车用动力电池回收分级分选一致性问题的研究

张昉 范锋 赵博

摘  要：新能源汽车的主要动力源锂电池一直倍受关注，而对于退役动力电池的阶梯利用，已成为行业发展的关键，文章总结了我国车用动力电池发展的趋势、动力电池的回收利用与技术现状，具体分析了电池回收中分级筛选中的难点，最后对我国动力电池梯次利用的发展做了总结与展望，指出动力电池的筛选技术是动力电池在梯次利用中的关键。

关键词：电池回收;分级分选;一致性

中图分类号：U469          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0046-03

Abstract： Lithium battery， the main power source of new energy vehicles， has been paid more and more attention， and the step utilization of decommissioned power battery has become the key to the development of the industry. This paper summarizes the development trend， recycling and technical status of vehicle power battery in China， and specifically analyzes the difficulties in grading and screening of battery recovery. Finally， the development and prospect of power battery cascade utilization in China are summarized and prospected. It is pointed out that the screening technology of power battery is the key to the echelon utilization of power battery.

Keywords： battery recycling; classification and sorting; consistency

1 新能源汽车动力电池发展趋势

据《中国汽车产业发展报告》预测，到2030年的时候，我国电动汽车总规模将接近6500万辆[1]。新能源汽车未来将被广泛推广，它的主要动力是磷酸铁锂电池。预计于2020年左右现有的新能源汽车用动力锂电池会进入报废期，在我国新能源汽车动力电池的报废周期一般约在3至5年，到2025年我国新增的梯次利用电池潜在规模约33.6GW·h。退役动力电池的梯次利用产业呼之欲出。

2 动力电池的回收利用与技术现状

2.1 动力电池的回收利用

从当前电池回收的迫切性来看，公共领域服务的新能源汽车，主要是锂动力电池，因其退役电池规模大，已成为电池梯次利用的重点领域。

本文提到的电池回收利用主要是指退役动力电池回收后的再次利用。再次利用又可分为梯次利用和再生利用。梯次利用是指将废旧动力电池应用到其他领域的过程，包括电池包、电池组、单体电池，可以一级利用也可以多级利用。再生利用是对于退出梯次利用的动力电池进行拆解、检测和分类后的二次使用。

2.2 回收电池的分级分选

我国2017年12月实施《车用动力蓄电池回收利用拆解规范》，2018年2月实施《车用动力电池回收利用余能检测》，在技术规范方面提出了指导意见。

退役电池的梯次利用依据电池容量的衰减程度分三级：第一级是电池包梯次利用、第二级为电池组梯次利用、第三级为单体电池级的梯次利用，见图1。目前技术发展上已从单体电池的拆解，发展成为电池组及电池包的回收使用，这要求梯次利用技术紧跟趋势。

第一级电池包梯次利用阶段，电池容量大于或等于80%，即动力电池做為正常能源电池在车中被使用，当电池包异常时，要对电池包进行检测评估，从而对整个电池包进行替换。目前常用非接触式方法进行筛选，如计算机断层扫描技术[2]、超声无损检测技术[3]，以及大数据分选技术等。

第二级电池组梯次利用阶段，电池使用容量处于60%-80%，最适合在储能领域，如通信基站、水利、风能、太阳能等使用。从第一级淘汰下的整包电池进行拆解，形成多个电池组，经过检测评估出性能相近、一致性、鲁棒性好的电池组进行重组使用，有问题的电池组淘汰到第三层级。

第三级单体电池梯次利用，此阶段将上一级淘汰下来的电池组拆解成单体电池，通过对单体电池容量等指标检测筛选后，单体电池以串、并联的方式以多种组合形式再配组，成组电池要进行评估测试，在保证重组电池安全性、一致性、稳定性情况下进行集成，开展梯次利用。重组后电池主要使用在用户侧/微电网，如企业、家庭的小型储能领域，或低速电动车等领域。

从梯次利用的过程中可以看出，回收电池各级中的筛选技术在其中起到至关重要的作用，精确的容量检测与容量配置是电池健康使用的保证。

3 重点技术分析

目前在梯次利用中对回收动力电池的容量配置研究不多，研究主要集中在对电池组均衡技术、电池容量估算、电池性能的分析等方面，电池容量的均衡直接关系着电池的一致性。对退役电池再利用的基础是电池包、重组电池的一致性是目前研究的难点。

3.1 电池容量估算分析

目前电池容量分级筛选方法较少，对电池容量衰退研究多些。文献[4]采用统计学非参数检验方法研究了欧姆内阻、电荷转移电阻和锂离子扩散系数与容量之间的相关性，以此了解电池衰减的原因。文献[5]建立分数阶等效电路模型实现电池容量的状态估算，但对采集数据要求高，目前较难达到要求。文献[6]提出了一种简化P2D模型来估算电池容量的方法，但模型较复杂难以应用。笔者所在公司的授权发明专利“一种锂离子电池容量分选器技术”（ZL2013105675526），可解决重组电池测试中电池容量一致性不好时，因过充/过放而使重组电池组寿命减少的问题。此技术包括至少一个锂离子电池容量分选器，工作原理是将满容量的锂离子电池接入锂离子分选器中，随后单片机通过AD采集实时监测锂子电池的输出电压和输出电流，最后单片机计算出锂离子容量值。此技术可以同时检测多个锂离子电池，只要单片机的AD采集口足够多。

