解析退役磷酸鐵鋰電池容量一致性及衰減特征
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-01 10:25
點擊量：次
研究發(fā)現(xiàn)，退役電池剩余容量及容量衰減特性滿足梯次利用要求，但是容量不一致性給電池重組及管理帶來了挑戰(zhàn)，同時個別電池容量存在衰減突變現(xiàn)象，影響梯次利用儲能系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
鋰離子電池具有比能量高、高溫特性好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類電動汽車。電動汽車對動力電池的性能要求較高，當(dāng)動力電池的容量下降到一定程度后，為了確保電動汽車的動力性能、續(xù)駛里程和運(yùn)行過程中的安全性能，必須對其進(jìn)行更換。
通常，從電動汽車上更換下來的退役動力電池(簡稱“退役電池”)，仍具有較高的剩余容量，經(jīng)過篩選和重新配組，可應(yīng)用于運(yùn)行環(huán)境相對良好、充放電工況相對溫和、對電池性能要求相對較低的儲能場合，實現(xiàn)動力電池的梯次利用。
退役電池梯次利用的核心技術(shù)主要包括電池分選評估、成組均衡、運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性評估等技術(shù)。退役電池重組集成后，目前主要應(yīng)用于低速電動車、助力車、直流電源、微電網(wǎng)等場景，在大規(guī)模儲能技術(shù)領(lǐng)域也有應(yīng)用可能性。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)從不同技術(shù)及應(yīng)用角度開展了相應(yīng)的研究。
E.L. Schneider等詳細(xì)研究了從大量退役鎳氫動力電池及鋰離子動力電池中挑選可再利用電池的方法，并測試分析了這些電池的性能，發(fā)現(xiàn)其剩余容量十分可觀。郭劍波等發(fā)明了一種電動汽車動力電池梯次利用的分級方法，將電池健康狀態(tài)評估結(jié)果與電池的使用條件結(jié)合起來，對梯次利用動力電池進(jìn)行分級。
吳文龍等發(fā)明了一種退役電池梯次利用分選評估方法，并開發(fā)出電池?zé)o損分選檢測技術(shù)，可分選出剩余容量較高的退役電池。張彩萍等測試分析了退役電池循環(huán)過程中容量和內(nèi)阻變化特性，進(jìn)而研究其老化特性，發(fā)現(xiàn)二者離散性的增加伴隨著電池明顯的老化。趙光金等研究出一種退役單體電池可用性評價方法，建立了基于核心關(guān)鍵參量的電池健康狀態(tài)評估方法體系，通過容量、內(nèi)阻、循環(huán)性能及隔膜降解特性篩選可梯次利用的單體電池。
Jae Wan Park等開發(fā)了一種退役電池組能量管理單元，該管理單元最大的亮點在于可以準(zhǔn)確評估識別電池模組中性能最差的電池，并采取相應(yīng)的均衡管理措施。Wu-Yang Sean 等開發(fā)了一種高轉(zhuǎn)換效率的退役電池能量管理系統(tǒng)：在電池能管理系統(tǒng)上并聯(lián)超級電容器，為電壓劣化明顯的電池提供尖峰能量，實現(xiàn)電池均衡和能量管理。
趙光金等提出了主被動協(xié)同響應(yīng)的退役電池均衡技術(shù)，其中主動均衡采用DC-DC能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，被動均衡為傳統(tǒng)的并聯(lián)熱電阻方法，在此基礎(chǔ)上研制出的電池管理系統(tǒng)在充、放電階段均可進(jìn)行能量均衡。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。第一個研究樣本來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個電池模塊，對其放電容量進(jìn)行了測試，測試方法參考國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 743-2016《電動汽車用鋰子蓄電池》。本實驗中采用的電池容量測試方法如下：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。
第二個研究樣本來自出租車投運(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個電池模塊，對其放電容量進(jìn)行了測試，測試方法與前述樣本1的相同。測試結(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。
新電池配組時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，有66個模塊(50%比例)處于同一容量差區(qū)間內(nèi)，其余66個模塊則分別分布于5個不同的容量區(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，分布于6個不同容量差區(qū)間內(nèi)的電池模塊無法配組成1組電池以梯次利用，詳見表1。
因此，對于批量退役電池梯次利用，一種技術(shù)路線是通過電池管理技術(shù)彌補(bǔ)電池間的不一致性，另一種技術(shù)路線是在儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計時采用更多的并聯(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。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 次時剩余容量僅剩2 Ah左右。
