動力鋰電池梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)研究

仝瑞軍

（深圳市科列技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518052）

國務(wù)院頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020）》提出了產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)[1]：到 2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭達(dá)到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛。以平均每輛30kW時(shí)電池用量計(jì)，500萬輛電動汽車在用電池1500億W時(shí)，以年10%報(bào)廢率計(jì)，報(bào)廢電池達(dá)150億W時(shí)。這些報(bào)廢電池雖然不能滿足電動汽車使用要求，但仍可在對電池性能要求較低的場合繼續(xù)使用。由于儲能系統(tǒng)對電池的性能要求較電動汽車低，電動汽車報(bào)廢的電池具備在儲能系統(tǒng)尤其是小規(guī)模的分布儲能系統(tǒng)繼續(xù)使用的條件。通過這種梯次利用方式，可以延長電池使用壽命，降低動力鋰電池全壽命周期成本。動力鋰電池梯次利用技術(shù)，對于推動電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展、儲能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用以及節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1 動力鋰電池回收的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)動力鋰電池?zé)o法滿足電動汽車?yán)^續(xù)使用時(shí)，淘汰下來通過篩選可以按級別分別使用到儲能領(lǐng)域。因此，如何有效篩選是關(guān)鍵。目前各種內(nèi)阻檢測方法成本高，可商業(yè)化程度低，只能應(yīng)用于研究和測試，真正能夠商業(yè)化運(yùn)作的方法還是通過對鋰電池二次化成的方式篩選。傳統(tǒng)的化成方法是通過電阻放電的耗能式化成，效率低，數(shù)字化程度低，利用這種方法二次化成，高昂的電費(fèi)將導(dǎo)致回收失去了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過研究開發(fā)一種全數(shù)字化高效能量回饋型化成單元，將篩選化成過程變成：高效率，盡量減少二次附加成本；實(shí)時(shí)全數(shù)字化監(jiān)控，可以存儲實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)；自動篩選，建立數(shù)學(xué)篩選模型，通過軟件自動篩選出不同級別的可再利用電池[2-3]。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的核心是高效的雙向DC/DC變換器。雙向DC/DC變換器是一種能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量雙向傳輸?shù)闹绷髯儞Q器（圖1）。雙向變換是指DC/DC變換器的雙象限運(yùn)行，變換器的輸出狀態(tài)可在V-I平面的一、二象限內(nèi)變化。即它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的需要，對雙向DC/DC變換器的需求也日益增多，其主要應(yīng)用于航空航天電源系統(tǒng)、艦載電源、直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、蓄電池儲能/不停電電源系統(tǒng)、電動汽車/混合能源動力汽車車載電源等場合。與傳統(tǒng)的使用兩個(gè)單向DC/DC變換器來達(dá)到能量雙向傳輸目的的方案相比,雙向DC/DC變換器使用同一個(gè)變換器來實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，因而使用的器件數(shù)目得以減少，而且可以更高效地進(jìn)行兩個(gè)方向功率變換的切換。這類變換器具有高轉(zhuǎn)換效率、高功率密度、功率能雙向流動、動態(tài)性能好、體積小、成本低等優(yōu)勢。在低壓大電流場合，一般雙向DC/DC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，以利于降低通態(tài)損耗。傳統(tǒng)的雙向DC/DC變換器拓?fù)浯蠖嗍侨珮?、半橋、推挽及反激的簡單組合。這樣的好處在于：由于這幾種結(jié)構(gòu)較為成熟，因而對電路中產(chǎn)生的問題也比較容易分析。不過，隨著近幾年對雙向DC/DC變換器研究的不斷深入，這些傳統(tǒng)拓?fù)湟呀?jīng)不能完全滿足研究上的需要，因而提出了一些新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如高效的正激拓?fù)洌▓D2）。同時(shí)應(yīng)用同步整流技術(shù)，使得結(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單、成本低、導(dǎo)通損耗小[4-5]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要為兩部分：一部分為雙向變換器的數(shù)字化控制，可以通過通訊端口任意設(shè)置變化器的工作方向和工作電流；另一部分為可編程的鋰電篩選曲線，曲線的植入會根據(jù)不同的鋰電池特性進(jìn)行個(gè)性化定制，建立篩選數(shù)學(xué)模型（圖3）。

通過化成數(shù)據(jù)擬合曲線，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行自動分類篩選，即把曲線擬合度相似的電池通過終端軟件顯示出來。圖4列出了3個(gè)分類篩選等級示例：如V1電池在（3.5 V，65%SOC）時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，凡在此拐點(diǎn)（10%誤差范圍內(nèi)）的電池均歸類為一個(gè)等級。其它同理。

2 基于關(guān)鍵技術(shù)形成的產(chǎn)品

2.1 高效鋰電池化成系統(tǒng)

關(guān)鍵技術(shù)完成后，首先應(yīng)用在現(xiàn)有鋰電化成設(shè)備中，可以替換鋰電池廠現(xiàn)有的耗能式化成設(shè)備。目前化成費(fèi)用是鋰電生產(chǎn)成本組成的一部分（其它還有原材料成本和廢品率成本等），降低化成電費(fèi)，可以降低鋰電成本，對于鋰電市場化銷售具有極大的推進(jìn)作用[6-7]，而且也有效解決了耗能式化成的故障率高、發(fā)熱等缺點(diǎn)。如圖5所示。

2.2 智能主動均衡電池管理系統(tǒng)

篩選后的鋰電池再梯次應(yīng)用在儲能場合，需要配備管理系統(tǒng)，基于此關(guān)鍵技術(shù)的智能主動均衡管理系統(tǒng)可以有效增加儲能電池組的后備時(shí)間和循環(huán)壽命。

