电池使用寿命的评估方法及装置与流程

1.本技术涉及电池技术领域，尤其涉及电池使用寿命的评估方法及装置。


背景技术：

2.锂离子电池具有能量密度高，自放电小、循环寿命长、工作温度范围宽、使用成本低等诸多优点，因此广泛应用于手机、笔记本电脑、电动工具、玩具、电动汽车等领域。目前锂离子电池正在逐渐取代传统的镍氢电池、铅酸电池等的应用场景，成为市场的主流。近年来随着锂离子电池技术的不断成熟和完善，锂离子电池的应用逐渐形成3c数码消费类电池、动力电池和储能电池三大主流领域。从手机、电脑、智能穿戴类设备到出行的电动汽车，锂电池在人民的生产和生活中逐渐扮演着越来越重要的角色，在锂离子电池使用过程中，由于性能衰退、寿命衰减而带来的的安全性问题成为了一个不容忽视的关键因素，因此对于锂离子电池的寿命预测和性能衰退状态的评估显得尤为重要。
3.目前，应用中的锂离子电池，一般具有2000次以上的循环寿命，随着工艺和材料的改进，锂离子电池的寿命会越来越高。当前的电池使用工况一般为晚上充电(2
‑
10小时)和白天放电(8小时左右)，如果采用常规的充放电测试方法模拟现实使用中电池的循环寿命，测试时间往往长达一年以上，在电池生产研发过程中，如果按照正常的1c充放电，测试时间会很长，将会导致产品的开发进度缓慢，无法及时评估和预测电池的性能劣化状态。


技术实现要素：

4.本技术提供电池使用寿命的评估方法及装置，以解决现有技术中电池的测试时间长的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术提出一种电池使用寿命的评估方法，包括：根据预设的加速因子对待评估电池进行实验；获得电池的实验数据，其中实验数据包括加速老化测试数据；当加速老化测试数据满足循环周期要求时，根据加速老化测试数据，采用线性拟合外推法拟合电池的寿命曲线。
6.可选地，加速因子包括充电倍率、放电倍率、充放电倍率、环境温度和放电深度。
7.可选地，充电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电深度的变化范围为70％～100％，环境温度变化范围为10℃～55℃。
8.可选地，实验数据还包括正常程序测试数据；根据预设的加速因子对待评估电池进行实验，还包括：根据时间压缩系数和衰减加速系数对评估电池进行实验；其中时间压缩系统是正常程序测试的充放电时间除以加速老化测试的充放电时间的商；衰减加速系数是正常程序测试的循环寿命处于加速老化测试的循环寿命的商。
9.可选地，根据预设的加速因子对待评估电池进行实验，包括：对待评估电池进行不同电压区间的循环测试；根据电池的1c恒流充电/1c恒流放电的容量
‑
电压曲线，将容量均分为五部分，并且确定了每一部分所需的电压范围；对所划分的五部分分别进行1c/1c循环性能测试，且在循环测试过程中，每完成10个循环进行一次电池实际容量的标定。
10.为解决上述技术问题，本技术提出一种电池使用寿命的评估装置，包括：实验模块，用于根据预设的加速因子对待评估电池进行实验；数据模块，用于获得电池的实验数据，其中实验数据包括加速老化测试数据；寿命曲线拟合模块，用于当加速老化测试数据满足循环周期要求时，根据加速老化测试数据，采用线性拟合外推法拟合电池的寿命曲线。
11.可选地，加速因子包括充电倍率、放电倍率、充放电倍率、环境温度和放电深度。
12.可选地，充电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电深度的变化范围为70％～100％，环境温度变化范围为10℃～55℃。
13.可选地，实验模块还用于：根据时间压缩系数和衰减加速系数对评估电池进行实验；其中时间压缩系统是正常程序测试的充放电时间除以加速老化测试的充放电时间的商；衰减加速系数是正常程序测试的循环寿命处于加速老化测试的循环寿命的商。
14.可选地，实验模块还用于：对待评估电池进行不同电压区间的循环测试；根据电池的1c恒流充电/1c恒流放电的容量
‑
电压曲线，将容量均分为五部分，并且确定了每一部分所需的电压范围；对所划分的五部分分别进行1c/1c循环性能测试，且在循环测试过程中，每完成10个循环进行一次电池实际容量的标定。
15.本技术提出电池使用寿命的评估方法及装置，基于加速老化实验法和线性拟合外推法，利用合适的加速因子，通过短周期的寿命测试来评估电池的使用寿命，不仅有利于缩短电池的测试周期，而且能够提升预测精度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术电池使用寿命的评估方法一实施例的流程示意图；
18.图2是线性拟合外推法评估电池的循环寿命一实施例的示意图；
19.图3是本技术寿命预测中的误差随循环的变化一实施例的示意图；
