車(chē)用動(dòng)力電池回收分級(jí)分選一致性問(wèn)題的研究

張昉 范鋒 趙博

摘? 要：新能源汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ翠囯姵匾恢北妒荜P(guān)注，而對(duì)于退役動(dòng)力電池的階梯利用，已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，文章總結(jié)了我國(guó)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展的趨勢(shì)、動(dòng)力電池的回收利用與技術(shù)現(xiàn)狀，具體分析了電池回收中分級(jí)篩選中的難點(diǎn)，最后對(duì)我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用的發(fā)展做了總結(jié)與展望，指出動(dòng)力電池的篩選技術(shù)是動(dòng)力電池在梯次利用中的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：電池回收;分級(jí)分選;一致性

中圖分類號(hào)：U469? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0046-03

Abstract： Lithium battery， the main power source of new energy vehicles， has been paid more and more attention， and the step utilization of decommissioned power battery has become the key to the development of the industry. This paper summarizes the development trend， recycling and technical status of vehicle power battery in China， and specifically analyzes the difficulties in grading and screening of battery recovery. Finally， the development and prospect of power battery cascade utilization in China are summarized and prospected. It is pointed out that the screening technology of power battery is the key to the echelon utilization of power battery.

Keywords： battery recycling; classification and sorting; consistency

1 新能源汽車(chē)動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)《中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》預(yù)測(cè)，到2030年的時(shí)候，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)總規(guī)模將接近6500萬(wàn)輛[1]。新能源汽車(chē)未來(lái)將被廣泛推廣，它的主要?jiǎng)恿κ橇姿徼F鋰電池。預(yù)計(jì)于2020年左右現(xiàn)有的新能源汽車(chē)用動(dòng)力鋰電池會(huì)進(jìn)入報(bào)廢期，在我國(guó)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的報(bào)廢周期一般約在3至5年，到2025年我國(guó)新增的梯次利用電池潛在規(guī)模約33.6GW·h。退役動(dòng)力電池的梯次利用產(chǎn)業(yè)呼之欲出。

2 動(dòng)力電池的回收利用與技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 動(dòng)力電池的回收利用

從當(dāng)前電池回收的迫切性來(lái)看，公共領(lǐng)域服務(wù)的新能源汽車(chē)，主要是鋰動(dòng)力電池，因其退役電池規(guī)模大，已成為電池梯次利用的重點(diǎn)領(lǐng)域。

本文提到的電池回收利用主要是指退役動(dòng)力電池回收后的再次利用。再次利用又可分為梯次利用和再生利用。梯次利用是指將廢舊動(dòng)力電池應(yīng)用到其他領(lǐng)域的過(guò)程，包括電池包、電池組、單體電池，可以一級(jí)利用也可以多級(jí)利用。再生利用是對(duì)于退出梯次利用的動(dòng)力電池進(jìn)行拆解、檢測(cè)和分類后的二次使用。

2.2 回收電池的分級(jí)分選

我國(guó)2017年12月實(shí)施《車(chē)用動(dòng)力蓄電池回收利用拆解規(guī)范》，2018年2月實(shí)施《車(chē)用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)》，在技術(shù)規(guī)范方面提出了指導(dǎo)意見(jiàn)。

退役電池的梯次利用依據(jù)電池容量的衰減程度分三級(jí)：第一級(jí)是電池包梯次利用、第二級(jí)為電池組梯次利用、第三級(jí)為單體電池級(jí)的梯次利用，見(jiàn)圖1。目前技術(shù)發(fā)展上已從單體電池的拆解，發(fā)展成為電池組及電池包的回收使用，這要求梯次利用技術(shù)緊跟趨勢(shì)。

第一級(jí)電池包梯次利用階段，電池容量大于或等于80%，即動(dòng)力電池做為正常能源電池在車(chē)中被使用，當(dāng)電池包異常時(shí)，要對(duì)電池包進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，從而對(duì)整個(gè)電池包進(jìn)行替換。目前常用非接觸式方法進(jìn)行篩選，如計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[2]、超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[3]，以及大數(shù)據(jù)分選技術(shù)等。

第二級(jí)電池組梯次利用階段，電池使用容量處于60%-80%，最適合在儲(chǔ)能領(lǐng)域，如通信基站、水利、風(fēng)能、太陽(yáng)能等使用。從第一級(jí)淘汰下的整包電池進(jìn)行拆解，形成多個(gè)電池組，經(jīng)過(guò)檢測(cè)評(píng)估出性能相近、一致性、魯棒性好的電池組進(jìn)行重組使用，有問(wèn)題的電池組淘汰到第三層級(jí)。