目前，市場中的絕大多數(shù)鋰電池管理系統(tǒng)是能耗型的均衡方式。由于雙向無損均衡鋰電池管理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)先，目前核心技術(shù)尚掌握在少數(shù)擁有技術(shù)優(yōu)勢的廠家手中。一旦雙向無損均衡的技術(shù)以其極高的性能優(yōu)勢，配以規(guī)模經(jīng)濟(jì)帶來的成本優(yōu)勢，將迅速占領(lǐng)該市場的絕大部分市場份額[8]。

隨著動力鋰電池在不同行業(yè)的推廣，各種應(yīng)用對BMS的要求越來越高，采用原先管理鉛酸電池的產(chǎn)品已經(jīng)不能管理鋰電池；與鉛酸電池不同，鋰電池對過充、過放敏感，存在天然的不一致性問題。為解決動力鋰電池的不一致性問題，業(yè)界采用兩種均衡技術(shù)：主動均衡技術(shù)和被動均衡技術(shù)。其中被動均衡技術(shù)含量低，其均衡的能量全部以發(fā)熱的形式損耗掉，均衡能力小（一般小于100mA）；主動均衡技術(shù)具有均衡效率高（效率60%～95%的能量可以再次利用），均衡電流大（可達(dá)數(shù)安培），但是技術(shù)難度高，控制復(fù)雜，開發(fā)投入大。

目前國際上只有英飛凌、德州儀器（TI）、國家半導(dǎo)體（NS）等大公司進(jìn)行了鋰電池主動均衡技術(shù)的研究。其中英飛凌提出了變壓器主動均衡方式，即整組電池和單組電芯進(jìn)行能量交換；德州儀器提出POWERPUMP相鄰轉(zhuǎn)移的能量交換方式；國家半導(dǎo)體提出了雙向變壓器方式，即通過分時(shí)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)整組電池盒單組電芯之間的能量交換。以上方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和使用場合的局限性，但目前都不具備商業(yè)化使用條件。

基于雙向DC/DC變換關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的智能主動均衡鋰電池管理系統(tǒng)，可以解決電動汽車的續(xù)航里程和鋰電池的循環(huán)使用壽命，綜合利率用提高20%以上[9-13]。

2.3 輻射帶動作用

該項(xiàng)目的完成將促進(jìn)國家新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升電動汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平通過梯次利用，不僅可以讓鋰電池性能得到充分的發(fā)揮，有利于節(jié)能減排，還可以緩解大量動力鋰電池進(jìn)入回收階段給回收工作帶來的壓力；為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，改善人類居住環(huán)境做出更大的貢獻(xiàn)，同時(shí)帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1）推動鋰電儲能產(chǎn)業(yè)的市場化進(jìn)程。目前儲能鋰電池的應(yīng)用也受限于高成本，而且不像電動車行業(yè)有國家補(bǔ)貼?；趦δ茕囯姵氐囊筮h(yuǎn)小于動力鋰電池，這樣動力鋰電池回收篩選后可以用在儲能場合，降低了使用成本，極容易推動鋰電儲能產(chǎn)業(yè)的市場化。

2）降低鋰電廠化成成本。鋰電池在初次生產(chǎn)過程中一樣存在化成過程，需要消耗大量的電力能源，通過雙向變換器，可以降低80%以上的電力消耗，大大降低鋰電化成成本。

3）提高電動車?yán)m(xù)航里程和循環(huán)使用壽命。使用雙向主動均衡的電池管理系統(tǒng)，可有效延長電動車的續(xù)航里程，并增加電池循環(huán)使用壽命。鋰電池使用過程中出現(xiàn)的不均衡，類似木桶原理，任意一串電池短板都會造成整組電池續(xù)航里程的縮短。主動均衡有效矯正容量不匹配電池，增加續(xù)航里程，延長循環(huán)使用壽命。

3 結(jié)束語

目前鋰電池發(fā)展階段，在積極發(fā)展純電動客車以及研究電池PACK和管理技術(shù)的同時(shí)，也需要同時(shí)啟動電池回收和再利用技術(shù)的研究，這樣才能更好地發(fā)揮鋰電的特點(diǎn)。

[1]國務(wù)院.（國發(fā)〔2012〕22號）節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020）[EB/OL].（2012-07-09）[2013-10-08].http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/09/content_2179032.htm

[2]黎宇科,周瑋,黃永和.建立我國新能源汽車動力電池回收利用體系的設(shè)想[J].資源再生,2012，（1）：28-30.

[3]劉晶,蔡國強(qiáng),劉海波.基于Agent的電動汽車電池回收模型研究[J].物流技術(shù),2012，（15）：298-301.

[4]童亦斌，吳峂，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓?fù)溲芯縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，（5）

[5]張雪圓.用于電池化成設(shè)備的雙向DC/DC變換器的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[6]趙英杰.單體電池化成設(shè)備的研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[7]謝鈺敏.動力鋰電池化成控制系統(tǒng)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[8]趙奇修.鋰離子電池組管理系統(tǒng)研究[D].南昌：中國民用航空飛行學(xué)院，2012.

[9]深圳市科列技術(shù)有限公司.一種電池管理系統(tǒng)的動態(tài)均衡方法及其動態(tài)均衡電路：中國，CN201010259149.3[P].2010-12-15.

[10]荊門東光新能源科技有限公司.一種動力鋰電池組填谷式均衡模塊：中國，CN201210035225.1[P].2012-07-18.

[11]趙平強(qiáng).電動單軌吊動力鋰電池組智能管理系統(tǒng)的研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2010.

[12]張濤.一種鋰電池組的主動式均衡器：中國，CN201120443061.7[P].2012-07-11.

[13]中航鋰電（洛陽）有限公司.鋰電池組主動均衡電路：中國，CN201120564630.3[P].2012-09-29.