废旧动力电池梯次利用之应急储能设备技术研究

史甲森 李海鸽 邱焕益

摘 要：研究首先从废旧动力电池梯次利用的现状展开阐述，利用比亚迪秦80废旧磷酸铁锂动力电池为研究对象，以其储能能力方面的价值为思路展开，根据已有动力电池衰减特性及查阅大量资料，对选用回收的废旧电池包进行彻底充放电、检验、外部结构拆解、电芯检测、电芯的利用和分级重组、内阻匹配、筛选分类、重新封装等试验过程，期间采取资料法、比较法、替代法、累积法、控制法、转换法、模型法、数学归纳法、实验推理法等实验方法，完成应急储能设备的制作和测试，达到实验研究的目的。

关键词：电动汽车;废旧动力电池;梯次利用;筛选重组;储能设备

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章編号：1671-7988（2020）10-04-04

Research on Emergency Energy Storage Equipment Technology forWaste Power Battery Ladder Utilization^*

Shi Jiasen， Li Haige， Qiu Huanyi

（ Xian Vocational University of Automobile， Shaanxi Xian 710605 ）

Abstract： The research begins with the current situation of the ladders utilization of waste power battery. Taking BYD Qin 80 waste lithium iron phosphate power battery as the research object， and the value of its energy storage capacity is developed. According to the attenuation characteristics of existing power batteries and consulting a large amount of data， the battery packs used for recycling have been completely charged and discharged， inspection， external structure disassembly， cell detection， cell utilization and recombination， internal resistance matching， screening classification and repackaging and so on. During the period， the data method， comparison method， substitution method， accumulation method， control method， conversion method， model method， mathematical induction method， experimental reasoning method and other experimental methods were adopted to complete the production and testing of emergency energy storage equipment to achieve the purpose of experimental research.Keywords： Electric vehicles; Waste power battery; Ladder utilization; Screening and reorganization; Energy storage equipmentCLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-04-04

引言

随着人类环保意识的增强和电池技术的不断完善，人们对电动汽车的认可度明显增加。据统计，截止2019年1-4月，全球电动汽车累计销量662，000辆，同比增幅超过52%，比亚迪、特斯拉、上汽、宝马、日产等品牌的电动汽车销量遥遥领先，随着国内鼓励政策和相关制度的日趋完善，国产电动汽车企业已经觉醒，在材料、工艺、电芯、pack、BMS等方面都不断突破，并通过推进自身研发水平，助力我国汽车行业实现弯道超车。

动力电池是电动汽车的核心部件，目前所使用的动力电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫电池、镍镉电池、燃料电池等，其中锂离子电池以其优异的物理和化学性能被广泛采用。近年来，动力电池的续航里程和安全性能明显改善。据分析，影响动力电池续航里程的原因大致分为两类：一是内因，包括产品厂商、制造工艺、原材料、品控、配组等;二是外因，包括温度、充电电流、放电电流、充电电压、放电电压、充电倍率、放电倍率等;研究显示，外因可控性较差，因而对动力电池衰减程度的影响更大。随着动力电池的投入使用，电池组在电压、电阻、充放电时间、负荷能力、温升、外形等方面都发生了不同程度的变化，这些变化直接导致电池的容量、内阻、电压等发生损耗，一致性较差。

1 实验过程

“动力电池组一般由成百千只单体电池组成，一般采用先串后并的方式配组”。^[1]例如秦80，其首先将数十只单体电池串联组成一个电池模组，再将数十个电池模组串联组成电池包，实质上是将几十乃至上百个电池单体串联组成电池组，如图1所示动力电池组成。

1.1 实验方法

在现有实验条件下，主要从废旧动力电池梯次利用的储能设备方面进行探究，整个研究过程分为废旧动力电池的彻底充放电、检验、外部结构拆解、电芯检测、电芯的利用和分级重组、内阻匹配、筛选分类、重新封装等。实验方法采取资料法、比较法、替代法、累积法、控制法、转换法、模型法等。

1.2 设备和仪器

实验研究共分解了1个电池包，共10串电池模组，均來自比亚迪秦80拆卸的废旧动力电池，该电池隶属于比亚迪电池厂商，每个电池单体均是标称为3.2V，终止充电电压3.6V，终止放电压2.0V的磷酸铁锂电池，原设计容量标称25AH，阻抗为2.2mΩ，重量为0.78kg，能量密度为103wh/Kg，功率密度为2800W/kg，尺寸为173×120×20mm，如表1所示。根据比亚迪内部标准规定，当放电至5%时，某个单体电压降到2V或充电至100%时，单体实际容量小于原容量的80%（即就是每个单体为20AH），所在的电池模组就会被淘汰。

试验所用仪器有电压测量装置、电流测量装置、温度测量装置、时间测量装置、尺寸测量装置、质量测量装置等。主要设备采用顺达电子生产的TEC-06电池容量测试仪，可测量电流范围0.1A～3.5A，最大功率可达16W，最大检测容量为500000mAH（500AH），电流最大误差<0.5%，该设备可实时测量容量、实测电压、关断电压、电流、内阻，其测量数值均与TEC-06面板显示状态相对应。TEC-06电池容量测试仪通过专用的上位软件和四线方式联机与电脑连接，可自动完成设备外观如图2所示。

