淺析梯次鋰電池在太陽能路燈中的應(yīng)用

朱明海，吳戰(zhàn)宇，黃 毅，周壽斌，姜慶海

(華富(江蘇)鋰電新技術(shù)有限公司，揚(yáng)州 225600)

0 引言

太陽能路燈作為可再生能源的一種典型應(yīng)用，其電能來源于取之不盡的太陽能，以低壓直流的方式供電，具有節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)[1]。與太陽能路燈配套的儲能系統(tǒng)的電壓等級在DC 12～24 V，容量為10～100 Ah，需考慮為3～5天的陰雨天備電；放電時(shí)率低于20 h率；日放電深度不足30%DOD。這類儲能系統(tǒng)屬于典型的低壓、低容量、低倍率、淺放電型，主要采用鉛酸膠體蓄電池、磷酸鐵鋰電池(下文簡稱“鋰電池”)等。鉛酸膠體蓄電池由于比能量低，適合地埋式安裝，這樣不僅增加了電纜成本和線路損耗，安裝施工復(fù)雜、運(yùn)輸費(fèi)用高，還存在電池被盜、進(jìn)水等風(fēng)險(xiǎn)。而鋰電池由于價(jià)格原因，市場推廣進(jìn)程緩慢。

電動汽車產(chǎn)業(yè)作為我國重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，具有重要的戰(zhàn)略意義。而與電動汽車配套的動力電池的性能會隨著使用次數(shù)的增加而衰減，當(dāng)其性能下降到初始性能的80%時(shí)，續(xù)行里程已不能滿足消費(fèi)者的出行需求，將達(dá)不到電動汽車的使用標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)若直接報(bào)廢，既會造成資源浪費(fèi)，又會給社會帶來環(huán)境和安全隱患。但按照“先梯次利用后再生利用”的原則，將電動汽車的退役電池進(jìn)行拆解、分容后，重組成梯次鋰電池，可應(yīng)用于對鋰電池性能要求低的場合，如儲能系統(tǒng)、備電系統(tǒng)等領(lǐng)域，開展蓄電池的再利用，可實(shí)現(xiàn)資源綜合利用和效益最大化[2]。因此，本文依據(jù)上述原則，通過實(shí)驗(yàn)對退役的電動汽車鋰電池應(yīng)用于太陽能路燈儲能系統(tǒng)的可行性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 電芯的選取

本實(shí)驗(yàn)采用電動汽車退役的32650磷酸鐵鋰圓柱電芯(下文簡稱“32650電芯”)。

1)電芯需無漏液、無生銹，外表的PVC膜應(yīng)包覆完整、無破損。

2)在50%SOC荷電態(tài)下，電芯的交流內(nèi)阻為7～10 mΩ，開路電壓≥3.20 V。

3)電芯的10 h率容量≥5.0 Ah[3]。

1.1.2 電池管理系統(tǒng)

4串電池管理系統(tǒng)(BMS)保護(hù)板的工作電流≤10 A，其單體均衡電壓為3.60 V±30 mV，導(dǎo)通內(nèi)阻≤12 mΩ，單體過充保護(hù)電壓為3.80 V±30 mV，單體過充恢復(fù)電壓為3.60 V±30 mV，單體過放保護(hù)電壓為2.50 V±30 mV，單體過放恢復(fù)電壓為2.70 V±50 mV，充放電過流保護(hù)為15±2 A，充放電保護(hù)延遲時(shí)間為1.0±0.5 s，工作狀態(tài)自耗電≤40 μA。

1.1.3 其他

實(shí)驗(yàn)中涉及到的印刷電路板PCB、外殼等材料均是根據(jù)華富(江蘇)鋰電新技術(shù)有限公司(以下簡稱“華富公司”)原材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求采購的。

1.2 梯次鋰電池的制作

梯次利用的核心技術(shù)環(huán)節(jié)包括電池包拆解、余能檢測和狀態(tài)評估，以及匹配再集成等，所需的技術(shù)含量較高。這樣做是為了提高電池模塊梯次利用的安全性和一致性，以達(dá)到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 電芯配組

