退役鋰電池梯次利用主動(dòng)均衡方法研究

楊 揚(yáng)， 謝長(zhǎng)君， 朱文超

(1. 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2. 武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

1 引言

退役鋰電池容量通常為額定容量的70%～80%，經(jīng)過(guò)分選后，仍具有良好的放電能力，可以梯次利用于儲(chǔ)能系統(tǒng)[1，2]。出廠差異、環(huán)境因素、過(guò)充電和過(guò)放電以及長(zhǎng)期使用等原因，造成退役鋰電池單體之間存在嚴(yán)重差異。電池組“木桶效應(yīng)”會(huì)造成電池組放電容量降低和電池壽命縮短，電池過(guò)充或過(guò)放甚至?xí)鸢踩鹿蔥3]。退役電池組梯次利用前進(jìn)行均衡，是改善退役電池組不一致性、延長(zhǎng)使用壽命的有效方法。

目前，均衡方法分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡是能量耗散型均衡，存在均衡效率低和均衡散熱問(wèn)題。主動(dòng)均衡方法研究主要包括均衡電路和均衡策略兩方面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的一些均衡拓?fù)洌婕伴_(kāi)關(guān)電容法、開(kāi)關(guān)電感法、DC-DC變換器法、變壓器法等。開(kāi)關(guān)電容均衡方法的缺點(diǎn)是均衡時(shí)間長(zhǎng)、成本高。文獻(xiàn)[4]提出基于多繞組變壓器的單體電池間均衡方法，文獻(xiàn)[5]提出基于雙向反激式DC-DC變換器的充電均衡器，它們的優(yōu)點(diǎn)是均衡速度較快，均衡效率較高，但是存在開(kāi)關(guān)時(shí)序復(fù)雜和磁飽和的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出基于多開(kāi)關(guān)電感的均衡電路，只能實(shí)現(xiàn)相鄰電池單體間均衡。文獻(xiàn)[7]提出一種單電感雙向均衡電路，可以實(shí)現(xiàn)任意單體電池間均衡，但是當(dāng)電池?cái)?shù)量多時(shí)，均衡時(shí)間較長(zhǎng)。目前，均衡策略主要包括基于電壓差的均衡[8]、基于SOC的均衡[9，10]、基于容量差的均衡[11]和基于剩余可用能量的均衡[12]等。

集中式均衡電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，分布式均衡電路易于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制、可擴(kuò)展性強(qiáng)且易于維護(hù)。結(jié)合兩種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)，本文提出基于Buck-Boost電路的分組雙向主動(dòng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池小組內(nèi)和電池小組間分別采用基于電感的集中式雙向均衡拓?fù)浜头植际骄馔負(fù)洹：呻姞顟B(tài)(State of Charge, SOC)SOC作為均衡變量，以從某電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)上退役的12個(gè)電池為例進(jìn)行靜置均衡和充電均衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 退役電池分選

本文的退役鋰電池來(lái)源于東風(fēng)汽車(chē)有限公司生產(chǎn)的電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)。退役鋰電池的出廠參數(shù)為：額定容量40 A·h，標(biāo)稱(chēng)電壓3.2 V，內(nèi)阻1 mΩ，充電截止電壓3.6 V，放電截止電壓2.5 V，標(biāo)準(zhǔn)充放電電流為0.3 C。整個(gè)退役電池組共有106個(gè)電池，在對(duì)退役電池進(jìn)行均衡前，需要對(duì)退役電池進(jìn)行分選，過(guò)程如下：

(1)從106個(gè)退役電池中篩選出50個(gè)外觀較好的退役電池。

(2)進(jìn)行電壓分選。①測(cè)量50個(gè)退役電池的開(kāi)路電壓(OCV)，從中選出電壓在2.4～3.2 V之間的退役電池36個(gè)。②為了防止過(guò)充，將36個(gè)退役電池以10 A恒流充電2 h，測(cè)量每個(gè)電池的電壓。充電后電壓大于3 V的退役電池有30個(gè)，它們具有梯次利用價(jià)值。

