磷酸鐵鋰動(dòng)力電池梯次利用可行性分析研究

劉仕強(qiáng)， 王 芳， 柳東威， 樊 彬， 任 山

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池梯次利用可行性分析研究

劉仕強(qiáng)， 王 芳， 柳東威， 樊 彬， 任 山

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，從電動(dòng)汽車上淘汰下的動(dòng)力電池將大量出現(xiàn)。車用動(dòng)力電池直接進(jìn)入材料回收模式將造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。將淘汰的車用動(dòng)力電池用于其他工況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯次利用，可以有效延長動(dòng)力電池的全壽命周期，降低動(dòng)力電池的使用成本，提高資源的有效利用率。以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，通過常規(guī)循環(huán)和典型電網(wǎng)儲(chǔ)能工況循環(huán)，分析動(dòng)力電池放電容量、直流內(nèi)阻、可用功率等特性參數(shù)的變化規(guī)律，研究磷酸鐵鋰動(dòng)力電池電網(wǎng)儲(chǔ)能工況梯次利用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下，動(dòng)力電池放電容量衰減速率不同。常規(guī)循環(huán)衰減較快，電網(wǎng)儲(chǔ)能工況衰減緩慢，但均遵循的線性關(guān)系衰減。淘汰的車用動(dòng)力電池用于電網(wǎng)儲(chǔ)能工況，可有效增加約3年使用周期，大幅延長動(dòng)力電池的壽命周期。

梯次利用；電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；電網(wǎng)儲(chǔ)能；磷酸鐵鋰

在電動(dòng)汽車行業(yè)高速發(fā)展的幾年內(nèi)，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是車用動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力電池的車用壽命即將終結(jié)。因此，這些電池均面臨被處理的情況。

通常情況下，普遍認(rèn)為在電動(dòng)汽車工況下，動(dòng)力電池的放電容量衰減至初始容量的80%時(shí)即無法滿足車用要求，必須予以更換，以維持電動(dòng)汽車的性能。隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，無法滿足電動(dòng)汽車性能要求的動(dòng)力電池將大量出現(xiàn)。在這種情況下，如果將動(dòng)力電池直接進(jìn)行拆解回收，勢(shì)必導(dǎo)致動(dòng)力電池的絕大部分壽命未得到充分利用，造成資源的極大浪費(fèi)，增加動(dòng)力電池的使用成本[1-2]。

實(shí)際上，容量衰減至80%的動(dòng)力電池仍然有較好的性能和較長的壽命，可以滿足一些對(duì)性能要求不苛刻的領(lǐng)域，例如電網(wǎng)儲(chǔ)能、削峰填谷、低速電動(dòng)車、場(chǎng)地車等使用環(huán)境[3-4]。

本文依據(jù)QC/T743《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池》及某典型電網(wǎng)儲(chǔ)能工況對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲(chǔ)能工況模擬實(shí)驗(yàn)，分析放電容量、直流內(nèi)阻、可用功率等表征動(dòng)力電池壽命的性能指標(biāo)，研究動(dòng)力電池的性能衰減規(guī)律，以實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證磷酸鐵鋰動(dòng)力電池電網(wǎng)儲(chǔ)能工況梯次利用的可行性。

1 測(cè)試方法及技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中首先根據(jù)QC/T 743《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池》[5]進(jìn)行常規(guī)循環(huán)，每隔100次循環(huán)測(cè)定動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻、可用功率等特性參數(shù)，直至動(dòng)力電池的放電容量低于初始容量的80%時(shí)，認(rèn)定動(dòng)力電池?zé)o法滿足電動(dòng)汽車工況運(yùn)行。完成1C常規(guī)循環(huán)后，根據(jù)電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況進(jìn)行儲(chǔ)能工況循環(huán)，每周測(cè)定動(dòng)力電池的特性參數(shù)。

常規(guī)循環(huán)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)方法為：(1)1C倍率充電至充電截止條件；(2)靜置30 min；(3)1C倍率放電至放電截止條件；(4)靜置30 min。

電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況參照電網(wǎng)某處實(shí)際用電功率工況，經(jīng)整理擬合而得，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況

特性測(cè)試依據(jù)FreedomCAR的《功率輔助型混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池測(cè)試手冊(cè)》中的混合功率脈沖測(cè)試(HPPC)進(jìn)行，具體測(cè)試脈沖如圖2所示。

圖2 混合功率脈沖測(cè)試(HPPC)測(cè)試脈沖示意圖

測(cè)試過程中記錄各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓和電流值，根據(jù)手冊(cè)中的公式分別計(jì)算放電直流內(nèi)阻、充電直流內(nèi)阻、放電可用功率和充電可用功率。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 常規(guī)循環(huán)