第三級(jí)單體電池梯次利用，此階段將上一級(jí)淘汰下來(lái)的電池組拆解成單體電池，通過(guò)對(duì)單體電池容量等指標(biāo)檢測(cè)篩選后，單體電池以串、并聯(lián)的方式以多種組合形式再配組，成組電池要進(jìn)行評(píng)估測(cè)試，在保證重組電池安全性、一致性、穩(wěn)定性情況下進(jìn)行集成，開(kāi)展梯次利用。重組后電池主要使用在用戶側(cè)/微電網(wǎng)，如企業(yè)、家庭的小型儲(chǔ)能領(lǐng)域，或低速電動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域。

從梯次利用的過(guò)程中可以看出，回收電池各級(jí)中的篩選技術(shù)在其中起到至關(guān)重要的作用，精確的容量檢測(cè)與容量配置是電池健康使用的保證。

3 重點(diǎn)技術(shù)分析

目前在梯次利用中對(duì)回收動(dòng)力電池的容量配置研究不多，研究主要集中在對(duì)電池組均衡技術(shù)、電池容量估算、電池性能的分析等方面，電池容量的均衡直接關(guān)系著電池的一致性。對(duì)退役電池再利用的基礎(chǔ)是電池包、重組電池的一致性是目前研究的難點(diǎn)。

3.1 電池容量估算分析

目前電池容量分級(jí)篩選方法較少，對(duì)電池容量衰退研究多些。文獻(xiàn)[4]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)非參數(shù)檢驗(yàn)方法研究了歐姆內(nèi)阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)與容量之間的相關(guān)性，以此了解電池衰減的原因。文獻(xiàn)[5]建立分?jǐn)?shù)階等效電路模型實(shí)現(xiàn)電池容量的狀態(tài)估算，但對(duì)采集數(shù)據(jù)要求高，目前較難達(dá)到要求。文獻(xiàn)[6]提出了一種簡(jiǎn)化P2D模型來(lái)估算電池容量的方法，但模型較復(fù)雜難以應(yīng)用。筆者所在公司的授權(quán)發(fā)明專利“一種鋰離子電池容量分選器技術(shù)”（ZL2013105675526），可解決重組電池測(cè)試中電池容量一致性不好時(shí)，因過(guò)充/過(guò)放而使重組電池組壽命減少的問(wèn)題。此技術(shù)包括至少一個(gè)鋰離子電池容量分選器，工作原理是將滿容量的鋰離子電池接入鋰離子分選器中，隨后單片機(jī)通過(guò)AD采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰子電池的輸出電壓和輸出電流，最后單片機(jī)計(jì)算出鋰離子容量值。此技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)鋰離子電池，只要單片機(jī)的AD采集口足夠多。

此技術(shù)主要用于動(dòng)力電池性能參數(shù)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，可對(duì)鋰離子電池容量進(jìn)行檢測(cè)，能夠使每個(gè)鋰離子電池在使用前就已經(jīng)具備容量信息，然后將容量值相等或相近的多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)和/或并聯(lián)使用，可以大幅度提高鋰離子電池組的使用效率和安全性，同時(shí)延長(zhǎng)鋰離子電池組的使用壽命。

3.2 電池組均衡技術(shù)

對(duì)于電池間的不一致性可以通過(guò)均衡技術(shù)進(jìn)行管理，均衡技術(shù)在控制方法上分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡以電阻放電為主，缺點(diǎn)是能量浪費(fèi)。主動(dòng)均衡能量浪費(fèi)少，但缺點(diǎn)是在電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜。目前如何以低成本高效率實(shí)現(xiàn)電池/電池組間的電量均衡是難點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]提出了利用電容與開(kāi)關(guān)的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰電池能量進(jìn)行均衡的目標(biāo)，缺點(diǎn)是不適合用于大容量的電池組。文獻(xiàn)[8]提出一種線性優(yōu)化模型和模型預(yù)測(cè)控制方法，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的動(dòng)態(tài)均衡，其方法主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

筆者所在公司具有授權(quán)專利“一種大電流動(dòng)力電池雙向均衡裝置”（zl2011205074605），此技術(shù)基于雙向DCDC原理提出了一種充放電均衡電流可達(dá)10A的動(dòng)力電池均衡裝置。此技術(shù)利用繼電器雙向?qū)ㄌ匦裕ㄟ^(guò)控制雙向DCDC變壓器的輸入輸出方向，分別實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部各單體電池的充電均衡和放電均衡，此技術(shù)用于解決因電池不一致性問(wèn)題而導(dǎo)致電池組壽命和有效使用問(wèn)題。

