鋰離子電池具有比能量高、高溫特性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池的性能要求較高，當(dāng)動(dòng)力電池的容量下降到一定程度后，為了確保電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能、續(xù)駛里程和運(yùn)行過(guò)程中的安全性能，必須對(duì)其進(jìn)行更換。通常，從電動(dòng)汽車(chē)上更換下來(lái)的退役動(dòng)力電池(簡(jiǎn)稱“退役電池”)，仍具有較高的剩余容量，經(jīng)過(guò)篩選和重新配組，可應(yīng)用于運(yùn)行環(huán)境相對(duì)良好、充放電工況相對(duì)溫和、對(duì)電池性能要求相對(duì)較低的儲(chǔ)能場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(píng)估、成組均衡、運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)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(dòng)車(chē)、助力車(chē)、直流電源、微電網(wǎng)等場(chǎng)景，在大規(guī)模儲(chǔ)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(kāi)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(dòng)力電池及鋰離子動(dòng)力電池中挑選可再利用電池的方法，并測(cè)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(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池梯次利用的分級(jí)方法，將電池健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果與電池的使用條件結(jié)合起來(lái)，對(duì)梯次利用動(dòng)力電池進(jìn)行分級(jí)。吳文龍等發(fā)明了一種退役電池梯次利用分選評(píng)估方法，并開(kāi)發(fā)出電池?zé)o損分選檢測(cè)技術(shù)，可分選出剩余容量較高的退役電池。張彩萍等測(cè)試分析了退役電池循環(huán)過(guò)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(píng)價(jià)方法，建立了基于核心關(guān)鍵參量的電池健康狀態(tài)評(píng)估方法體系，通過(guò)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(kāi)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(diǎn)在于可以準(zhǔn)確評(píng)估識(shí)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(kāi)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(jí)電容器，為電壓劣化明顯的電池提供尖峰能量，實(shí)現(xiàn)電池均衡和能量管理。趙光金等提出了主被動(dòng)協(xié)同響應(yīng)的退役電池均衡技術(shù)，其中主動(dòng)均衡采用DC-DC能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，被動(dòng)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。

 

總結(jié)上述研究現(xiàn)狀可知，目前缺少對(duì)典型退役電池循環(huán)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果的研究，不利于后續(xù)電池梯次利用重組方法及衰減特性的研究。多個(gè)早期投運(yùn)的退役電池梯次利用儲(chǔ)能示范工程多已退運(yùn)，運(yùn)行過(guò)程中個(gè)別電池模塊性能存在衰減加速、突變的現(xiàn)象較為普遍，但是相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及典型故障分析未見(jiàn)報(bào)道，其分析表征方法還不完善，不利于規(guī)?；荽卫脙?chǔ)能技術(shù)推廣。

 

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(chē)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。

 

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(jiàn)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(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(jiàn)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。

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(kāi)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(jiàn)圖4、圖5及圖6。

 

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。

 

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(jiàn)，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。

 

(1)純電動(dòng)大巴和純電動(dòng)出租汽車(chē)兩類退役磷酸鐵鋰電池模塊容量測(cè)試結(jié)果表明，退役電池模塊間容量差均較為明顯，離散性突出，不利于電池重組。

 

(2)以退役單體電池為研究對(duì)象，抽樣測(cè)試了12支單體電池的循環(huán)性能，2000次充放電循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，絕大多數(shù)退役電池仍具有較好的循環(huán)性能，其容量衰減與循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，其容量衰減率不超過(guò)8%，具有較理想的梯次利用價(jià)值。

 

(3)退役單體電池2000次充放電循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，個(gè)別退役電池存在容量突變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，本文研究抽樣樣本中，其發(fā)生概率為8.3%。為保證退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性，應(yīng)針對(duì)性開(kāi)展容量跳水預(yù)警技術(shù)研究。