T-CIAPS 0040-2024 動力電池健康狀態(tài)評價方法

ICS29.220.99CCSK82EvaluationmethodforstateofhealthofpowerbatteriesIT/CIAPS0040-2024 II 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14總體原則 35評價指標(biāo)體系 35.1評價指標(biāo)體系構(gòu)成 5.2指標(biāo)權(quán)重確定 36觀測變量 46.1功能性指標(biāo) 46.2安全性指標(biāo) 46.3可靠性指標(biāo) 57數(shù)據(jù)來源 68測算方法 68.1指標(biāo)結(jié)果加權(quán)計算 8.2健康狀態(tài)加權(quán)計算 9評價程序 7附錄A（資料性）電池功能可靠性系數(shù)計算方法 附錄B（資料性）電池機械可靠性系數(shù)計算方法 T/CIAPS0040-2024本文件按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國化學(xué)與物理電源協(xié)會提出并歸口。本文件主要編制單位：國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責(zé)任公司。本文件參與編制單位：陜西頃刻能源科技有限公司、無錫鋰云科技有限公司、西安建筑科技大學(xué)、天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院有限公司、深圳市量能科技有限公司、惠州億緯鋰能股份有限公司、惠州市賽能電池有限公司、廣電計量檢測集團(tuán)股份有限公司、鈦深科技、廣汽本田、毅博科技咨詢（香港）有限公司、河南電池研究院、煤炭科學(xué)研究總院有限公司、廣東國光電子有限公司。本文件主要起草人：方升、方彥彥、栗敬敬、李健、楊時峰、徐俊、蔣德瓏、林川平、楊乃興、王愿習(xí)、陳學(xué)兵、王怡、楊曉亮、陳校軍、周書云、鄧健想、吳兵、楊文謝新泰。本文件首次發(fā)布。1T/CIAPS0040-2024動力電池健康狀態(tài)評價方法本文件規(guī)定了動力電池健康狀態(tài)評價的總體原則、評價指標(biāo)體系、觀測變量、數(shù)據(jù)來源、測算方法、評價程序。本文件適用于各類動力電池健康狀態(tài)自我評價及其他組織開展的評價。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求GB/T2900.41-2008電工術(shù)語原電池和蓄電池GB/T19596-2017電動汽車術(shù)語GB/T31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法T/CSAE184-2021電動汽車動力蓄電池健康狀態(tài)評價指標(biāo)及估算誤差試驗方法3術(shù)語和定義3.1單體蓄電池secondarycell將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的基本單元裝置，通常包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設(shè)計成可充電。也稱作電芯。[GB/T19596-2017，定義3.3.2.1.1]3.2蓄電池電芯組cellblock一組并聯(lián)連接的單體蓄電池，可能包含監(jiān)測電路與保護(hù)裝置（例如熔斷器等）。[GB/T19596-2017，定義3.3.2.1.2]3.3蓄電池模塊batterymodule將一個以上單體蓄電池按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，并作為電源使用的組合體,也稱作蓄電池組。[GB/T19596-2017，定義3.3.2.1.3]2T/CIAPS0040-20243.4蓄電池包batterypack通常包括蓄電池組、蓄電池管理系統(tǒng)、蓄電池箱及相應(yīng)附件（冷卻部件、連接線纜等），具有從外部獲得電能并可對外輸出電能的單元。[GB/T19596-2017，定義3.3.2.1.9]3.5額定容量ratedcapacity在規(guī)定條件下測得的并由制造商聲明的電池容量值。[GB/T19596-2017，定義3.3.3.4.2]3.6可用容量availablecapacity在規(guī)定條件下，從完全充電的蓄電池中釋放的容量值。[GB/T19596-2017，定義3.3.3.4.5]3.7荷電狀態(tài)stateofcharge（SOC）當(dāng)前蓄電池中按照規(guī)定放電條件可以釋放的容量占可用容量的百分比。[GB/T19596-2017，定義3.3.3.2.5]3.8比功率stateofpower（SOP）按照規(guī)定充放電條件下，蓄電池輸出的功率與質(zhì)量比值。