3.3 電池性能分析

在電池性能分析方面，主要針對(duì)單體電池的篩選，目前問(wèn)題是采集指標(biāo)精度不準(zhǔn)，文獻(xiàn)[9]鋰離子電池老化前后容量、內(nèi)阻等性能指標(biāo)并運(yùn)用隨機(jī)森林?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行聚類，任意選出4個(gè)單體成組并作循環(huán)性能仿真測(cè)試，篩選出一致性較好的電池。文獻(xiàn)[10]對(duì)單體電池進(jìn)行曲線聚類和內(nèi)阻擬合等處理，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法并依據(jù)內(nèi)阻等參數(shù)對(duì)電池的健康狀態(tài)（SOH）進(jìn)行估算，為鋰電池的分選提供依據(jù)。以上技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)室階段，筆者所在公司開(kāi)發(fā)出一種電池有效性分析模型，針對(duì)一組電池串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)由于單個(gè)電池的充放電差異性導(dǎo)致整組電池壽命降低或損壞，從而對(duì)其應(yīng)用過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)過(guò)程充放電性能開(kāi)展有效性分析，將個(gè)體鋰離子電池額定電壓值過(guò)大或過(guò)低、內(nèi)阻過(guò)大導(dǎo)致自身?yè)p耗過(guò)高的鋰離子電池進(jìn)行篩選更換，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池應(yīng)用過(guò)程中的性能監(jiān)測(cè)，解決了鋰離子電池使用過(guò)程中因鋰離子電池個(gè)體差異導(dǎo)致整組電池使用壽命降低的問(wèn)題。

4 目前技術(shù)難點(diǎn)

（1）在保證安全性、一致性、魯棒性情況下退役電池重組后的精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)成為行業(yè)難點(diǎn)，如電池管理系統(tǒng)均衡算法，電池容量與剩余循環(huán)壽命等;特別是未來(lái)我國(guó)將開(kāi)展儲(chǔ)能領(lǐng)域的大規(guī)模的梯次利用，在此環(huán)節(jié)重組電池的分選、測(cè)試還處在試點(diǎn)研究階段，在此領(lǐng)域還有很多技術(shù)需要深入研究。

（2）針對(duì)退役電池篩選基礎(chǔ)性技術(shù)的應(yīng)用中成本高問(wèn)題，如何開(kāi)展規(guī)模、高效的電池篩選成為目前的難點(diǎn)，本文利用已有發(fā)明專利技術(shù)“一種鋰離子電池容量分選器”，電池容量分選提出一種解決方法。

（3）目前電池間一致性也是難點(diǎn)，本文利用已有技術(shù)“一種大電流動(dòng)力電池雙向均衡裝置”和“一種電池有效性分析模型”給出了有效解決方法。

（4）電池使用中實(shí)時(shí)監(jiān)控電池能量技術(shù)在行業(yè)內(nèi)還未展開(kāi)研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展的趨勢(shì)，動(dòng)力電池的回收利用與現(xiàn)狀及分級(jí)分選，并利用筆者所在公司已有專利給出了電池回收分級(jí)分選在電池容量篩選、電池特性分析、電池均衡方面提高電池一致性的解決方法。

未來(lái)在電池回收及梯次利用過(guò)程中，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)、5G技術(shù)運(yùn)用結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電池回收全生命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)控，創(chuàng)新篩選評(píng)測(cè)方法，更好的提高梯級(jí)利用有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉堅(jiān)，胡澤春.電動(dòng)汽車(chē)作為電力系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)用潛力研究[J].中國(guó)能源，2013，35（7）：32-37

[2]焦龍庵.納米CT在鋰離子電池中的應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.

[3]沈越，鄧哲，黃云輝.一種監(jiān)測(cè)鋰離子電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的方法及其裝置：CN106772063A[P].

[4]張利中，穆苗苗，趙書(shū)奇，等.再利用退役鋰動(dòng)力電池的性能評(píng)估[J].電源技術(shù)，2018，42（7）：964-967.

[5]HU Xiaosong， YUAN Hao， ZOU Changfu， et al. Co-Estimation of state of charge and state of health for lithium-ion batteries based on fractional-order calculous[J]. IEEE Trans Vehi Tech， 2018：10319-10329.

[6] Doyle M， Newman J. Modeling of galvanostatic chargeand discharge of the llithium/polymer/insertion cell[J]. JElevtrochem Soc， 1993，140：1526-1533.

[7]PASCUAL C，KREIN P T.Switched capacitor system for automaticseries battery equalization[C]// Applied Power Electronics Confer-ence and Exposition. USA： IEEE，1997：848-854.

[8]WU Z， LING R， TANG R L. Dynamic batteryequalization with energy and time efficiency for electricvehicles[J].Energy，2017，09：129.

[9]李加升，吳免利，劉玉芳，等.基于充放電曲線的鋰電池智能分選系統(tǒng)研究[J].電源技術(shù)，2011，35（8）：912-914.

[10]劉婉晴.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池分選方法的研究[D].唐山：華北理工大學(xué)，2017.