(3)進(jìn)行容量分選。由于退役電池的容量遠(yuǎn)低于出廠電池的容量，在對(duì)其進(jìn)行均衡前，需要重新標(biāo)定額定容量。容量試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34015—2017《電動(dòng)汽車(chē)用牽引電池回收剩余容量試驗(yàn)》，步驟如下：①常溫下，放掉退役電池的剩余能量并靜置15 min；②以1 C恒流充電至充電截止電壓3.6 V，然后轉(zhuǎn)恒壓充電至電流為0.05 C；③靜置0.5 h；④以1C恒流放電至放電截止電壓2.5 V，記錄放電容量；⑤重復(fù)步驟①～④共3次，以3次放電容量的平均值作為退役電池新的額定容量。30個(gè)退役電池的新的額定容量分布如圖1所示，可以看出，大多數(shù)退役電池的容量在24～32 A·h之間，從中選取了12個(gè)額定容量較大的退役電池作為本文的研究對(duì)象，編號(hào)為B1、B2、…、B12，新標(biāo)定的額定容量依次為33.4 A·h、31.6 A·h、32.3 A·h、32.4 A·h、30.7 A·h、31.1 A·h、31.2 A·h、30.9 A·h、30.6 A·h、30.7 A·h、30.5 A·h、29.8 A·h。

圖1 30個(gè)退役電池新標(biāo)定的額定容量

3 均衡電路拓?fù)?/h2>

為了提高均衡效率，提出如圖2所示的基于Buck-Boost電路的分組雙向主動(dòng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。將n個(gè)退役電池分成m個(gè)小組，每組包含p個(gè)退役電池。每個(gè)退役電池小組包含1個(gè)組內(nèi)均衡子電路，即共有m個(gè)組內(nèi)均衡子電路；組間均衡電路共有m-1個(gè)。均衡結(jié)構(gòu)中還包含采集電壓、電流等信號(hào)的檢測(cè)電路、均衡主控制器和驅(qū)動(dòng)電路，以及均衡主控制器根據(jù)實(shí)時(shí)采集的退役電池相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的均衡算法，對(duì)整個(gè)退役電池組進(jìn)行均衡控制。在本文中，將分選之后的12個(gè)退役電池分成3個(gè)小組，每個(gè)電池小組由4個(gè)退役電池串聯(lián)，3個(gè)小組分別表示為P1、P2和P3。

圖2 基于Buck-Boost電路的主動(dòng)均衡拓?fù)?/p>

電池組內(nèi)采用基于單電感的集中式雙向主動(dòng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，包含由p個(gè)退役電池串聯(lián)的電池小組、開(kāi)關(guān)矩陣和儲(chǔ)能單元，其中儲(chǔ)能單元包括1個(gè)儲(chǔ)能電感L、4個(gè)MOSFET管和4個(gè)二極管。開(kāi)關(guān)矩陣S1～S2p實(shí)際是MOSFET管，均衡電路只用到MOSFET管的正向?qū)ㄌ匦?，以消除MOSFET管的體二極管帶來(lái)的電池短路的危險(xiǎn)。該均衡電路可以實(shí)現(xiàn)電池小組內(nèi)任意單體電池間的能量轉(zhuǎn)移，具有能量傳輸效率高、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 基于單電感的集中式主動(dòng)均衡拓?fù)?/p>

電池組間采用基于電感的分布式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)相鄰電池小組間的能量轉(zhuǎn)移，如圖4所示。每?jī)蓚€(gè)電池小組之間共用1個(gè)儲(chǔ)能電感，如電池小組Pm-1和電池小組Pm之間均配有電感Lm-1。由m個(gè)電池小組串聯(lián)的組間均衡電路包括2m-2個(gè)MOSFET管和m-1個(gè)儲(chǔ)能電感，具有控制簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)和易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 組間分布式主動(dòng)均衡拓?fù)?/p>

4 均衡電路原理

4.1 組內(nèi)均衡電路

為了提高均衡電流和均衡能量利用效率，避免電池之間相互影響，將組內(nèi)均衡電感電流工作于斷續(xù)(Discontinuous Current Mode, DCM)模式。為了分析簡(jiǎn)便，不考慮二極管和MOSFET管壓降。假設(shè)在電池小組P1中，需要將電池B2的能量轉(zhuǎn)移到電池B1中，能量轉(zhuǎn)移路徑分別如圖5(a)和圖5(b)所示。組內(nèi)均衡電路關(guān)鍵波形如圖6所示。

圖5 電池B1和B2能量轉(zhuǎn)移路徑

圖6 組內(nèi)均衡電路關(guān)鍵波形

0～t1階段，S3、Sa1、Sb1、S4導(dǎo)通，如圖5(a)所示，電池B2經(jīng)過(guò)S3、Sa1、VDa1、L、VDb1、Sb1和S4構(gòu)成的均衡路徑將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電感L中。電感電流從0開(kāi)始線性上升，有：