[GB/T31486-2015，定義6.3.6.1.2]3.9保持率retentionrate在一定周期內(nèi)，直接測量或間接計算得到的蓄電池性能參數(shù)的當(dāng)前值與初始值的比值。3.10熱失控thermalrunaway電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。[GB/T38031-2020，定義3.14]3.11健康狀態(tài)stateofhealth采用綜合性評價分?jǐn)?shù)描述的包含功能性、安全性及可靠性的綜合性能狀態(tài)。3T/CIAPS0040-20244總體原則評價指標(biāo)時，應(yīng)遵循以下原則：a)科學(xué)性原則：評價指標(biāo)能反映出動力電池老化程度、安全性及可靠性；b)可操作性原則：評價指標(biāo)應(yīng)容易獲取、計算方法科學(xué)合理、便于操作；c)全面性原則：評價指標(biāo)需結(jié)合應(yīng)用場景，全面反映評價對象與應(yīng)用場景的適配性，指標(biāo)需要多參數(shù)、多層次、多維度反映動力電池健康狀態(tài)。5評價指標(biāo)體系5.1評價指標(biāo)體系構(gòu)成動力電池健康評價要素包含：功能性指標(biāo)評價、安全性指標(biāo)評價及可靠性指標(biāo)評價，三項要素中都包含多個下一級要素，并有相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。功能性評價指標(biāo)：室溫放電容量保持率，室溫倍率放電容量保持率，低溫放電容量保持率，高溫放電容量保持率，室溫荷電保持容量保持率，高溫荷電保持容量保持率，室溫恢復(fù)容量保持率，高溫恢復(fù)容量保持率，放電比功率保持率。安全性評價指標(biāo)：動力電池本征安全性相關(guān)參數(shù)，該要素包含電濫用邊界值、熱濫用邊界值及機械濫用邊界值?？煽啃栽u價指標(biāo)：動力電池可靠性相關(guān)參數(shù)，包含電池功能可靠性系數(shù)和機械結(jié)構(gòu)可靠性系數(shù)。表1健康狀態(tài)評價體系指標(biāo)5.2指標(biāo)權(quán)重確定建議權(quán)重分配原則如下：a)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高的三級指標(biāo)進(jìn)行上調(diào)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或準(zhǔn)確性不高的進(jìn)行下調(diào)；b)觀測變量能較為全面的反映三級指標(biāo)的，對應(yīng)三級指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行上調(diào)，觀測變量受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)限制，相對片面的進(jìn)行下調(diào)；c)指標(biāo)之間或觀測變量之間有較高相關(guān)性的，相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重總和進(jìn)行下調(diào)。建議功能性、安全性及可靠性三類指標(biāo)的權(quán)重分別設(shè)定為50%、25%及25%。具體權(quán)重配置可依據(jù)具體評價對象應(yīng)用領(lǐng)域的側(cè)重需求進(jìn)行微調(diào)，但對安全性及可靠性有國標(biāo)要求的項目，不可進(jìn)行減權(quán)重處理。4T/CIAPS0040-20246觀測變量6.1功能性指標(biāo)功能性指標(biāo)主要為保持率參數(shù)，包括室溫放電容量保持率，室溫倍率放電容量保持率，低溫放電容量保持率，高溫放電容量保持率，室溫荷電保持容量保持率，高溫荷電保持容量保持率，室溫恢復(fù)容量保持率，高溫恢復(fù)容量保持率，放電比功率保持率，上述參數(shù)推薦參照《GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測試。功能性指標(biāo)觀測變量及權(quán)重分配如表2所示。表2功能性指標(biāo)及其權(quán)重55556.2安全性指標(biāo)安全性指標(biāo)關(guān)注動力電池的熱失控邊界值，表明電池在遇到濫用情況時，不發(fā)生熱失控的極限值。觀測變量主要包括：熱濫用邊界值，機械濫用邊界值，電濫用邊界值（過充電邊界、過放邊界及短路邊界）。上述三類觀測變量可由多個下級參數(shù)單獨構(gòu)成，也可由下級參數(shù)耦合后形成，具體觀測變量可根據(jù)實際情況決定。例如，電濫用過充中邊界值可以是SOC，電壓或者溫度單獨構(gòu)成，也可以是三者耦合5T/CIAPS0040-2024后變?yōu)檫^充邊界值。