1)單體電芯的外觀需整潔，無明顯變形，無機(jī)械損傷，正負(fù)電極便于連接和緊固。

2)組成同一組的電芯需來自電動汽車的同一鋰電池模組，且化學(xué)成分、類型、結(jié)構(gòu)、規(guī)格尺寸皆應(yīng)相同。

3)需滿足的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為：同組電芯內(nèi)的電芯交流內(nèi)阻差≤1 mΩ、開路電壓差≤10 mV，單體電芯間容量差≤1%標(biāo)稱容量。

4)需滿足的動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為：充放電測試過程中，同組電芯充電末端最高電壓與最低電壓差ΔV充≤50 mV；放電末端最高電壓與最低電壓差ΔV放≤100 mV[4]。

1.2.2 電芯重組

再次檢查電芯的外觀是否無異常，將32650電芯按照“6只并聯(lián)再4組串聯(lián)”的方式組裝在專用塑料支架上，并壓平整。將整形好的電池模組裝在扣好鎳帶的焊接模具上，采用自動點(diǎn)焊機(jī)焊接。根據(jù)HFGZ-1230-3電池裝配圖的要求，采用PCB電路板、無鉛焊錫工藝焊接主電路，再接插BMS保護(hù)板控制電路。電池模組經(jīng)粘貼青稞紙、EVA膜、PVC熱收縮膜等絕緣和包裝處理后，得到2塊12.8 V、30 Ah的太陽能路燈用梯次鋰電池，將其編號為1#和2#電池[5]。

將華富公司現(xiàn)行量產(chǎn)的全新儲能型32650電芯，采用與上述電池相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝路線生產(chǎn)2塊12.8 V、30 Ah的太陽能路燈用鋰電池作為對比電池，將其編號為3#、4#電池。

1.3 性能測試方法

采用由深圳市恒翼能科技有限公司生產(chǎn)的高精度HYN-10A/12V-24V動力電池綜合檢測柜對鋰電池進(jìn)行性能測試。

1)完全充電方法：在環(huán)境溫度為25±2 ℃的條件下，限流6.0 A進(jìn)行充電；當(dāng)鋰電池充電電壓上升至14.4 V時(shí)，保持14.4 V恒壓充電；直到充電電流逐漸下降到0.6 A時(shí)，停止充電。

2)不同放電倍率時(shí)的容量測試方法：在環(huán)境溫度為25±2 ℃的條件下，完全充電的鋰電池分別以6.0 A(放電倍率為0.2C)、15.0 A(放電倍率為0.5C)、30.0 A(放電倍率為1.0C)電流恒流放電至終止電壓為10.8 V時(shí)，記錄此過程的放電時(shí)間。

3)壽命測試方法：①完全充電的鋰電池在環(huán)境溫度為25±2 ℃的條件下，以6.0 A電流放電至終止電壓為10.8 V后；②重復(fù)①的測試步驟，直至連續(xù)3次的容量效率都低于70%時(shí)，測試停止；③記錄電池的循環(huán)次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 同組配組率

早期電動汽車用動力電池主要以鋰電池為主，由于無相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，導(dǎo)致各廠家產(chǎn)品的規(guī)格尺寸、編碼信息各不相同，這給退役電池的拆解分類帶來了困難；而同廠家、同批次退役的鋰電池，由于存在使用環(huán)境、車載負(fù)重、充放電倍率、放電深度等工況差異，即使單體電芯余能檢測的剩余容量相同，梯次利用的衰減特性也不盡相同[6]。

保證組成梯次鋰電池中的單體電芯的再利用周期的一致性是實(shí)現(xiàn)梯次利用的關(guān)鍵因素，這將直接影響梯次鋰電池的使用壽命和后期的運(yùn)行維護(hù)成本。以1組退役的鋰電池容量為50 kWh測算，其可以拆解成32650電芯2700只左右。不同能量時(shí)梯次鋰電池的配組率如表1所示。

表1 不同能量時(shí)梯次鋰電池的配組率Table 1 Matching rate of cascade lithium battery under different capacities

從表1可以看出，梯次鋰電池的能量越高，配組率越低，48 V、100 Ah梯次鋰電池的配組率僅為11.1%；而作為太陽能路燈常用配置的12.8 V、30 Ah梯次鋰電池的配組率高達(dá)80.0%，由于太陽能路燈用儲能系統(tǒng)的電池屬于低電壓小容量型，因此很適合采用該規(guī)格的梯次鋰電池。