實(shí)驗(yàn)樣品首先進(jìn)行常規(guī)循環(huán)。常規(guī)循環(huán)中動(dòng)力電池進(jìn)行滿充滿放，在每個(gè)循環(huán)中均可獲取實(shí)驗(yàn)樣品的放電容量。動(dòng)力電池樣品的初始容量為61.32 Ah，經(jīng)過2 529次循環(huán)，電池樣品的放電容量衰減至47.67 Ah，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在循環(huán)過程中，動(dòng)力電池的放電容量不斷變小。通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，循環(huán)過程中，動(dòng)力電池樣品放電容量與循環(huán)次數(shù)呈高度線性關(guān)系。圖3中顯示的R2值說明曲線擬合度較高，符合放電容量衰減的趨勢(shì)。

常規(guī)循環(huán)過程中，每隔100次循環(huán)，測(cè)定動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻及可用功率等特性參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 動(dòng)力電池常規(guī)循環(huán)直流內(nèi)阻變化

圖5 動(dòng)力電池常規(guī)循環(huán)可用功率變化

圖4中是動(dòng)力電池不同SOC狀態(tài)下的直流內(nèi)阻變化曲線。從圖4中可以看出，除SOC為10%以外，其他SOC下動(dòng)力電池直流內(nèi)阻變化的趨勢(shì)基本相同。在實(shí)驗(yàn)初期，測(cè)試樣品的直流內(nèi)阻上升較快，在500次循環(huán)之后，測(cè)試樣品的直流內(nèi)阻值波動(dòng)較大，并且有小幅增大趨勢(shì)。由于動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻受溫度影響較大，而該實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，并且持續(xù)時(shí)間較長，因此直流內(nèi)阻值波動(dòng)的原因可能是環(huán)境溫度變化。

從圖5中可以看出，10%SOC時(shí)的可用功率呈不斷衰減趨勢(shì)，在整個(gè)循環(huán)過程中變化較為明顯。20%SOC時(shí)的可用功率在循環(huán)次數(shù)超過2 000次后，亦不斷衰減，變化較大。但是其他SOC下的可用功率在經(jīng)過循環(huán)初期的快速衰減后，一直處于不斷波動(dòng)，小幅下降的狀態(tài)。

在該動(dòng)力電池的放電容量低于初始容量的80%時(shí)，認(rèn)為單次充電的續(xù)駛里程不能滿足電動(dòng)汽車的要求，判定該動(dòng)力電池的車載壽命終結(jié)。課題組將該動(dòng)力電池進(jìn)行電網(wǎng)儲(chǔ)能工況下的模擬實(shí)驗(yàn)，研究該廢舊動(dòng)力電池應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能工況的可行性。

2.2 電網(wǎng)儲(chǔ)能工況循環(huán)

動(dòng)力電池用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用是對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行峰谷調(diào)節(jié)，為局域網(wǎng)提供緊急功率和峰荷的電力支持，平抑電網(wǎng)充電行為的隨機(jī)性，控制電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

動(dòng)力電池依據(jù)圖1所示的儲(chǔ)能模擬工況進(jìn)行電網(wǎng)儲(chǔ)能工況模擬實(shí)驗(yàn)。該工況持續(xù)實(shí)驗(yàn)為6 h，相當(dāng)于電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行24 h。從圖1中可以看出，該工況的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車模擬工況(新的標(biāo)準(zhǔn))，主要體現(xiàn)在電流倍率小，而且充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間長。在實(shí)驗(yàn)過程中，每天運(yùn)行4次電網(wǎng)模擬工況，然后測(cè)定電池的1C放電容量。完成一周測(cè)試后，測(cè)定動(dòng)力電池的特性參數(shù)。圖6顯示的是電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況測(cè)試中動(dòng)力電池放電容量的衰減曲線。

圖6 動(dòng)力電池電網(wǎng)儲(chǔ)能工況放電容量變化

圖6中的擬合曲線顯示，動(dòng)力電池在儲(chǔ)能工況運(yùn)行過程中放電容量與實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈線性關(guān)系衰減。與常規(guī)循環(huán)相比，初始容量不同，而且兩個(gè)擬合曲線的斜率也不同，電網(wǎng)儲(chǔ)能工況的斜率絕對(duì)值更小，說明在電網(wǎng)儲(chǔ)能工況下運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力電池放電容量衰減速率更慢。圖7和圖8分別是動(dòng)力電池儲(chǔ)能工況下直流內(nèi)阻和可用功率的變化。

圖7 動(dòng)力電池電網(wǎng)儲(chǔ)能工況直流內(nèi)阻變化

圖8 動(dòng)力電池電網(wǎng)儲(chǔ)能工況可用功率變化

從圖7中直流內(nèi)阻的變化情況可以看出，在儲(chǔ)能工況實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的影響，在1.5 mΩ附近波動(dòng)。在常規(guī)循環(huán)末期，動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻值在2.0～2.5 mΩ，而儲(chǔ)能工況中動(dòng)力電池的直流內(nèi)阻一直處于1.5 mΩ附近，說明儲(chǔ)能工況的負(fù)荷強(qiáng)度要小于常規(guī)循環(huán)。

