退役電池初始容量性能及其離散性

 

退役電池存在先天的一致性差，表現(xiàn)在電池間存在比新電池更為明顯的電壓差、內(nèi)阻差及容量差，還表現(xiàn)為電池間前述外特性參數(shù)分布特性不均一。

 

本文選取了兩組研究樣本。第一個(gè)研究樣本來(lái)自公交大巴換電模式運(yùn)行5年后的退役電池。電池為軟包磷酸鐵鋰，單體額定容量22 Ah，電池模塊由單體電池以2串12并組成(模塊規(guī)格：6.4 V，額定容量264 Ah)。

 

從中選取了56個(gè)電池模塊，對(duì)其放電容量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 743-2016《電動(dòng)汽車用鋰子蓄電池》。本實(shí)驗(yàn)中采用的電池容量測(cè)試方法如下：在20±5℃條件下，先將電池殘余電量放完，靜置15 min，以0.3 C對(duì)電池恒流充電至3.65 V轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.05 C，認(rèn)為電池充滿電。靜置0.5 h后，以0.5 C恒流放電至電壓降到2.8 V，記錄放電電量作為電池的容量。

 

第二個(gè)研究樣本來(lái)自出租車投運(yùn)4年后的退役電池。電池為鋁殼磷酸鐵鋰，單體電池額定容量200 Ah，單個(gè)模塊由單體電池以8串1并組成(模塊規(guī)格：25.6 V，額定容量200 Ah)。

 

從中選取了132個(gè)電池模塊，對(duì)其放電容量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法與前述樣本1的相同。測(cè)試結(jié)果見圖2，從圖中可以看出，模塊最大容量為182.854 Ah，最小容量為150.139 Ah，最大、最小容量差值為32.715 Ah，剩余容量分布在75%～92.5%，均分布在75%及以上區(qū)間。

 

綜上所述，大巴車和出租車退役電池模塊剩余容量均表現(xiàn)出明顯的離散性。但是，本文中樣本2的剩余容量百分?jǐn)?shù)及剩余容量一致性明顯優(yōu)于樣本1。

 

新電池配組時(shí)通常按容量差不大于±3%的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，若退役電池梯次利用配組時(shí)執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，將有很大比例的電池?zé)o法配組再利用。鑒于退役電池離散性明顯的特征，其電池模塊不可能處于同一容量差區(qū)間內(nèi)，而只有處于同一容量差區(qū)間的電池模塊才可配組使用。以研究樣本1為例，當(dāng)配組標(biāo)準(zhǔn)定為±3%時(shí)，有66個(gè)模塊(50%比例)處于同一容量差區(qū)間內(nèi)，其余66個(gè)模塊則分別分布于5個(gè)不同的容量區(qū)間。即若配組標(biāo)準(zhǔn)按容量差不大于±3%的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)，分布于6個(gè)不同容量差區(qū)間內(nèi)的電池模塊無(wú)法配組成1組電池以梯次利用，詳見表1。

 

因此，對(duì)于批量退役電池梯次利用，一種技術(shù)路線是通過(guò)電池管理技術(shù)彌補(bǔ)電池間的不一致性，另一種技術(shù)路線是在儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用更多的并聯(lián)支路，使每一支路電池(或電池模塊)數(shù)量較少，有較小的容量差和較好的一致性。

 

之前的研究已發(fā)現(xiàn)，退役電池在壽命結(jié)束前衰減呈加速特征。如圖3所示，退役軟包磷酸鐵鋰單體電池在1 C充放電條件下循環(huán)700次，剩余容量為80%左右，循環(huán)700次以后電池容量下降非常明顯，到780 次時(shí)剩余容量?jī)H剩2 Ah左右。

 

1、實(shí)驗(yàn)方法及條件

 