觀測變量參數(shù)值低于《GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求》標(biāo)準(zhǔn)的直接判定0分，高于上述標(biāo)準(zhǔn)要求的依據(jù)不同情況賦予分值，具體如表3所示。表3安全性指標(biāo)及其權(quán)重指標(biāo)名稱觀測變量權(quán)重（%）觀測變量計算方法56.3可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)觀測變量主要包括電池功能可靠性系數(shù)、機械結(jié)構(gòu)可靠性系數(shù)，相應(yīng)的權(quán)重分配如表4所示。其中，電池功能可靠性系數(shù)計算方法參照附錄A所示，電池機械可靠性系數(shù)計算方法如附錄B所示。表4可靠性指標(biāo)及其權(quán)重數(shù)數(shù)6T/CIAPS0040-20247數(shù)據(jù)來源評價數(shù)據(jù)獲取的渠道包括但不限于：a)送檢人提供的可溯源數(shù)據(jù)；b)評價主體檢測數(shù)據(jù)。8測算方法8.1指標(biāo)結(jié)果加權(quán)計算根據(jù)功能性指標(biāo)、安全性指標(biāo)及可靠性指標(biāo)附屬的相應(yīng)觀測變量評價得分，分別按照各變量得分及其權(quán)重相乘后，累加獲得三大類指標(biāo)加權(quán)得分。具體如下：w功能性i功能性i功能性Kw功能性i功能性i功能性i=1………………（1）K安全性安全性*wi安全性………………（2）K可靠性可靠性*wi可靠性………………（3）………………式中：K功能性、K安全性、K可靠性——分別對應(yīng)功能性、安全性及可靠性指標(biāo)加權(quán)得分；n——指標(biāo)觀測變量個數(shù)；ki功能性、ki安全性、ki可靠性——分別對應(yīng)功能性、安全性及可靠性指標(biāo)第i個二級觀測變量得分；wi功能性、wi安全性、wi可靠性——分別對應(yīng)功能性、安全性及可靠性指標(biāo)第i個二級觀測變量的權(quán)重；hj——對應(yīng)指標(biāo)（功能性、安全性、可靠性）第i個二級指標(biāo)下第j個三級指標(biāo)的得分；Pj——對應(yīng)指標(biāo)（功能性、安全性、可靠性）第i個二級指標(biāo)下第j個三級指標(biāo)的權(quán)重。8.2健康狀態(tài)加權(quán)計算7T/CIAPS0040-2024基于8.1測算的每個一級指標(biāo)得分，將得分與相應(yīng)的一級指標(biāo)權(quán)重相乘后，累加獲得加權(quán)得分，該得分為動力電池健康狀態(tài)得分，具體說明如下：L=K功能性*x功能性+K安全性*x安全性+K可靠性*x可靠性………………（5）L——健康狀態(tài)指標(biāo)加權(quán)得分；K功能性、K安全性、K可靠性——分別對應(yīng)功能性、安全性及可靠性指標(biāo)加權(quán)得分；x功能性、x安全性、x可靠性——分別對應(yīng)功能性、安全性及可靠性指標(biāo)的權(quán)重。注：健康狀態(tài)評價若只選取K功能性、K安全性、K可靠性的一項或者兩項，則不再進(jìn)行加權(quán)處理，各分項單獨賦9評價程序評價主體開展評價時可遵循以下程序：a)明確評價目的，確定評價對象；b)確定評價指標(biāo)及相應(yīng)權(quán)重；c)制定評價數(shù)據(jù)和信息的采集方案并實施；d)根據(jù)測算方法計算評價結(jié)果；e)對評價結(jié)果的符合性進(jìn)行檢驗和修正；f)出具評價報告。8T/CIAPS0040-2024（資料性附錄）電池功能可靠性系數(shù)計算方法參照IEC62660-2-20106.1.1設(shè)置振動參數(shù)，振動過程中施加溫度和濕度控制；溫度范圍為-20℃~55℃,濕度為85%R.H.。同時，按照制造商規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)充、放電方法進(jìn)行充放電。整個振動過程記錄電池的電壓和溫度，測試完成后檢查電池狀態(tài)，是否有破裂、漏液、極耳損傷等情況。A.1容量變化率電池樣品的容量變化率可使用公式1進(jìn)行計算：×100%……其中，x1為容量變化率，H為四綜合測試前電池樣品的標(biāo)定容量，H’為四綜合測試后電池樣品的標(biāo)定容量。A.2直流內(nèi)阻變化率電池樣品的直流內(nèi)阻變化率可使用公式2進(jìn)行計算：×100%……其中，x2為直流內(nèi)阻變化率，RDC為四綜合測試前電池樣品的直流內(nèi)阻，RD’C為四綜合測試后的電池樣品直流內(nèi)阻。