退运电动汽车动力电池性能测试与分析

刘道坦，范茂松

(中国电力科学研究院电工与新材料研究所锂离子电池技术研究室，北京100192)

退运电动汽车动力电池性能测试与分析

刘道坦，范茂松

(中国电力科学研究院电工与新材料研究所锂离子电池技术研究室，北京100192)

全面测试了从某纯电动汽车退运的锰酸锂电池系统中各电池的容量、内阻、容量保持率等关键性能参数，统计分析了电池相关参数的变化及分布规律；同时测试并分析了退运电动汽车电池的充电容量、放电容量、容量保持率与电池内阻的关系，并研究了退运电动汽车电池的低温放电性能，提出了退运动力电池二次应用时的建议。

电动汽车；锂离子电池；二次利用

化石能源枯竭以及由其引发的环境污染已成为全球关注的问题，大力发展电动汽车和发展风能、太阳能等清洁可再生能源是解决上述问题的有效方法。高能量密度、长寿命的锂离子电池促进了电动汽车EV的实用化，但锂离子电池过高的成本仍是电动汽车市场化的最大障碍；同时，由于太阳能和风能的间歇性及不连续性，需要应用储能技术来提高电力供应的连续性、稳定性，改善电能质量[1-3]。当前，以锂离子电池储能为代表的电化学储能技术由于效率高、配置灵活、不受地理条件限制等特点，在储能领域应用具有很好的技术优势，但目前锂离子电池等电化学储能技术的高成本，成为储能技术推广应用的最大障碍。

降低原材料成本、高效规模化生产被认为是降低锂离子电池成本的有效手段，但就目前的技术来看，短期内EV及储能电池成本难以有大幅度下降，要推动电动汽车与储能技术的广泛应用，需要在技术和商业模式上实现创新，开展动力电池二次利用提供了一条新路径。电动汽车动力电池经长期使用，其容量、功率和安全性能逐渐下降，当无法满足电动汽车使用需求而被“退役”时，仍有可能将其二次应用在使用条件比较温和、对电池性能要求相对较低的场合。动力电池二次利用提高了电池的全寿命使用价值，若在二次利用中可以获利，则可变相降低电动汽车电池的初次采购成本，有助于促进电动汽车的推广应用。退运电动汽车电池应用于电网储能，可降低储能工程造价，利于储能技术的推广应用，促进节能减排。退运电动汽车电池的二次利用符合了环境保护的4R原则，具有良好的经济与社会价值[4]。

电动汽车电池经过长期的车载使用，性能必然发生变化，重新测评电池的性能是实现退运电动汽车电池二次利用的基础，但目前对电动汽车电池二次利用技术的研究刚起步[5-6]，缺乏系统地对退运前汽车电池的性能状态的测试分析，对退运汽车电池性能参数系统的测试和统计分析数据在公开的文献报道很少见。电池的分选过程中，其容量、内阻、自放电都是常用的最关键的分选参数[7]，本实验将测试某退运电动汽车电池系统中各单体电池的容量、内阻、容量保持率，分析电动汽车电池长期使用后性能参数的变化以及变化规律，全面呈现退运电动汽车动力电池关键性能参数的退化特征，相关测试为电池的二次利用中的进一步分级、筛选测试提供数据基础，也对电动汽车动力电池的二次利用技术研究提供有益的参考。

1 实验

1.1 样品准备

本研究所采用的电池为退运的纯电动大巴用锂离子电池，该电池系统总计包含416支单体电池，电池为方形软包装电池，其正极材料为锰酸锂，负极材料为人造石墨。每支单体电池的初始容量90 Ah，交流内阻(1 kHz)在0.5～0.6 mΩ之间。测试中共计检测了某一套系统中的352支电池。