2.2 容量測試

圖1 鋰電池在不同放電倍率時(shí)的放電容量、容量保持率及溫升Fig.1 At different discharge rate，discharge capacity，capacity retention and temperature rise of lithium batteries

圖1為1#～4#電池在不同放電倍率時(shí)的放電容量、容量保持率及溫升的柱狀圖。由圖可知，在0.2C放電倍率時(shí)，1#～4#電池的放電容量、容量保持率及溫升基本一致；隨著放電倍率增大，相較于3#、4#電池，1#、2#電池的放電容量與容量保持率逐漸降低，溫升逐漸升高。這主要是因?yàn)殡S著梯次鋰電池的正極活性鋰離子和負(fù)極表面碳的損失及電解液粘度的增加，其極化內(nèi)阻增大，且極化內(nèi)阻和電池的放電倍率呈非線性正相關(guān)[7]。測試數(shù)據(jù)表明，梯次鋰電池的放電倍率在0.3C以內(nèi)是較為合適的；若太陽能路燈按照每天6 h的亮燈時(shí)間、3～5天的陰雨天設(shè)計(jì)，梯次鋰電池的放電倍率為0.033C～0.056C，遠(yuǎn)低于0.3C的放電倍率。太陽能路燈的儲能系統(tǒng)很適合采用梯次鋰電池，因?yàn)樗姆烹姳堵市?，放電時(shí)間較長，對指標(biāo)的要求不是那么高。

2.3 壽命測試

梯次鋰電池的循環(huán)壽命取決于其單體電芯間的均衡性，采取同組配組工藝可以保持單體電芯的使用壽命的一致性，這樣采用梯次利用的鋰電池的生命周期劣化規(guī)律才能盡可能保持一致[8]。圖2為1#、2#鋰電池在0.2C放電倍率、100%放電深度(100%DOD)時(shí)的循環(huán)次數(shù)曲線。以鋰電池連續(xù)3次的容量效率低于70%作為其壽命終止，圖2中1#、2#電池分別做了460次和490次循環(huán)。太陽能路燈通常按照3～5天的陰雨天設(shè)計(jì)儲能電池容量，儲能電池的日放電深度低于30%DOD，因此梯次鋰電池可以滿足太陽能路燈4～7年的使用壽命。

圖2 1#、2#鋰電池在0.2C放電倍率、100%DOD時(shí)的循環(huán)次數(shù)曲線Fig.2 Cycle times of 1#，2# lithium battery under 0.2C and 100% DOD conditions

2.4 性價(jià)比

梯次鋰電池能量密度高，可以直接安裝在太陽能路燈的光伏組件背面，與搭配鉛酸膠體蓄電池的太陽能路燈相比，梯次鋰電池縮短了供電距離，減少了線材成本及線路電量損耗；避免了繁瑣地組裝工作，節(jié)省了昂貴的安裝施工和運(yùn)輸費(fèi)用；避免了電池被盜及受潮等風(fēng)險(xiǎn)。

太陽能路燈用梯次鋰電池的市場價(jià)格約為0.69元/Wh，綜合考慮1.1倍的設(shè)計(jì)裕量、10%的報(bào)廢殘值，梯次鋰電池的價(jià)格約為0.68元/Wh，該價(jià)格僅約為市場上常規(guī)鋰電池價(jià)格的一半。按照相同的電池容量和利潤，考慮1.5倍的設(shè)計(jì)裕量和25%的報(bào)廢殘值，太陽能路燈用鉛酸膠體蓄電池的綜合價(jià)格約為0.70元/Wh。綜上，在太陽能路燈用儲能系統(tǒng)中，與常規(guī)鋰電池、鉛酸膠體蓄電池相比，梯次鋰電池的綜合性價(jià)比最高。

3 結(jié)論

退役的電動汽車動力蓄電池的回收再利用，事關(guān)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，從國家到地方層面，在政策、制度和標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)，已開始布局閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。太陽能路燈用儲能系統(tǒng)，由于單個(gè)能量小、充放電倍率低、放電深度淺，非常適合應(yīng)用梯次鋰電池；通過容量測試、壽命測試及性價(jià)比等分析，充分驗(yàn)證了梯次鋰電池應(yīng)用于太陽能路燈儲能系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性。