動(dòng)力電池梯次利用技術(shù) 課件 4.3動(dòng)力蓄電池的SOH評(píng)估與余電釋放

動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)項(xiàng)目四動(dòng)力蓄電池的拆解任務(wù)三動(dòng)力蓄電池的SOH評(píng)估與余電釋放學(xué)習(xí)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1.了解動(dòng)力電池的SOC與SOH的概念。2.掌握SOC與SOH的檢測(cè)方法。3.掌握動(dòng)力電池余電釋放的方法。二、技能目標(biāo)1.能正確描述動(dòng)力電池的SOC與SOH的概念。2.能熟練的對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOC與SOH的檢測(cè)。3.能完成動(dòng)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(chǔ)能項(xiàng)目的案例，引導(dǎo)學(xué)生樹立“技術(shù)報(bào)國、科技報(bào)國”的理想。2.通過了解SOC與SOH的多種檢測(cè)方法，培養(yǎng)學(xué)生辯證分析的思維能力。3.通過實(shí)操，培養(yǎng)精益求精的精神。4.在電池檢測(cè)過程中嚴(yán)守崗位操作規(guī)程，增強(qiáng)作業(yè)安全意識(shí)。5.實(shí)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(chǎng)管理。學(xué)習(xí)目標(biāo)比克電池儲(chǔ)能項(xiàng)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(dòng)力電池梯次利用前，需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，再對(duì)電池包進(jìn)行分類處置。具體有哪些檢測(cè)項(xiàng)目，你知道嗎？任務(wù)導(dǎo)入目錄動(dòng)力電池的SOC與SOH的概念01.動(dòng)力電池SOC與SOH檢測(cè)使用的設(shè)備與檢測(cè)方法02.動(dòng)力電池余電釋放所使用的設(shè)備與方法03.conents相關(guān)知識(shí)動(dòng)力電池SOC與SOH的測(cè)量與評(píng)估、余電釋放任務(wù)實(shí)施動(dòng)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(huì)（USABC）在其《電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》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(shí)際應(yīng)用中要對(duì)SOC的定義進(jìn)行調(diào)整。例如，日本、韓國、中國的電動(dòng)汽車公司對(duì)SOC的定義為：（一）SOC的概念例如，日本、韓國、中國的電動(dòng)汽車公司對(duì)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(jì)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(shí)的電池內(nèi)阻，Rnew為電池出廠時(shí)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(dòng)力電池的梯次利用的目標(biāo)市場(chǎng)

簡(jiǎn)單來講，也就是電池使用一段時(shí)間后某些直接可測(cè)或間接計(jì)算得到的性能參數(shù)的實(shí)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(shí)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(dòng)力電池SOC與SOH檢測(cè)使用的設(shè)備與檢測(cè)方法02PARTTWO動(dòng)力電池SOC與SOH檢測(cè)使用的設(shè)備主要有：負(fù)載儀、動(dòng)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(dòng)力電池SOC的檢測(cè)方法動(dòng)力電池的充放電過程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，電池剩余電量受到動(dòng)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(dòng)力電池使用特性因素的影響，使得對(duì)電池組的荷電狀態(tài)（SOC）的測(cè)定很困難。目前關(guān)于電池組電量的研究，較簡(jiǎn)單的方法是將電池組等效為一個(gè)電池單體，通過測(cè)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(cè)試電池的SOC值。（二）檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)方法簡(jiǎn)單，估算精度也相對(duì)較高缺點(diǎn)不可以帶負(fù)載測(cè)量，需要占用大量的測(cè)量時(shí)間，并且放電測(cè)量時(shí)，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(cè)量。VS（二）檢測(cè)方法（1）放電實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)所放電量進(jìn)行計(jì)算。放電電量值為放電時(shí)所采用的恒定電流值與放電時(shí)間的乘積值。安時(shí)計(jì)量法(ampere

hour,簡(jiǎn)稱AH)是最常用的SOC估計(jì)方法，安時(shí)計(jì)量法的原理是電池在不同電流下的放電電量等價(jià)為某個(gè)具體電流下的放電電量，其主要思想是Peukert