圖8中動(dòng)力電池可用功率變化更加明顯地說明，相比于1 C倍率循環(huán)，儲(chǔ)能工況實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)負(fù)荷強(qiáng)度降低。常規(guī)循環(huán)末期，動(dòng)力電池的可用功率不斷下降。10%SOC時(shí)，最低值約為300 W，相當(dāng)于初始可用功率的23%左右。但是經(jīng)過一段時(shí)間的儲(chǔ)能工況實(shí)驗(yàn)，動(dòng)力電池的可用功率明顯回升，所有SOC下的可用功率均為1 000 W左右。10%SOC時(shí)，最低值約為900 W。由此可見，由于實(shí)驗(yàn)的負(fù)荷強(qiáng)度降低，動(dòng)力電池的性能有一定程度的反彈，各特性參數(shù)有一定程度的回升。

雖然性能有所反彈，但是動(dòng)力電池的放電容量不斷衰減，不過衰減速率不同。以同樣衰減至初始容量的40%為例，分別計(jì)算常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況所需時(shí)間，如表1所示。在1C常規(guī)循環(huán)中，每個(gè)循環(huán)周期約為3 h，一天可以完成8次循環(huán)。電網(wǎng)儲(chǔ)能工況中，每個(gè)循環(huán)6 h，一天可以完成4次循環(huán)。

表1 不同工況下動(dòng)力電池放電容量衰減時(shí)間表

表1中列出在不同工況下，當(dāng)動(dòng)力電池放電容量衰減至初始容量的40%(24.0 Ah)時(shí)，需要的循環(huán)次數(shù)、循環(huán)時(shí)間、剩余循環(huán)時(shí)間。

從表中可看出，按照擬合的規(guī)律計(jì)算動(dòng)力電池放電容量衰減至80%的次數(shù)約為2 455.73次，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的2 529次循環(huán)比較接近，說明擬合度較高。正常情況下，動(dòng)力電池以預(yù)定規(guī)律衰減，繼續(xù)以1C倍率進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，放電容量衰減至40%時(shí)約需要511.675天；如果將動(dòng)力電池用于電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域，可以繼續(xù)使用850天左右。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，當(dāng)動(dòng)力電池放電容量衰減至80%時(shí)，其續(xù)駛里程以及其他性能均無法滿足電動(dòng)汽車工況要求，動(dòng)力電池的車載壽命宣告終結(jié)。

在這種情況下，將電動(dòng)汽車領(lǐng)域淘汰的動(dòng)力電池用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，可以繼續(xù)滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能的要求，可以極大程度地延長動(dòng)力電池的使用壽命，大幅度降低動(dòng)力電池的全壽命周期的使用成本，提高資源的利用率。

3 結(jié)論

本文以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為測(cè)試對(duì)象，依據(jù)QC/T743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》和某典型電網(wǎng)儲(chǔ)能模擬工況，通過常規(guī)循環(huán)和儲(chǔ)能工況實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)中測(cè)試樣品放電容量、直流內(nèi)阻及可用功率的變化規(guī)律，驗(yàn)證磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)常規(guī)循環(huán)和儲(chǔ)能工況循環(huán)中，動(dòng)力電池放電容量隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈線性衰減，符合的關(guān)系式。不同工況中，關(guān)系式的具體參數(shù)不同，放電容量的衰減速率不同。常規(guī)循環(huán)的衰減速率高于電網(wǎng)儲(chǔ)能工況循環(huán)；

(2)常規(guī)循環(huán)中放電容量衰減至初始容量的80%的動(dòng)力電池可以繼續(xù)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域，以初始容量的40%為壽命終結(jié)點(diǎn)時(shí)，可繼續(xù)使用約800天；

(3)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池可以進(jìn)行常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲(chǔ)能工況梯次利用，有利于延長電池的使用壽命，降低電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的使用成本，節(jié)約資源，提高資源的利用率。

[1]馬偉強(qiáng)，張彩萍.梯次利用車用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)初探[J].科技視界，2012，30：70-71.

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[3]徐晶.梯次利用鋰離子電池容量和內(nèi)阻變化特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4]王澤眾，李家輝.電池梯次利用儲(chǔ)能裝置在電動(dòng)汽車充換電站中的應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化，2012,34(6):49-50.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.QC/T743-2006.電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Analysis and research on feasibility using of LFP battery echelon

As the increasing of NEV holdings,there would be lots of batteries retiring from electric vehicles.It was great waste if these batteries were put into materials recycling phase.So making these batteries would be used in other fields,that could carry the battery echelon use out,extend the battery life,reduce the cost of batteries,and rise the resource utilization.LFP power battery was taken as example,via normal cycle and net grid energy storage cycle,and the attenuation rule of capacity,resistance,and available power were analyzed,research on the feasibility of battery echelon use was done.The rate of capacity decay in different situation was different,it was larger in normal cycle,but they all followed.And there was about 3 years when the batteries retired from EV were used in net grid energy storage situation,so it did great benefit to extend the battery life and reduce the cost.

echelon use;electric vehicle;LFP battery;Net Grid Energy Storage

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0521-04

2015-08-21

國家“863”高技術(shù)項(xiàng)目(2014AA052211)

劉仕強(qiáng)(1985—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力電池及其測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。