電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載退役電池動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)研究

鄧昕 張周燦 謝長(zhǎng)君

摘 要： 隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，車(chē)載動(dòng)力電池退役后用于儲(chǔ)能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)梯次利用，對(duì)緩解環(huán)境污染問(wèn)題具有重要意義。本文以某純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)上的退役動(dòng)力電池組為研究對(duì)象，選擇16節(jié)退役電池開(kāi)展性能及不一致性測(cè)試?；?6節(jié)退役電池串聯(lián)構(gòu)成的儲(chǔ)能用電池組，設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)主動(dòng)均衡系統(tǒng)，以單體電池的SOC值為均衡變量，建立系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)均衡方案具有較好的均衡效果。

關(guān)鍵詞： 退役電池；梯次利用；不一致性；主動(dòng)均衡

0 .引言

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)有15萬(wàn)噸左右的廢電池是從電動(dòng)汽車(chē)上更替下來(lái)的[1]-[3]。退役電池的有效回收和二次使用可以有效解決對(duì)電能容量要求較低的能源系統(tǒng)的電源問(wèn)題，提升能源的使用率，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，這也大大降低了電池的使用成本，有效的減輕了環(huán)境污染問(wèn)題[4]-[6]；另一方面對(duì)退役電池進(jìn)行有效的二次利用可以極大地降低鋰電池在回收處理階段給動(dòng)作人員的工作強(qiáng)度[7]-[8]。因此，對(duì)新能源電動(dòng)汽車(chē)退役電池的梯次回收再利用技術(shù)的研究十分重要[9]-[10]。

1.某電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)車(chē)載退役電池測(cè)試

本文研究的退役電池是從XX公司生產(chǎn)的2103010-EV2301型2.5噸純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)上退役下來(lái)的。退役電池包的初始電壓達(dá)330V。這整個(gè)電池組是由上層52節(jié)電池與下層54節(jié)電池的雙層框架構(gòu)成。下面對(duì)這106節(jié)退役電池進(jìn)行回收利用的實(shí)驗(yàn)。

為了提高退役電池的利用率，延長(zhǎng)退役電池的循環(huán)壽命，降低成組使用后電池的一致性差異，在退役電池回收再次利用前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選以剔除質(zhì)量較差的廢舊電池，這就要求有相對(duì)明確的一致性判定參照。進(jìn)行了對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電池不一致性的判定實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)分布的大致趨勢(shì)可知，電池放電至電量為0時(shí)不一致性差異最大。

由于電池的不一致性一般通過(guò)電池放電實(shí)驗(yàn)?zāi)┢陔姵仉妷旱牟町悂?lái)表現(xiàn)。通常情況下，規(guī)定電池在完全放電后端電壓的差值大于0.3V時(shí)，電池之間存在不一致性。在退役電池的回收利用過(guò)程中降低電池之間的不一致性，是使退役電池能夠被充分利用的重要手段。

2.退役電池動(dòng)態(tài)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文從實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況與退役電池的性能特點(diǎn)出發(fā)，選用電池荷電狀態(tài)SOC值為均衡變量的主動(dòng)均衡方法。在對(duì)比分析了幾種常用的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，本文采用以儲(chǔ)能電容作為能量傳遞媒介的電容式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)退役電池組進(jìn)行均衡管理。

本文的研究對(duì)象是從電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)上替換下來(lái)的退役電池組中經(jīng)過(guò)篩選后所挑選的16節(jié)退役電池。串聯(lián)的16節(jié)退役電池的兩端分別連接一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，由兩個(gè)MOSFET管、兩個(gè)二極管、兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)與公共的儲(chǔ)能電容組成儲(chǔ)能電容模塊。對(duì)退役電池組進(jìn)行均衡管理之前，利用放電實(shí)驗(yàn)法估測(cè)單體電池的荷電狀態(tài)SOC，計(jì)算出電池組的平均SOC值。其次需設(shè)定相應(yīng)的均衡差異閥值。由于退役電池內(nèi)部差異較大，本文實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的均衡開(kāi)啟SOC閥值為平均值的0.05，當(dāng)退役電池組單體電池SOC值與平均值的差異小于0.05時(shí)，停止均衡。整個(gè)均衡過(guò)程分為高能量的電池給儲(chǔ)能電容充電與儲(chǔ)能電容給低能量的電池放電兩個(gè)階段。此均衡電路可以對(duì)電池組中的任意兩個(gè)電池進(jìn)行均衡操作，均衡過(guò)程容量利用率較高，整個(gè)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，均衡效果較好。

3.退役電池均衡系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上文制定的均衡控制策略、均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性與最終效果，現(xiàn)在MATLAB/Simulink上進(jìn)行仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。主要由電源、均衡控制器、待測(cè)電池、均衡電路部分、采集與驅(qū)動(dòng)電路等部分共同組成仿真模型系統(tǒng)。首先確定待測(cè)電池的SOC值并檢測(cè)單體電池之間SOC值差異是否超過(guò)規(guī)定均衡閥值。如超過(guò)相關(guān)閥值，由控制器控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，平衡各個(gè)單體電池之間的SOC值，使16節(jié)退役電池SOC值差在規(guī)定閥值以內(nèi)時(shí)停止均衡。由于此次實(shí)驗(yàn)電池為退役電池，又出于對(duì)電池組的保護(hù)，此次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)定在充電過(guò)程中當(dāng)單體電池電壓達(dá)到85%時(shí)，電池組停止充電。

下面測(cè)量從實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)分選后的退役電池中挑選的16節(jié)退役電池的各個(gè)SOC值并輸入仿真模型系統(tǒng)。分別測(cè)試單體電池在靜置、恒流充電兩種狀態(tài)下SOC值。充電測(cè)試時(shí)，通過(guò)恒流源模塊設(shè)置10A的恒定電流進(jìn)行充電均衡，持續(xù)1小時(shí)，觀察并記錄SOC值變化，如圖1，圖2。

由圖1、圖2對(duì)比分析可知，所挑選的退役電池其初始荷電狀態(tài)SOC主要分布在0.47-0.78之間，通過(guò)靜置均衡之后，SOC主要集中在0.58-0.68之間，雖然仍存在一定差異，但均衡后的差異均衡控制在0.1左右；在充電狀態(tài)下，均衡系統(tǒng)工作后SOC主要集中0.75-0.85之間。對(duì)于性能參數(shù)較為復(fù)雜的退役電池而言，此系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的均衡效果。

4.總結(jié)

本文從退役電池的回收利用出發(fā)，分析了退役電池回收利用過(guò)程中的一些主要問(wèn)題。從退役電池的利用趨勢(shì)出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外退役電池回收利用現(xiàn)狀的分析。分析了電池不一致性產(chǎn)生的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比退役電池與新電池的不一致性差異，以及退役電池不一致性的影響。另外，從退役電池與新電池放電過(guò)程電池電壓的變化差異出發(fā)，提出退役電池不一致性的判定標(biāo)準(zhǔn)。分析了退役電池回收利用之前的篩選分級(jí)方法。提出了一種基于電容作為能量傳遞媒介的主動(dòng)均衡電路，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

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