新能源汽车动力电池梯级利用技术分析

2020-07-20窦虎明于文竹赵徐美

农机使用与维修 2020年7期

窦虎明于文竹赵徐美

摘要：作为国家战略性新兴产业，新能源汽车是汽车工业未来发展和重大技术变革的重要方向。退役动力电池再利用发展前景日益突出，将退役动力电池用于中小型储能领域具有巨大的发展潜力。主要讨论了新能源汽车动力电池梯级利用技术，阐述了动力电池性能评估中电池容量与内阻的测试方法，分析了梯次利用电池的筛选方法、筛选步骤以及配组模式，为新能源汽车动力电池的梯级利用提供了一定的参考。

关键词：新能源汽车;动力电池;梯级利用

中图分类号：X705 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.017

0 引言

随着汽车工业的飞速发展，动力电池回收利用的发展前景日益突出，世界上对废旧锂电池的使用开展了广范研究[1]。中国政府和各部委宣布了多项研究政策，以指导废旧锂电池的使用，《国家节能新能源汽车产业发展规划（2011—2020年）》明确提出建立锂电池串联和循环利用体系。当前，大多数废旧锂电池使用方案都涵盖了储能领域，将锂电池用于中小型储能领域，如家庭储能、微电网和分布式发电等领域中具有巨大的发展潜力[2]。在现阶段，商业应用和促销活动仍有很大的发展空间，逐步的梯级利用技术突破将为大型商业应用提供广阔的发展前景。

1 动力电池性能评估

对于动力电池的评估，首先建立一套电池检查程序，性能一致的电池需要被快速和准确地筛选出来。与此同时，可以通过准确评估电池的运行状况，从而模拟和测试筛选的电池使用条件。为了确保电池的最大利用效率，不同电池容量的衰减程度是不同的，因此电池的一致性差异也较大。在使用的早期阶段，低压（12～15 V）模块的主要目标是为了减少对动力电池筛选的难度，继而减少对电池管理设计的复杂性。可是，伴随着使用电池时间的增加，在电池使用后期，其一致性会对电池效率产生比较大的影响，必须进行相应的调整。根据电池的实际情况，某些参数和过程需要更改[3]。在某些条件下，通过对电池模块进行配置，在电池使用早期阶段根据电池的健康状态进行监测和纠正，从而精确地获取电池的工作状况，进一步优化电池的制造过程，延长电池的循环寿命，并降低电池使用成本。

1.1 梯次利用电池容量测试

对于电池容量的定义，一般是指在特定的放电条件下，电池可以提供的电量，这会直接影响电池的最大寿命和最大工作电流[4]。对于电池理论容量来说，其是基于电池内部的化学活性物质决定的，因此通常理论容量仅仅是一种参考值，在实际应用中，电池的实际容量会小于理论容量。当然，电池容量也会受工作的温度、环境等因素的影响。对于废旧动力电池来说，本身是退役的动力电池，在实际容量方面必然存在一定的下降，因此，必须在废旧动力电池再次利用之前测试这些电池的容量特性。

1.2 梯次利用电池内阻特性

直流内阻可以通过复合脉冲电流法测量[5]。将电流阶跃信号输入电池，并根据欧姆定律，通过测量相应的电压变化值，获得直流内部电阻。电池组为50%放置1 h后，电池会极化并稳定下来，首先在1/3电量下放电270 s，然后在1/3 电量下充电270 s。充电条件下的电池放电过程如图1所示，当电池开始放电时，会出现瞬时电压降ΔU1，这是由电池的欧姆内阻引起的。

从图1中可以看出，在10～20 s阶段，电池开路电压产生了△U1的压降，这一阶段主要是由于极化和充电状态变化导致的。在该阶段的过程中，对于电池的内阻来说，它是由于电池内部化学反应离子浓度造成的。随着电池逐渐放电结束，电池会产生一个△U2的电压增加值。所以，对于内部电阻的计算，可以通过测量上升电压得出。在之后的阶段中，电压随着时间上升，在电池内部发生的电化学反应停止，电池的极化效果逐步消失，电池电压趋于稳定。

1.3 电池倍率性能测试

由于使用环境、工作条件以及废旧动力电池的充电和放电率不同，对于动力电池来说，其损坏的程度也不同。如果对废旧电池进行再次使用，需要对电池倍率进行性能测试，而且将有利于保障电池再次使用的循环寿命，提高电池工作的安全性。

2 梯次利用技术

2.1 梯次利用电池筛选方法

为了分层使用车辆电池，必须将废旧电池重新筛选成组。筛选和重新组合电池的过程如图2所示，放置12 h，然后将利用测试平台对动力电池组进行数据采集和测试。对动力电池进行预处理是第一步，接下来测试整个电池包容量、每个单体电池的容量和内阻、电池的自放电率，然后在完成所有测试后断开与测试平台的连接线路，最后单个电池的容量值分级重组新的电池模组，基于不同储能系统的功能需求进行组装。

2.2 电池梯次利用筛选步骤

（1）筛选出额定容量低于50%的单体电池。对于单体电池循环寿命来说，退役后的电池额定容量达不到50%时，不满足在动力电池汽车上继续使用的要求，需要筛选出来。

（2）剔除容量低于平均容量10%的单体电池。对于电池来说，使用过程中遵循正态分布的特点，基于电池容量统计分布的规律，剔除电池容量低于平均容量10%的电池。

（3）剔除内阻大于平均内阻50%的单体电池。由于电池工作过程中，温度条件和供电要求均对内阻阈值做了一定设定，因此内阻大于平均内阻50%的单体电池需要被剔除。

对满足容量要求的电池，根据电池发热条件和具体供电要求设置内阻阈值，内阻超过平均内阻50%的电池除外。

（4）剔除自放電率大于阈值的单体电池。由于电池除满足容量和电池内阻之外，还需要满足一定的自放电阈值，因此需要剔除自放电率大于阈值的单体电池。

在完成筛选出额定容量低于50%的单体电池，剔除容量低于平均容量10%、内阻大于平均内阻50%、自放电率大于阈值的电池后，则可以得到符合条件的梯级利用的重组电池。

2.3 梯次利用电池配组

通过以上梯次利用电池的筛选方法、筛选步骤后，依据电池容量值的不同的等级，进而完成电池配组，最终形成梯级利用的重组电池。

3 结论

退役动力电池再利用发展前景日益突出，将退役动力电池用于中小型储能领域具有巨大的发展潜力。本文主要讨论了新能源汽车动力电池梯级利用技术，阐述了动力电池性能评估中电池容量与内阻的测试方法，分析了梯次利用电池的筛选方法、筛选步骤以及配组模式，为新能源汽车动力电池的梯级利用提供了一定的参考。

参考文献：