(1)

式中，iB2和iL分別為電池B2和電感L的電流；VB2為電池B2的端電壓。設(shè)占空比為D，高頻開(kāi)關(guān)管周期為T(mén)，則電流最大值iL(max)為：

(2)

電池B2放電過(guò)程中釋放的電荷量QB2為：

(3)

t1～t2階段，S3、Sa1、Sb1、S4關(guān)斷，如圖5(b)所示，電感L經(jīng)過(guò)VDb2、Sb2、S1、B1、S2、Sa2、VDa2組成的均衡路徑將電感L儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電池B1中。電感電流從最大值線性下降到0。

t2～t3階段，電感電流為0。

4.2 組間均衡電路

以電池小組P1、P2為例，假設(shè)電池小組P2向電池小組P1轉(zhuǎn)移能量。MOSFET管由PWM信號(hào)控制，設(shè)均衡占空比為D，使電感工作在DCM模式，均衡電路在一個(gè)均衡周期T內(nèi)的工作原理如下。

第一階段，如圖7(a)所示，Q2導(dǎo)通，電池小組P2向電感L1轉(zhuǎn)移能量，電感電流從0開(kāi)始線性上升到最大值，電感L1的電流為：

(4)

電感L1電流最大值為：

(5)

第二階段，如圖7(b)所示，Q2關(guān)斷，電感L1通過(guò)Q1的體二極管VDQ1給電池小組P1充電，電感電流從最大值線性下降到0，電感電流為：

圖7 電池小組P1和P2能量轉(zhuǎn)移路徑

(6)

第三階段，Q1和Q2關(guān)斷，電感電流為0。

5 均衡策略

本文選擇退役電池SOC作為均衡目標(biāo)變量，可以很好地判定電池組一致性，且不用考慮單體電池額定容量的差異，使單體電池能同時(shí)達(dá)到其充、放電截止電壓，提高電池組容量利用率。采用本文提出的基于平方根無(wú)跡卡爾曼濾波的鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法[13]進(jìn)行SOC估算。

綜合考慮均衡時(shí)間和均衡能量利用效率，取占空比D為45%，最大均衡電流約4 A，開(kāi)關(guān)頻率為1 kHz，根據(jù)式(2)和式(5)，取組內(nèi)均衡電路電感和組間均衡電路電感分別為0.35 mH和1.4 mH。采用先組內(nèi)均衡、后組間均衡的策略實(shí)現(xiàn)整個(gè)退役電池小組均衡，即首先使各電池小組內(nèi)部實(shí)現(xiàn)均衡，然后進(jìn)行電池小組間的均衡控制。

由于組內(nèi)均衡電路可實(shí)現(xiàn)任意單體與單體電池之間均衡，采用均值-差值法能提高均衡效率，均衡流程為：

步驟1)估算每個(gè)退役電池的剩余容量SOC(i)，并計(jì)算該電池小組內(nèi)所有單體電池的SOC平均值SOCavg。

步驟2)設(shè)定組內(nèi)均衡閾值ΔSOC。

步驟3)判斷|SOC(i) -SOCavg|是否大于ΔSOC，若是，則執(zhí)行步驟4)；否則執(zhí)行步驟6)。

步驟4)SOC最大的退役電池單體向SOC最小的退役電池單體轉(zhuǎn)移能量。

步驟5)循環(huán)執(zhí)行步驟3)和步驟4)。

步驟6)組內(nèi)均衡結(jié)束。

組間均衡電路實(shí)現(xiàn)相鄰電池小組間均衡，采用極差法與相鄰差值法相結(jié)合的混合均衡策略。既利用相鄰差值法控制簡(jiǎn)單且均衡速度快的優(yōu)點(diǎn)改善相鄰電池小組間的一致性，又可以使某個(gè)SOC最大或者最小的電池小組實(shí)現(xiàn)較快均衡，以減小整個(gè)電池組極差。均衡流程如下：

步驟1)設(shè)定相鄰差值法均衡閾值ΔSOCA和極差法均衡閾值ΔSOCJ。

步驟2)估算每個(gè)電池小組的SOC平均值SOCavg(m)。求SOCavg(m)之間的極差r和相鄰電池小組的最大差值rAmax。

步驟3)若r>ΔSOCJ且rAmax>ΔSOCA，執(zhí)行步驟4)；若r>ΔSOCJ且rAmax≤ΔSOCA，執(zhí)行步驟5)；若r≤ΔSOCJ，執(zhí)行步驟6)。