此技术主要用于动力电池性能参数检测技术领域，可对锂离子电池容量进行检测，能够使每个锂离子电池在使用前就已经具备容量信息，然后将容量值相等或相近的多个锂离子电池串联和/或并联使用，可以大幅度提高锂离子电池组的使用效率和安全性，同时延长锂离子电池组的使用寿命。

3.2 电池组均衡技术

对于电池间的不一致性可以通过均衡技术进行管理，均衡技术在控制方法上分为主动均衡和被动均衡。被动均衡以电阻放电为主，缺点是能量浪费。主动均衡能量浪费少，但缺点是在电路的设计复杂。目前如何以低成本高效率实现电池/电池组间的电量均衡是难点。文献[7]提出了利用电容与开关的组合实现对相邻电池能量进行均衡的目标，缺点是不适合用于大容量的电池组。文献[8]提出一种线性优化模型和模型预测控制方法，实现锂离子电池的动态均衡，其方法主要通过软件实现。

笔者所在公司具有授权专利“一种大电流动力电池双向均衡装置”（zl2011205074605），此技术基于双向DCDC原理提出了一种充放电均衡电流可达10A的动力电池均衡装置。此技术利用继电器双向导通特性，通过控制双向DCDC变压器的输入输出方向，分别实现电池组内部各单体电池的充电均衡和放电均衡，此技术用于解决因电池不一致性问题而导致电池组寿命和有效使用问题。

3.3 电池性能分析

在电池性能分析方面，主要针对单体电池的筛选，目前问题是采集指标精度不准，文献[9]锂离子电池老化前后容量、内阻等性能指标并运用随机森林数据进行聚类，任意选出4个单体成组并作循环性能仿真测试，筛选出一致性较好的电池。文献[10]对单体电池进行曲线聚类和内阻拟合等处理，運用神经网络算法并依据内阻等参数对电池的健康状态（SOH）进行估算，为锂电池的分选提供依据。以上技术多处于实验室阶段，笔者所在公司开发出一种电池有效性分析模型，针对一组电池串联或并联使用时由于单个电池的充放电差异性导致整组电池寿命降低或损坏，从而对其应用过程实时监测，对过程充放电性能开展有效性分析，将个体锂离子电池额定电压值过大或过低、内阻过大导致自身损耗过高的锂离子电池进行筛选更换，实现对锂离子电池应用过程中的性能监测，解决了锂离子电池使用过程中因锂离子电池个体差异导致整组电池使用寿命降低的问题。

4 目前技术难点

（1）在保证安全性、一致性、鲁棒性情况下退役电池重组后的精准检测技术成为行业难点，如电池管理系统均衡算法，电池容量与剩余循环寿命等;特别是未来我国将开展储能领域的大规模的梯次利用，在此环节重组电池的分选、测试还处在试点研究阶段，在此领域还有很多技术需要深入研究。

（2）针对退役电池筛选基础性技术的应用中成本高问题，如何开展规模、高效的电池筛选成为目前的难点，本文利用已有发明专利技术“一种锂离子电池容量分选器”，电池容量分选提出一种解决方法。

（3）目前电池间一致性也是难点，本文利用已有技术“一种大电流动力电池双向均衡装置”和“一种电池有效性分析模型”给出了有效解决方法。

（4）电池使用中实时监控电池能量技术在行业内还未展开研究。

5 结束语

本文分析了车用动力电池发展的趋势，动力电池的回收利用与现状及分级分选，并利用笔者所在公司已有专利给出了电池回收分级分选在电池容量筛选、电池特性分析、电池均衡方面提高电池一致性的解决方法。

未来在电池回收及梯次利用过程中，将互联网技术、信息化技术、5G技术运用结合物联网，实现电池回收全生命周期的实时监控，创新筛选评测方法，更好的提高梯级利用有效性。

参考文献：

[1]刘坚，胡泽春.电动汽车作为电力系统储能应用潜力研究[J].中国能源，2013，35（7）：32-37

[2]焦龙庵.纳米CT在锂离子电池中的应用[D].太原：太原理工大学，2015.

[3]沈越，邓哲，黄云辉.一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法及其装置：CN106772063A[P].

[4]张利中，穆苗苗，赵书奇，等.再利用退役锂动力电池的性能评估[J].电源技术，2018，42（7）：964-967.

[5]HU Xiaosong， YUAN Hao， ZOU Changfu， et al. Co-Estimation of state of charge and state of health for lithium-ion batteries based on fractional-order calculous[J]. IEEE Trans Vehi Tech， 2018：10319-10329.

[6] Doyle M， Newman J. Modeling of galvanostatic chargeand discharge of the llithium/polymer/insertion cell[J]. JElevtrochem Soc， 1993，140：1526-1533.

[7]PASCUAL C，KREIN P T.Switched capacitor system for automaticseries battery equalization[C]// Applied Power Electronics Confer-ence and Exposition. USA： IEEE，1997：848-854.

[8]WU Z， LING R， TANG R L. Dynamic batteryequalization with energy and time efficiency for electricvehicles[J].Energy，2017，09：129.

[9]李加升，吴免利，刘玉芳，等.基于充放电曲线的锂电池智能分选系统研究[J].电源技术，2011，35（8）：912-914.

[10]刘婉晴.电动汽车锂离子电池分选方法的研究[D].唐山：华北理工大学，2017.