH主要檢測方法優(yōu)缺點）估算方法優(yōu)點缺點直接放電法簡單、準(zhǔn)確離線情況下適用，耗時長。內(nèi)阻法簡單、在線測量準(zhǔn)確測量電池內(nèi)阻也比較困難，估算結(jié)果不準(zhǔn)確。電壓法簡單、準(zhǔn)確、離線情況下適用，耗時長。電化學(xué)阻抗分析法簡單、準(zhǔn)確、在線測量數(shù)據(jù)采集與分析復(fù)雜，成本高。模型法在線測量難度較大，耗時較長，試驗量大。電壓曲線模型法準(zhǔn)確、成本低算量大，耗時，需要大存儲空間。動力電池余電釋放所使用的設(shè)備與方法03PARTTHREE（一）使用設(shè)備動力電池余電釋放物理方法所使用的設(shè)備主要有：負(fù)載儀、動力電池包、充放電柜、萬用表等?；瘜W(xué)方法放電主要有傳送臺、鹽水池。為了避免廢舊三元材料鋰動力電池自燃，在處理前需要將廢舊鋰離子動力電池深度放電。所以對電池剩余電量的進(jìn)行釋放，對電池的拆解至關(guān)重要，否則容易起火和爆炸。目前，對于廢舊鋰離子電池的安全放電主要有物理和化學(xué)放電兩種方法。放電方法（二）放電方法鋰離子電池穿刺燃燒優(yōu)點放電快且完全缺點短時間內(nèi)會積聚大量的熱，容易導(dǎo)致廢舊三元材料鋰動力電池爆炸VS（二）放電方法1.物理方法放電物理方法放電也稱為電阻法，主要是通過外接負(fù)載消電，即通過電池與電阻相連，電池中的電量通過放熱消耗，也有采用金屬粉末和石墨短路兩種方式對廢舊鋰離子動力電池進(jìn)行放電。結(jié)論：該方法只適合實驗室試驗，用于對少量電池的放電，大規(guī)模電池放電不可行。優(yōu)點方法簡單可行；能夠?qū)恿﹄姵刂械氖Ｓ嚯娔芡耆尫懦鰜恚徊粫霈F(xiàn)過熱的現(xiàn)象。缺點浸泡所需的時間長；VS（二）放電方法2.化學(xué)方法放電利用電池的正負(fù)極金屬為陰極和陽極，在溶液中通過電解過程來消耗電池中殘余的電量，常用的電解質(zhì)溶液是碳酸鈉（Na2CO3）溶液、氯化鈉（NaCl）溶液、亞硫酸（H2SO3）溶液，將三元材料鋰動力電池浸泡在各種電解質(zhì)溶液24h。結(jié)論：采用鹽水放電會出現(xiàn)污水的產(chǎn)生、廢氣的排放收集、進(jìn)出料的方式等一系列技術(shù)難題，因此如何實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用上的環(huán)保及自動化的需求是現(xiàn)在急需要解決的問題。02將廢鋰離子電池裝入集裝料框中，打開放電池的密封蓋，將裝有廢鋰離子電池的集裝料框放入放電池，關(guān)閉密封蓋，打開廢氣處理裝。（二）放電方法01對放電池中鹽水的濃度進(jìn)行調(diào)配，通過控NaCl的加入量，調(diào)節(jié)鹽水濃度至5～10％。03控制廢鋰離子電池在放電池中浸泡時間為72～96h，直至電壓低于1.5V時取出廢鋰離子電池。04將放電后的廢鋰離子電池移動至振動脫水機(jī)，利用振動脫水機(jī)脫干廢鋰離子電池表面的水分，使廢鋰離子電池表面的水分低于5％。2.化學(xué)方法放電廢鋰離子電池放電系統(tǒng)對廢鋰離子電池進(jìn)行放電時，具體包括以下步驟：動力電池SOC與SOH的測量與評估、余電釋放任務(wù)實施（二）場地設(shè)備準(zhǔn)備任務(wù)實施前需要做好場地防護(hù)準(zhǔn)備以及檢查實訓(xùn)場地和設(shè)備設(shè)施是否及存在安全隱患。一、任務(wù)準(zhǔn)備1.將單體電池放置在分容柜上，注意選擇正確的倉位以及單體電池正負(fù)極朝向。2.分容柜不支持串聯(lián)充放電，使用分容柜進(jìn)行充放電時，注意設(shè)置電池保護(hù)參數(shù)。3.穿戴絕緣防護(hù)手套。4.單體電池充電和放電各存在電壓上限和下限，不同類型電池一般不盡相同，充電時注意根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。（三）安全防護(hù)準(zhǔn)備表：設(shè)備及工具準(zhǔn)備（一）設(shè)備及工具準(zhǔn)備序號設(shè)備及工具名稱數(shù)量1方形單體電池若干2數(shù)字萬用表1個3分容柜1臺4個人防護(hù)套裝1套5Pack臺架1套6動力電池包1個第一步第一步Step1二、實施步驟——1.動力電池SOC的測量第一步：將動力電池模組中的六個單體依次取出。第二步第二步Step2二、實施步驟——1.動力電池SOC的測量第二步：將單體電池放在分容柜上，注意正極朝外，固定電池卡槽。第三步第三步Step3二、實施步驟——1.動力電池SOC的測量第三步：長按屏幕，啟動軟件。第四步第四步Step4二、實施步驟——1.動力電池SOC的測量第四步：設(shè)置恒流放電模式，放電電流為20A，放電截止電壓設(shè)為2.8V，再設(shè)置電壓上限為3.65V，電壓下限為2