20.图4(a)是本技术部分加速因子与时间压缩系数之间的关系的示意图；
21.图4(b)是本技术部分加速因子与衰减加速系数之间的关系的示意图；
22.图5是本技术加速度系数与每个加速因子之间的关系的示意图；
23.图6是本技术容量均分和对应的电压分配一实施例的示意图；
24.图7是本技术电池使用寿命的评估装置一实施例的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术所提供电池使用寿命的评估方法及装置进一步详细描述。
26.现有技术中电池使用寿命的测试时间会很长，导致产品的开发进度缓慢，无法及时评估和预测电池的性能劣化状态。基于此，本技术提出一种电池使用寿命的评估方法，可以缩短电池测试周期，开发出短时间评估电池使用寿命的电池测试评估技术，本技术对于行业的发展、产品开发周期的缩短具有实际意义。
27.请参阅图1，图1是本技术电池使用寿命的评估方法一实施例的流程示意图，在本
实施例中，包括步骤s110～s130，各步骤具体如下：
28.s110：根据预设的加速因子对待评估电池进行实验。
29.本实施例中以磷酸铁锂电池作为待评估电池进行说明，此外，本技术的电池使用寿命的评估方法不仅适用于磷酸铁锂电池体系，对于其他电化学系(如三元锂电池、钛酸锂电池等)同样适用。
30.对磷酸铁锂电池进行实验，本实施例采用圆柱型(26650)磷酸铁锂电池进行实验，其中电池的容量为3200mah，电化学体系为lifepo4/石墨，正常充放电电压范围为2.5～3.65v。实验的测试包括加速老化测试。
31.按照正常的测试，其周期较长，由于电池的老化与充电放电倍率、放电深度以及工作温度等有关系，为减少测试周期，因此，应采用加速老化的测试方法，减少测试周期。
32.加速老化实验测试方法如下：加速老化实验选择充电倍率(charge rate，chr)、放电倍率(discharge rate，disr)、放电深度(depth of discharge，dod)和环境温度(temperature，temp)四个变量作为研究的重点，其中充电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电倍率变化范围为0.2c～2.0c，dod变化范围为70％～100％，环境温度变化范围为10℃～55℃(如表1所示)。
33.除了temp测试以外，其他测试均是在25℃
±
2℃条件下进行。本实验中的电池加速老化测试，每隔10个循环进行一次参考性能测试(reference performance test，简称rpt)，rpt正常测试程序包括主要为0.2c充放电容量测试，测试在室温(25℃
±
2℃)下进行。具体测试工步/流程如下所示：
34.1)恒流
‑
恒压充电(constant current
‑
constant voltage，简称cc
‑
cv，0.2c
‑
0.05c)充电至电池满充状态，搁置30min；
35.2)0.2c恒流放电至2.5v，搁置30min；
36.3)重复以上工步，当连续三次循环放电容量差<0.5％则测试终止，计算最后三次放电容量的平均值作为该电池的实际容量。
37.为了掌握电芯性能的分散性和不一致性，每一个测试选择5个平行样品。电池循环寿命的判定标准为容量衰减至初始容量的70％(2.24ah)的循环次数。
38.工作电压范围划分：锂离子电池在工作电压范围内，当电池的soc处于0％和100％两个极端电量状态时，由于正极和负极均处于一种不稳定状态，长期在两个极端状态下工作，电池的容量衰减较快。为了确定两个极端状态的充放电电压进行了如下的测试和操作：
39.1)标称容量测试：0.2c恒流充电至截止电压后转为恒压充电，截止电流为0.05c，搁置30min，然后进行0.2c恒流放电，当连续三次恒流放电容量差<0.3％时，再进行三次相同倍率的循环，取最后三次放电容量的平均值作为电池的标称容量；
40.2)按照容量截止的条件进行1c恒流充电测试和1c恒流放电测试，其中倍率设置以标称容量为准。
41.表1加速老化实验测试
[0042][0043][0044]
s120：获得电池的实验数据，其中实验数据包括加速老化测试数据。
[0045]
s130：当加速老化测试数据满足循环周期要求时，根据加速老化测试数据，采用线性拟合外推法拟合电池的寿命曲线。
[0046]
线性拟合是在已知某函数的若干离散函数值{f1，f2，
…
，f
n
}，通过调整该函数中若干待定系数f(λ1,λ2,
…
,λ
m
)，使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。如果待定函数是线性的，就叫线性拟合或者线性回归。线性拟合是利用数理统计中回归分析，来确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。