1.2 电池容量测试

电池容量测试设备采用深圳新威尔公司的电池测试仪器(设备型号：CT-3008W-5V50A-NTF)，容量测试方法如下：测试电流30 A，电池先恒流放电至3.0 V，之后恒流充电至4.2 V，再恒压充电至电流≤3 A，认为电池处于满电状态，如此充放电循环3次，最后保持满电状态，电池的容量0以最后一次放电容量为准，测试过程记录电池在各阶段的充放电容量。

1.3 电池交流内阻测试

交流内阻测试采用日本日置交流微电阻计，型号为BT3562，测试温度环境为(25±2)℃，测试电压时电池保持满电状态。

1.4 电池容量保持率测试

电池容量保持率的测试参见行业技术标准[8]，分容后电池保持满电态的电池在室温下 (25±2)℃开路状态下搁置28天，之后以分容时相同的制式对电池做三次充放电测试，此时的第一次放电容量计为C1，电池的容量保持率计算如下：

1.5 电池高低温性能测试

测试方法如下：测试电流30 A，电池先恒流放电至3.0 V，之后恒流充电至4.2 V，再恒压充电至电流≤3 A。分别测试电池在－20、－10、0、25和45℃下的放电性能。调整高低温箱温度，待温度达到设定值，电池放入其中8 h后，开始测试。记录电池在不同放电温度下的放电容量。

2 结果与讨论

2.1 电池容量分析

表1中统计了测试的退运汽车电池系统内单体电池的放电容量。由表1可见，放电容量大于45 Ah的电池占94.60%，大于50 Ah的占51.70%；放电容量在45～55 Ah的电池数量占总数量近80%。最大放电容量66.33 Ah，最小放电容量26.43 Ah。该电池单体初始额定容量为90 Ah，经过3年汽车运行后，单体电池的放电容量大部分在45～55 Ah，约为电池初始容量的50%～60%。电池的容量与电池的内部材料化学反应的动力学因素有关，与电池内阻等参数也有一定关系，电池实际使用“工况”的差异也是重要因素，不同电池在长期使用中，经受的电流、温度、电压范围可能不相同，长期积累都会造成电池性能的离散。如此离散的电池容量分布也说明，退运汽车电池二次利用时，必须重新筛选配组才能保证电池组的使用寿命。

表1 单体电池放电容量统计

2.2 电池内阻分布

表2为各电池单体的交流内阻统计表，这些电池中最大内阻值为1.842 mΩ，最小内阻值0.872 mΩ，电池内阻极差达到1 mΩ。电池交流内阻大部分都在1.0～1.5 mΩ，其中1.0～1.3 mΩ之间电池占总数的56%。相比于电池的初始内阻(0.5～0.6 mΩ)，汽车电池数年的车载使用退运后，内阻几乎都增加了一到两倍。同时，电池内阻也更分散了，电池内阻的增加也直观地反应了电池健康度的降低。这与电池界面SEI模厚度增加、电解液消耗、材料接触变差等都有关系。

表2 单体电池的内阻统计

图1为某电池系统内电池内阻的分布的直方图与概率图，从图1(a)可见电池内阻分布具有正态分布的特征，图1(b)为采用正态性检验时，电池内阻的概率分布图，分析时剔除了极个别的内阻高于1.6 mΩ的电池，计算的P值为0.088，一般认为P值高于0.05时，可认为符合正态分布，所以该系统的电池交流内阻数值基本呈现正态分布。

图1 电池的内阻分布图

2.3 电池的容量保持率

电池的容量保持率统计见表3。由表可见，退运电动汽车动力电池经过多年使用，其容量保持率比较分散，大部分电池的容量保持率在90%以上，仍满足QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》对容量保持率的要求，其中容量保持率93%以上的占总数的80%以上，这些说明了锂离子电池具有良好的荷电保持能力。

表3 电池容量保持率统计

2.4 不同内阻段电池参数统计

表4统计分析了不同内阻级别内电池的一些重要参数的平均值。由表中数值可见，在一套汽车电池系统内，单体电池的恒流充电容量和电池放电容量的平均值总体上随着内阻的增加是降低的；电池的容量保持率总体上随着电池内阻的增大而逐渐降低。一些电池参数在一定电池内阻段的数值变化规律存在着异常，如内阻在1.4 mΩ