方程。（二）檢測(cè)方法等效放電電量公式（2）安時(shí)計(jì)量法優(yōu)點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致電池SOC累計(jì)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(cè)方法（2）安時(shí)計(jì)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(shí)計(jì)量法采用積分法實(shí)時(shí)計(jì)算電池充入與放出的容量，通過長時(shí)間記錄與計(jì)算電池的電量，最終可得到電池在某一時(shí)刻所剩余電量。（二）檢測(cè)方法（2）安時(shí)計(jì)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(shí)計(jì)量法的精度。常規(guī)估算模型如圖安時(shí)積分法常規(guī)估算模型（二）檢測(cè)方法（3）開路電壓法原理是：電池長時(shí)間充分靜置后的各項(xiàng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)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(duì)比較穩(wěn)定的。若想獲得電池的荷電狀態(tài)值，只需測(cè)得電池兩端的開路電壓，并對(duì)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(cè)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(gè)時(shí)間點(diǎn)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(cè)試儀（二）檢測(cè)方法原理是：用不同頻率的交流電激勵(lì)電池，測(cè)量電池內(nèi)部交流電阻，并通過建立的計(jì)算模型得到SOC估計(jì)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(hào)的狀態(tài)空間模型作為算法模型，在測(cè)量時(shí)，應(yīng)用當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值與上一時(shí)刻的估計(jì)值，對(duì)狀態(tài)變量的估算進(jìn)行更新。輸入項(xiàng)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(jì)算過程中要線性化。（二）檢測(cè)方法（6）卡爾曼濾波法原理是：將大量相對(duì)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(cè)的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的誤差范圍內(nèi)時(shí)，通過輸入新的數(shù)據(jù)來得到電池的荷電狀態(tài)預(yù)測(cè)值，（7）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（二）檢測(cè)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（二）檢測(cè)方法2.SOC主要檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)主要SOC檢測(cè)方法比較估算方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)放電測(cè)試法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確離線情況下適用，會(huì)改變電池狀態(tài)，損失電池能量。安時(shí)計(jì)量法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、在線測(cè)量需要準(zhǔn)確的測(cè)量電流，無法計(jì)算初始電量值，對(duì)副反應(yīng)較敏感，開環(huán)方法有累計(jì)誤差。開路電壓法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、在線測(cè)量只適用于靜態(tài)條件下，電池需要長時(shí)間靜置才能得到準(zhǔn)確值。線性模型法在線測(cè)量只適用于靜態(tài)條件下，電池需要長時(shí)間靜置才能得到準(zhǔn)確值。內(nèi)阻法準(zhǔn)確對(duì)溫度較敏感，計(jì)算量大卡爾曼濾波法準(zhǔn)確、在線測(cè)量需要一個(gè)合適的電路模型，計(jì)算量大，需要大存儲(chǔ)空間，耗時(shí)較多。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法準(zhǔn)確、在線測(cè)量計(jì)算量大，耗時(shí)，需要大存儲(chǔ)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(duì)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(cè)量不需要連續(xù)進(jìn)行，對(duì)多數(shù)情況只要定期測(cè)量就夠了，測(cè)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(dòng)力電池的容量能力下降到80%時(shí)，即SOH小于80%時(shí)，就應(yīng)該更換電池。（二）檢測(cè)方法2.SOC主要檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)（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(gè)完全的放電循環(huán)，測(cè)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(gè)小時(shí)。（二）檢測(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)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(duì)比電池的額定容量，可以估算出電池的SOH。（二）檢測(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，可以簡(jiǎn)單的描述為：隨電池使用時(shí)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(shí)的歐姆內(nèi)阻，Roid代表當(dāng)電池容量下降到80%時(shí)電池的內(nèi)阻。（二）檢測(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)量方法）（4）電化學(xué)阻抗分析法原理是：向電池施加多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，然后運(yùn)用模糊理論對(duì)己采集到的數(shù)據(jù)信息分析，預(yù)測(cè)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(shí)，除此之外器材造價(jià)也較為昂貴，故實(shí)際運(yùn)用很少。