A.3交流內(nèi)阻變化率電池樣品的交流內(nèi)阻變化率可使用公式3進(jìn)行計算：×100%……其中，x3為交流內(nèi)阻變化率，RAC為四綜合測試前電池樣品的交流內(nèi)阻，RA’C為四綜合測試后的電池樣品交流內(nèi)阻。A.4開路電壓變化率電池樣品的開路電壓變化率可使用公式4進(jìn)行計算：×100%……其中，x4為開路電壓變化率，V為四綜合測試前電池樣品的滿電態(tài)開路電壓，V’為四綜合測試后電池樣品的滿電態(tài)開路電壓。9T/CIAPS0040-2024A.5電壓監(jiān)控在四綜合測試過程中監(jiān)控電池樣品的電壓。該值賦值y1，如出現(xiàn)電壓跳變（1s內(nèi)單體電壓波動大于0.15V），該值為0，如不出現(xiàn)電壓跳變，該值為1。A.6結(jié)構(gòu)檢查在四綜合測試前后對電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，可采用CT進(jìn)行無損掃描，或進(jìn)行拆解檢查。該值賦值y2，如出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，該值為0，如無損傷，該值為1。A.7單項電池功能可靠性失效系數(shù)計算單項連續(xù)功能可靠性失效指標(biāo)計算公式：pi=exp(xi,ref?xi)?1,i=1,2,3,4………………(5)其中，pi為單項連續(xù)指標(biāo)失效系數(shù)，x1,ref～x4,ref為對應(yīng)連續(xù)性指標(biāo)的失效閾值，其值分別為0.2、0.3、0.3、0.1。單項離散功能可靠性失效指標(biāo)計算公式：pj=(1?yi)?1,j=1,2………………（6）其中：pj為單項離散指標(biāo)失效系數(shù)。A.8總體電池功能可靠性失效系數(shù)計算將所有電池功能可靠性評價指標(biāo)帶入功能可靠性評價系數(shù)計算公式，計算評價系數(shù)。電池功能可靠性系數(shù)計算公式如下：其中，Q為最終失效指標(biāo)系數(shù)；w1w4等為連續(xù)失效形式的權(quán)重系數(shù)，其值分別為0.8、其中，Q為最終失效指標(biāo)系數(shù)；w1w4等為連續(xù)失效形式的權(quán)重系數(shù)，其值分別為0.8、0.5、0.2、0.3；v1、v2為離散失效形式的權(quán)重系數(shù)，其值分別為0.5、0.5。T/CIAPS0040-2024（資料性附錄）電池機械可靠性系數(shù)計算方法對電池包或系統(tǒng)進(jìn)行四綜合測試，其中振動測試參數(shù)參照GB38031-20208.2.1振動測試，環(huán)境溫度范圍為-20℃~55℃,當(dāng)溫度為0℃以上時濕度保持在85%R.H.，定頻振動過程中溫度為25℃,濕度50%RH。試驗過程中，需監(jiān)控測試樣品內(nèi)部最小監(jiān)控單元的狀態(tài)，如電壓和溫度等。每個方向完成測試后觀察兩個小時。四綜合前后進(jìn)行掃頻測試，掃頻加速度為0.5g，頻率范圍5Hz~200Hz，掃頻速度1oct/min。B.1超聲探傷參數(shù)設(shè)定探傷參數(shù)值為x1，計算公式如下：x1=1?10l…………(1)其中，x1為探傷參數(shù)值，l為最大微裂紋的長度，單位mm。l取值上限為0.1mm，下限為0.001mm。B.2螺栓扭矩保持率對比電池樣品四綜合測試前后所有關(guān)鍵位置螺栓扭矩的變化率，以扭矩下降超過60%定義失效螺栓，計算螺栓扭矩保持率，公式如下：×100%……其中，x2為螺栓扭矩保持率，N為電池樣品關(guān)鍵位置螺栓數(shù)量，N60%為四綜合測試后的扭矩低于原扭矩60%的螺栓數(shù)量。B.3Z軸一階固有頻率變化率電池樣品的Z軸的一階固有頻率變化率可使用公式3進(jìn)行計算：×100%……其中，x3為Z軸的一階固有頻率變化率，fZ為四綜合測試前電池樣品的一階固有頻率，f`Z為四綜合測試后的電池樣品的一階固有頻率。注：部分電池樣品出現(xiàn)測試過后一階固有頻率增大的情況B.4Y軸一階固有頻率變化率電池樣品的Y軸的一階固有頻率變化率可使用公式4進(jìn)行計算：×100%……其中，x4為Y軸的一階固有頻率變化率，fY為四綜合測試前電池樣品的一階固有頻率，f’y為四綜合測試后的電池樣品的一階固有頻率。T/CIAPS0040-2024B.5X軸一階固有頻率變化率電池樣品的X軸的一階固有頻率變化率可使用公式5進(jìn)行計算：×100%……其中，x5為X軸的一階固有頻率變化率，fX為四綜合測試前電池樣品的一階固有頻率，fx’為四綜合測試后的電池樣品的一階固有頻率。B.6應(yīng)變量變化率該值以電池樣品四綜合測試前后掃頻所測出的最大應(yīng)變量為基準(zhǔn)，計算測試前后應(yīng)變量的變化率，公式如下：×100%……其中，x6為電池樣品最大應(yīng)變量的變化率，ε為四綜合測試前最大應(yīng)變量，ε’為四綜合測試后的該應(yīng)變片所對應(yīng)的應(yīng)變力。B