表4 不同内阻段电池参数统计

2.5 电池在不同温度下的放电性能表现

表5为不同内阻电池在不同温度下的放电容量，括号中为不同温度放电容量与25℃放电容量的比值，其中A-C电池样品在25℃时的内阻依次为1.138、1.261、1.528 mΩ。从表可看出，电池在45℃的放电容量略低于25℃时的放电容量，这可能是因为，45℃放电时，电池充满电后先要放置8 h，在这段时间中，由于电池自身的自放电，导致放电容量有所下降。从25℃开始，随着温度的降低，电池的放电容量迅速下降[9]，与同型号的新电池做比较，电池的低温性能明显下降。同型号的新电池，在－20和－10℃时的放电容量分别可达25℃时的80%和90%，而这些退运电池，在－10℃环境下，放电容量为25℃时的80%左右，在－20℃下，放电容量不到25℃时的60%。由于电池的低温性能明显下降，因此，退运动力电池在进行二次利用时，需重新确定其合适的工作温度和充放电方式。

表5 不同内阻电池在不同温度下的放电容量

图2 不同内阻电池在不同温度下的放电曲线

图2为不同内阻电池在不同温度下的归一化容量放电曲线。从图中可发现，在25℃及以下，随着温度的降低，电池的放电容量和放电电压都明显减低，电池在－20℃放电时，均出现了一个电压回升的现象，这是因为电池在放电一段时间后，自身的热效应使电池内阻降低，电导率提高，从而出现电压回升的现象。而在同一温度下，不同内阻电池的放电电压平台无明显规律。同时可以发现，温度越低不同内阻电池的电压曲线差异更为显著。

测试了A、B、C三支电池在不同温度下的内阻，图3为电池在不同温度的内阻值。由图可见，随着温度降低，电池内阻明显增大，不同内阻的退运汽车电池的内阻随温度变化的速度不同；温度越低时退运汽车电池间的内阻及放电能力差异更显著。

图3 电池在不同温度下的内阻

3 结论

测试分析了某退运电动汽车用锰酸锂动力电池系统内各电池单体的容量、交流内阻、容量保持率等性能参数，以及电池的低温放电性能，与电池的初始性能参数做了对比，分析了电池单体相关参数的变化、分布规律以及相关关系，主要结论如下：

(1)电动汽车动力电池长期使用后，电池单体的容量、交流内阻以及容量保持率明显变得离散。退运汽车电池进行二次利用时，必须对其进行重新检测与分选，其“额定”工作电流、工作温度、充放电制式等都应重新测定；

(2)同一退运电动汽车动力电池系统内，各电池的交流内阻基本呈现正态分布；

(3)退运汽车电池随着内阻的增加，电池容量保持率随着内阻增加而下降，说明退运汽车电池中促进电池内阻增加的因素也会一定程度上导致电池自放电率的提高；

(4)不同内阻的退运汽车电池的内阻随温度变化的速度不同；温度越低时退运汽车电池间的内阻及放电能力差异更显著；电动汽车电池后期低温下安全隐患大，退运电动汽车电池不易在过低温度(相对于新电池)下应用。

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Performance test and analysis of retired electric vehicle batteries

The capacity,internal resistance and capacity retention ratio of cells were tested for one retired electric vehicle battery system.The change and distribution rules of these parameters were analyzed.At the same time,the statistic of the mean value of charge capacity,discharge capacity and capacity retention ratio were carried out for the cells with different internal resistance.The relationship between the charge capacity,discharge capacity,capacity retention ratio and the internal resistance were founded,these relationships had also been analyzed.At last,the low temperature performance was researched,and the applied suggestion for secondary use was proposed.

electric vehicle;lithium-ion batteries;secondary use

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0532-04

2015-08-19

刘道坦(1977—)，男，河南省人，博士，主要研究方向为锂离子电池及储能技术。