1.3 彻底放电

据研究表明，全容量放电测试法为测试动力电池组实际容量最为准确有效的方法，在线放电时，首先将放电导线的快速接头端按颜色对应插入测试仪的快速插座中 （一黑为负、一红为电池正极、一红为系统正极），然后利用电池夹将放电导线的另一端分别与电池组两端及系统正极连接（红正黑负）。该实验为废旧动力电池进行物理放电并实时测量电流和电压，再利用计算机对测量数据进行监控，生成实时容量曲线图，其中起始电压为3.08V，电流为3.5A，如图3所示为测量1#废旧动力电池单体放电共28分39秒时的实时容量曲线图，其中位于上方的红色线条表示电压递减情况，下方的黄色线条表示电流递减情况。

从图3中的测量得到该时间点的测出电流、最高电压、均压、最低电压、能量、容量、内阻和测量时间等数据，详细数据见表2 1#废旧动力电池单体放电28分39秒时的测量数据。本次实验通过以上方法完成废旧动力电池的彻底放电及电容、内阻的测量。

1.4 筛选重组

动力电池在使用一段时间后，其容量虽然有所减少，但对其继续储能的功能二次利用影响不大，在保证安全性的基础上，研究参考统一实验标准，利用实验室相同设备和工具对电池组进行筛选完成重组，为其更好的完成储能使命打下良好的基础。

测试方法参考工信部于2018年1月公布的GB 《〈电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求〉征求意见稿》中对电池测试的要求，同时结合试验用电池模块的基本参数及出厂技术测试要求完成。

1.4.1 电压及内阻

测试温度选择室温为20℃±5℃，相对湿度为15～90%，大气压力为86 kPa～106 kPa，根据被测磷酸铁锂电池的物理特性和化学特性，在不考虑电池内部化学因素的情况下采用放电方法测量。

由于电流在线路中会产生压降，影响在线电压测量数据的精准度，为了解决这一问题，试验采用四线方式连接TEC-06电池容量测试仪连接被测电池组，用另外两根线在电池根部引出，这样检测内阻的原理最接近真实使用状况，连接方法如图4 TEC-06电池容量测试仪内阻检测连接示意图所示。

测试预设关断电压为2.5V，放电过程中检测仪会实时检测在线电压，并每隔几秒钟产生瞬间关断脉冲，在脉冲期间测量出开路电压，开路电压与在线电压的差值，再与放电电流的比值即被测单体的内阻，计算方法见公式（1）。

式中：

U_k——开路电压（V）;

U_z——在线电压（V）;

I_f——放电电流（A）;

r——内阻（Ω）。

本次试验选用外观无损伤的电池组样本共20个电池单体进行测量，电池单体所测内阻介于0.6～1.0mΩ之间，在数据比对的基础上，我们发现所测内阻与电池组的初始内阻均属于正态分布，这与文献资料研究成果^[1]具有相似的规律，符合拟合公式（2）。

式中：

f（x）——电池数目的相对比例;

x——各电池组的相对容量;

μ——电池的平均容量;

σ——分布的离散性。

1.4.2 容量测试

容量测试温度、湿度、相对湿度、大气压力与内阻测试条件相同，TEC-06电池容量测试仪将自动计算放电电流与时间的乘积，来检测电池的容量，如公式（3）所示。

I_f×t= C                                      （3）

式中：

I_f——放电电流（A）;

t——放电时间（s）;

C——电池容量（Ah）。

TEC-06电池容量测量仪通过联机线与电脑相，再通过专用的上位软件，就可以绘制出放电过程的的电压和电流曲线。根据被测20组样本所测数据分析，被测对象的电池容量属于正态分布，其电池容量下降11%～16.5%左右，容量偏差为19～24.5Ah。在充电模式下，电池容量明显减少，容量分布的离散性明显降低，这与公式（2）的试验结论基本保持一致。

2 单体封装

通过对电池单体内阻和容量的测试，我们从样本数据中挑选出内阻为0.7～0.8mΩ，容量介于17～18Ah的12个电池单体，利用铁氟龙高温线将电池单体利用顶端接线的方式进行封装，并配备中间继电器、逆变器、磷酸铁锂电池保护板、LED指示灯、插座、电源、风扇等器件，用4个温控开关连接电池保护板防止过热保护、过冲保护和短路保护，外层加铺青稞纸进行绝缘处理，应急储能设备内部结构如图5所示。

为了美观期间，应急储能设备的外部用黑色亚克力板进行包装，留有USB接口、三相电源插座、指示灯、显示屏、散热孔等，废旧动力电池制作的应急储能设备外观见图6所示，该设备可利用220V电压进行充电，充电过程中外接显

示屏会显示电压、电流、功率和电量等数据信息，充电完成后指示灯由红色变为绿色。放电默认配备60W照明灯，最大输出功率可达500W。试验过程连接台式计算机、笔记本、投影仪、音响、手机等用电器供电测试15次，充放电均正常。

3 结论

以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势，动力电池的性能随着电池使用的逐渐衰减，将达不到电动汽车的使用标准，由此引起电池的更新换代将导致废旧动力电池数量的不断增加，研究主要是以电动汽车使用量的与日俱增与废旧动力电池不断增加之间的矛盾为出发点，在安全保障条件下，利用院校现有实验（训）室设备，通过查阅文献资料、实验推理、数学归纳等方法，对比亚迪废旧磷酸铁锂电池進行拆解、测试、数据分析、重组等试验，完成应急储能设备的制作和测试。本课题利用废旧动力电池制作应急储能设备是在比亚迪汽车有限公司工程师的指导下，由西安汽车职业大学教学部门和校企合作办公室共同合作完成，具有校企共研、多部门合作、寓教于学、师生协创等特点，为废旧动力电池的梯次利用深层次研究提供一定的实验依据。

参考文献

[1] 王丰伟.退役动力电池剩余容量梯次利用的关键技术研究[D].沈阳工程学院，2017.