步驟4)進(jìn)行相鄰電池小組間能量轉(zhuǎn)移。循環(huán)執(zhí)行步驟3)。

步驟5)SOC平均值最大的電池小組向SOC平均值最小的電池小組轉(zhuǎn)移能量，若這兩個(gè)電池小組不相鄰，則還需借助相鄰電池小組作為能量轉(zhuǎn)移媒介。循環(huán)執(zhí)行步驟3)。

步驟6)組間均衡結(jié)束。

6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將圖8(a)所示的ITECH ITS5300電池測(cè)試系統(tǒng)與圖8(b)所示的均衡測(cè)試臺(tái)架集成，用于退役電池均衡實(shí)驗(yàn)。均衡測(cè)試臺(tái)架包括電池管理系統(tǒng)、均衡主控電路、開(kāi)關(guān)陣列、電壓電流檢測(cè)電路、供電電源等。

圖8 實(shí)驗(yàn)硬件實(shí)物圖

組內(nèi)均衡閾值ΔSOC設(shè)定為0.5%，組間相鄰差值法均衡閾值ΔSOCA和極差法均衡閾值ΔSOCJ分別為0.5%和1%。

圖9所示為靜置均衡時(shí)退役電池SOC變化過(guò)程，均衡分為以下階段：

圖9 靜置均衡時(shí)電池SOC變化過(guò)程

(1)0～1 140 s，電池小組P1、P2和P3組內(nèi)均衡，在1 140 s左右，電池小組P1組內(nèi)均衡完成。

(2)1 140～2 220 s，只有電池小組P2和P3進(jìn)行組內(nèi)均衡，在2 220 s左右，電池小組P2組內(nèi)均衡完成。

(3)2 220～2 280 s，只有電池小組P3進(jìn)行組內(nèi)均衡，在2 280 s左右，電池小組組內(nèi)均衡全部完成。

(4)2 280～5 880 s，電池小組間均衡，整個(gè)退役電池組靜置均衡時(shí)間約98 min。退役電池均衡前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，靜置均衡前后退役電池組單體電池SOC極差分別為10.2%和2%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差分別為5.2%和1%，均衡電荷轉(zhuǎn)移效率為70.06%。

表1 退役電池均衡前后參數(shù)對(duì)比

對(duì)退役電池組進(jìn)行恒流充電，當(dāng)任意單體電池電壓達(dá)到充電截止電壓3.6 V時(shí)，停止充電。均衡前退役電池組單體電池SOC極差為10.9%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差為5.62%。圖10(a)所示為退役電池組無(wú)均衡充電時(shí)SOC變化，充電87 min后退役電池組單體SOC極差為6.98%。僅對(duì)退役電池進(jìn)行恒流充電并不能減小單體SOC差異，而本實(shí)驗(yàn)中恒流充電使退役電池組SOC差異變小的原因是退役電池新標(biāo)定的額定容量不同，導(dǎo)致不同退役電池在相同時(shí)間內(nèi)恒流充電所增加的容量不同。圖10(b)所示為充電均衡時(shí)電池SOC變化過(guò)程，充電均衡時(shí)間約為87 min，達(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)退役電池組單體電池SOC極差為1.94%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差為0.98%，均衡電荷轉(zhuǎn)移效率為65.31%。

圖10 充電時(shí)電池SOC變化過(guò)程

7 結(jié)論

本文針對(duì)退役鋰電池?cái)?shù)量多且存在嚴(yán)重不一致性的問(wèn)題，結(jié)合集中式均衡拓?fù)浜头植际骄馔負(fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，提出基于Buck-Boost電路的分組雙向主動(dòng)均衡電路，以SOC為均衡判據(jù)，分別采用均值-差值法和極差法及相鄰差值法結(jié)合的均衡策略，可同時(shí)均衡多個(gè)退役電池，具有控制簡(jiǎn)單、成本低、可擴(kuò)展強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

搭建均衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，以12節(jié)退役電池為例進(jìn)行靜置均衡和充電均衡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本文提出的均衡方法能夠快速改善退役電池組的不一致性，均衡時(shí)間較短。雖然均衡電荷轉(zhuǎn)移效率不高，但是改善退役電池組的不一致性，以提高電池組容量利用率，對(duì)于退役電池梯次利用更為重要。