[0047]
现采用线性拟合外推法分析电池的寿命曲线，在表2的四个正常条件a、b、c、d下进行循环测试，其放电容量几乎呈线性下降，循环寿命平均约为2000个循环。正常条件下的衰减速度由充放电速率和dod决定，其中a和c的正常条件下，获得了1700个循环；b和d的正常条件下获得了2240个循环。两者之前的差异主要是充电电压较高(>3.5v)导致的。
[0048]
表2正常程序测试
[0049][0050]
请参阅图2，图2是线性拟合外推法评估电池的循环寿命一实施例的示意图，其中显示的为正常工况a(1c/1c，70％dod)的循环寿命。按照最初的600个循环的数据进行线性拟合外推，在这种情况下循环寿命约为1370周，与实际测试的实验结果相比，误差约37％，即当容量衰减曲线出现拐点且线性拟合数据选择较少时，会出现比较大的误差。
[0051]
选择不同数量的循环数据，采用线性拟合外推法进行计算预测，用于评估四种正常测试程序条件下预测循环寿命的误差分布情况。不同循环数据拟合出来的误差分布随实验循环次数的变化曲线如图3所示，不同正常程序测试的电池循环曲线的线性关系几乎是相似的，它不依赖于试验条件的变化，同时发现，虽然电池容量衰减速度在不同的测试条件下各不相同，但在采用较少的循环数据进行线性拟合评估时，均出现了比较大的误差。随着拟合数据量的增加，预测误差逐渐降低并接近于实际测试结果，所以，在拟合数据量较大时，采用线性拟合外推法能进行有效的循环寿命评估。
[0052]
由图3中正常测试程序a、b、c、d可知，正常测试中循环周期到达多次(至少1800次之后，其线性拟合才具有工程意义。为了验证不同充放电倍率参数对电池加速老化过程的影响，研究了不同充放电倍率条件下的老化情况，测试条件如表2所示。在加速老化研究中，选择时间压缩系数(α)和衰减加速系数(β)作为评估的方式和标准。其中时间压缩系数(α)为正常程序a的充放电时间与每个加速试验的充放电时间的比值(公式1)，在实际计算过程中需要考虑搁置时间和充放电的时间；衰减加速系数(β)为正常程序a的循环寿命与加速老化条件下的循环寿命之间的比值(公式2)。
[0053][0054][0055]
充电倍率(chr)、放电倍率(disr)和充放电倍率(c/d)作为衰减加速因子与时间压缩系数(α)和衰减加速系数(β)之间的关系如图4(a)和图4(b)所示。
[0056]
从图4(a)中可以看出，随着充放电倍率的提升，时间加速系数(α)均有不同程度的提升，且c/d提升最明显，主要是因为在chr和disr两个加速因子中，只改变电池充电倍率和放电倍率中的一个变量，而加速因子c/d的充电倍率和放电倍率是同时改变的。
[0057]
从图4(b)中可以看出，衰减加速系数(β)与倍率的变化并呈现出复杂的线性变化，主要是由于电池在1c/1c充放电条件下，拥有最高的循环寿命，当电芯的充放电倍率提升时，电池老化加速导致的。
[0058]
如图5所示为加速度系数(γ)与每个加速因子的关系，其中加速度系数(γ)代表正常程序a总测试时间与加速试验条件下总的测试时间的比值。从图5中可以看出，不管是倍率因子、temp因子还是dod因子，γ均为单调增加参数。
[0059]
在所有的加速因子里面，温度因子能够获得最显著的加速，其次为倍率因子(2c)，即在高温和高倍率的条件下电池的衰减速度最快。在测试中发现，55℃条件下电池加速衰减速度明显高于其他条件，电芯的循环寿命只有200
‑
300个循环，且离散度较大。因此在短时间的加速老化测试中，采用高温加速实验和高倍率加速实验有利于减少测试时间，加快产品的研发进度。但是考虑到在电池中，电位和电极材料的活化能均与温度相关，在高温条件下可能会发生不同于正常循环寿命试验条件下的衰减反应，因此需要对高温循环后的电极材料进行单独的成分分析。
[0060]
对于加速老化过程中的dod因子，在测试中发现，随着dod的增加，电池呈现加速衰减的状态，即dod与电池的循环寿命有直接的影响关系，这和之前的研究与相关研究
[8]
相吻合。
[0061]
本实验的测试是在恒流恒压充电/恒流放电条件下进行的，旨在研究线性拟合外推法对于寿命预测的精度和加速老化试验中加速因子的合适选择。实验研究工况单一，因此上述研究仅可作为复杂工况(如电动汽车和大型储能系统)的研究参考，不能直接应用。
[0062]
此外，对电池进行的实验除了正常加速老化测试之外，在一些实施例中，还可以包括不同电压区间的循环测试和正常测试。
[0063]
a)不同电压区间的循环测试
[0064]
根据电池的1c恒流充电/1c恒流放电的容量
‑
电压曲线，将容量均分为五部分(part 1、2、3、4、5)并且确定了每一部分所需的电压范围(如图6所示)，考虑到电池的充电和放电时的极化，从充电曲线和放电曲线上面确定电池的充电截止电压和放电截止电压会有部分重叠，其中part1包含过充电(充电截止电压为3.80v)，part 5包含过放电(放电截止电压为1.52v)。