（二）檢測(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)量方法）電化學(xué)阻況測(cè)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(jì)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(dòng)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(yùn)用之前也需要做大量關(guān)于電池壽命的試驗(yàn)，試驗(yàn)量大，故實(shí)際運(yùn)用很少。（二）檢測(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)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(cè)方法（3.動(dòng)力電池SOH的測(cè)量方法）電壓曲線模型估算流程主要SOH檢測(cè)方法比較（二）檢測(cè)方法（SOH主要檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)）估算方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)直接放電法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確離線情況下適用，耗時(shí)長。內(nèi)阻法簡(jiǎn)單、在線測(cè)量準(zhǔn)確測(cè)量電池內(nèi)阻也比較困難，估算結(jié)果不準(zhǔn)確。電壓法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、離線情況下適用，耗時(shí)長。電化學(xué)阻抗分析法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、在線測(cè)量數(shù)據(jù)采集與分析復(fù)雜，成本高。模型法在線測(cè)量難度較大，耗時(shí)較長，試驗(yàn)量大。電壓曲線模型法準(zhǔn)確、成本低算量大，耗時(shí)，需要大存儲(chǔ)空間。動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)、鹽水池。為了避免廢舊三元材料鋰動(dòng)力電池自燃，在處理前需要將廢舊鋰離子動(dòng)力電池深度放電。所以對(duì)電池剩余電量的進(jìn)行釋放，對(duì)電池的拆解至關(guān)重要，否則容易起火和爆炸。目前，對(duì)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(diǎn)放電快且完全缺點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)會(huì)積聚大量的熱，容易導(dǎo)致廢舊三元材料鋰動(dòng)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(duì)廢舊鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行放電。結(jié)論：該方法只適合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，用于對(duì)少量電池的放電，大規(guī)模電池放電不可行。優(yōu)點(diǎn)方法簡(jiǎn)單可行；能夠?qū)?dòng)力電池中的剩余電能完全釋放出來；不會(huì)出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象。缺點(diǎn)浸泡所需的時(shí)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(dòng)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(huì)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用上的環(huán)保及自動(dòng)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(duì)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(shí)間為72～96h，直至電壓低于1.5V時(shí)取出廢鋰離子電池。04將放電后的廢鋰離子電池移動(dòng)至振動(dòng)脫水機(jī)，利用振動(dòng)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(duì)廢鋰離子電池進(jìn)行放電時(shí)，具體包括以下步驟：動(dòng)力電池SOC與SOH的測(cè)量與評(píng)估、余電釋放任務(wù)實(shí)施（二）場(chǎng)地設(shè)備準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施前需要做好場(chǎng)地防護(hù)準(zhǔn)備以及檢查實(shí)訓(xùn)場(chǎng)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(shí)，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(shí)注意根據(jù)實(shí)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(hào)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(gè)3分容柜1臺(tái)4個(gè)人防護(hù)套裝1套5Pack臺(tái)架1套6動(dòng)力電池包1個(gè)第一步第一步Step1二、實(shí)施步驟——1.動(dòng)力電池SOC的測(cè)量第一步：將動(dòng)力電池模組中的六個(gè)單體依次取出。第二步第二步Step2二、實(shí)施步驟——1.動(dòng)力電池SOC的測(cè)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(shí)施步驟——1.動(dòng)力電池SOC的測(cè)量第三步：長按屏幕，啟動(dòng)軟件。第四步第四步Step4二、實(shí)施步驟——1.動(dòng)力電池SOC的測(cè)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