以前述電池樣本1為研究對(duì)象，從近200個(gè)退役電池模塊中隨機(jī)抽取5個(gè)模塊，將這5個(gè)退役電池模塊拆成單體電池，共計(jì)120支單體電池，從中隨機(jī)抽取12支(#1～#12)，開展性能循環(huán)測(cè)試，共計(jì)循環(huán)2000次左右。

 

容量測(cè)試參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 743-2016，結(jié)合所選用電池樣本的基本參數(shù)和出廠技術(shù)測(cè)試要求進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中采用的電池容量測(cè)試方法如下：在20±5℃條件下，先將電池殘余電量放完，靜置15 min，以0.3 C對(duì)電池恒流充電至3.65 V轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.05 C，認(rèn)為電池充滿電。靜置0.5 h后，以0.5 C恒流放電至電壓降到2.8 V，記錄放電電量作為電池的容量。

 

2、退役電池衰減特性

 

以#2～#4電池的容量循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)為樣本，研究分析了其衰減特性，初始放電容量分別為17.7、17.6 Ah及17.9 Ah。與新電池比，剩余容量分別為80.5%、80%、81.4%。經(jīng)過(guò)近2000次循環(huán)后，其放電容量分別下降至16.4、16.5 Ah及16.7 Ah，與新電池比，剩余容量分別為74.5%、75%及75.9%。#2～#4退役單體電池的容量循環(huán)曲線見圖4、圖5及圖6。

 

由圖可見，在退役電池循環(huán)衰減過(guò)程中，其充放電容量與循環(huán)次數(shù)總體呈線性關(guān)系，但每發(fā)生一次容量衰減突變(即容量循環(huán)曲線的尖峰處)，都會(huì)伴隨有較為明顯的容量下降趨勢(shì)(雖然經(jīng)歷衰減突變后，其充放電容量都會(huì)有小幅上升)。直至下一次的容量衰減突變發(fā)生，電池充放電容量將開始下一階段的明顯下降趨勢(shì)，如此往復(fù)循環(huán)。

 

綜上所述，在循環(huán)過(guò)程中，雖然退役電池不可避免存在性能衰減的現(xiàn)象，但是從其衰減后的剩余容量及容量衰減率看，退役電池具有較為理想的梯次利用價(jià)值。

 

3、退役電池容量衰減突變現(xiàn)象

 

在隨機(jī)循環(huán)測(cè)試的12支退役單體電池中， #1電池在循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)容量衰減突變?yōu)? mAh的現(xiàn)象。#1電池的初始放電容量為17.7 Ah，與新電池比，剩余容量為80.5%。在1243次循環(huán)之前，電池充放電容量與循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)很好的線性關(guān)系，與#2～#4電池一樣，每發(fā)生一次容量衰減突變，都會(huì)伴隨有較為明顯的容量下降趨勢(shì)。在循環(huán)至1243次時(shí)，放電容量突然降至0.12 Ah，與新電池比，剩余容量為0.55%。此后繼續(xù)衰減至接近0 Ah，如圖8所示。

 

 

#1退役電池的容量衰減率曲線見圖9，在循環(huán)至1242次之前，其衰減率平均為4.4%，且在1242次之前，容量衰減率與循環(huán)次數(shù)間保持較好的線性關(guān)系。循環(huán)至1243次及以后，容量衰減率突然增大近100%。

 

在本次抽樣實(shí)驗(yàn)研究中，12支單體電池循環(huán)2000次左右后，僅#1電池出現(xiàn)了上述衰減突變現(xiàn)象，發(fā)生概率為8.3%。由此可見，退役電池性能衰減在2000次內(nèi)突變是不可預(yù)測(cè)的現(xiàn)象，但存在發(fā)生可能性，且發(fā)生概率不低。這種容量衰減突變現(xiàn)象對(duì)梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠運(yùn)行是較大的挑戰(zhàn)，一方面需要研究電池容量跳水等性能衰減、突變預(yù)警技術(shù)，另一方面應(yīng)設(shè)計(jì)靈活的儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便可以隔離突然失效電池所在支路，保證尚未失效支路可以正常工作。