[0065]
具体实验表格的数据区间如表1所示。
[0066]
表3不同电压区间的soc及电压测试范围
[0067]
项目soc范围电压范围part 1100％～80％3.80～3.24part 280％～60％3.49～3.20part 360％～40％3.44～3.18part 440％～20％3.41～3.10part 520％～0％3.34～1.52
[0068]
对上面的区间划分分别进行1c/1c循环性能测试，在循环测试过程中，每完成10个循环进行一次电池实际容量的标定(rpt测试)，每个区间内的循环性能实验结果，并从实验结果可以看出：
[0069]
1)低电压状态下，电池的容量的衰减大致呈线性变化(y＝0.9995～0.9999，其中y表示相邻两次完全放电容量的保持率)，且电压越低容量衰减速度越慢；
[0070]
2)低电压充放电状态下，特别是3.48v以下的充放电测试中，容量衰减速度较慢，放电容量下降较缓慢。由此可以初步判定，电芯的容量衰减反应主要发生在电压大于3.48v时。因此，一般来说，为了测试电池的循环寿命，应使电池循环在高电压区域。
[0071]
b)正常测试
[0072]
正常测试为模拟正常锂离子电池运行工况下的电池测试，一般来说，电池充电倍
率可在0.1c至0.2c，充电截止电流为0.05c，放电倍率可在0.1c至1c之间，这些均属于正常的运行工况。
[0073]
本文提出的正常测试程序如表3所示，恒流充电倍率变化范围为0.5c
‑
1.0c，恒流放电倍率变化范围为1.0c
‑
1.5c，放电深度变化范围为80％dod及100％dod，为了规避偶然性和电池一致性的影响，每个正常测试程序安排3个平行样品，最终结果以3个电池的平均值为准。电池测试设备为5v/6a蓝电充放电测试柜，测试环境温度为25℃
±
3℃。
[0074]
本实施例提出电池使用寿命的评估方法，基于加速老化实验法和线性拟合外推法，利用合适的加速因子，通过短周期的寿命测试来评估电池的使用寿命，不仅有利于缩短电池的测试周期，而且能够提升预测精度。
[0075]
本技术还提出一种电池使用寿命的评估装置，请参阅图7，图7是本技术电池使用寿命的评估装置一实施例的结构示意图，在本实施例中，电池使用寿命的评估装置包括：
[0076]
实验模块110，用于根据预设的加速因子对待评估电池进行实验；
[0077]
数据模块120，用于获得电池的实验数据，其中实验数据包括加速老化测试数据；
[0078]
寿命曲线拟合模块130，用于当加速老化测试数据满足循环周期要求时，根据加速老化测试数据，采用线性拟合外推法拟合电池的寿命曲线。
[0079]
可选地，加速因子包括充电倍率、放电倍率、充放电倍率、环境温度和放电深度。
[0080]
可选地，充电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电倍率变化范围为0.2c～2.0c，放电深度的变化范围为70％～100％，环境温度变化范围为10℃～55℃。
[0081]
可选地，实验模块110还用于：根据时间压缩系数和衰减加速系数对评估电池进行实验；其中时间压缩系统是正常程序测试的充放电时间除以加速老化测试的充放电时间的商；衰减加速系数是正常程序测试的循环寿命处于加速老化测试的循环寿命的商。
[0082]
可选地，实验模块110还用于：对待评估电池进行不同电压区间的循环测试；根据电池的1c恒流充电/1c恒流放电的容量
‑
电压曲线，将容量均分为五部分，并且确定了每一部分所需的电压范围；对所划分的五部分分别进行1c/1c循环性能测试，且在循环测试过程中，每完成10个循环进行一次电池实际容量的标定。
[0083]
本技术对实验测试的循环寿命数据通过线性拟合外推法技术进行了研究，以评估在有限的时间内锂离子电池的循环寿命。在使用初始短周期数据时，误差较大。在较高充放电倍率和高温热应力条件下，电池容量的衰减速度随着循环次数的增加而增加；选择合适的加速因子同时辅助线性拟合外推法，不仅有利于缩短电池的测试周期，而且能够提升预测精度。
[0084]
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0085]
本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备
固有的其它步骤或单元。
[0086]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0087]
以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。