退役電池梯次利用的一致性管理研究綜述

孟高軍，蘇 令，孫玉坤，李建林，馬福元

(1.南京工程學(xué)院，江蘇南京211100；2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；3.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州311121)

當(dāng)動力電池容量衰退至其額定容量的80%時，就要從電動汽車上退役。中國汽車工業(yè)協(xié)會預(yù)測，到2025年，我國退役電池累積量將達(dá)70 萬噸(約116 GWh)。巨量退役的動力電池如何回收成為當(dāng)前電動汽車行業(yè)亟待解決的問題。

退役電池梯次利用是解決這一問題的有效途徑[1]。梯次利用就是將退役電池再用于通信基站、UPS、儲能電站等領(lǐng)域。從全局看，它能夠降低電池產(chǎn)業(yè)成本，保護生態(tài)環(huán)境，具有雙重經(jīng)濟與社會效益[1]。

國內(nèi)外研究機構(gòu)、企業(yè)對退役電池梯次利用技術(shù)進(jìn)行了大量研究，研究工作主要集中在全生命周期溯源、系統(tǒng)構(gòu)建、性能診斷與分析、壽命預(yù)測、分選原則與方法、均衡控制與管理技術(shù)、電池典型應(yīng)用場景經(jīng)濟性評估等方面[2]。

退役電池與新出廠電池不同，它的一致性因使用過會有很大變化，也就是說同一電池包內(nèi)的單體電池性能差異可能變大。直接梯次利用退役電池或電池包，有可能使電池出現(xiàn)過充、過放、熱失控、爆炸等安全性問題[3]。

研究電池均衡管理技術(shù)[4]和分選評估技術(shù)[5]能夠緩解上述問題，提高電池成組一致性，延長使用壽命。在大量查閱已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對均衡技術(shù)和分選技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 電池均衡技術(shù)

電池均衡是解決退役電池再利用時性能不一致性的關(guān)鍵技術(shù)之一。均衡通過外部電路能量轉(zhuǎn)移或消耗的方式，減小電池單體之間、電池模組之間性能的差異，彌補電池因“木桶效應(yīng)”帶來的缺點，進(jìn)而提高電池一致性，提升退役電池的剩余可用容量，延長其使用壽命[6]。

1.1 單體均衡

用于退役電池單體的均衡電路根據(jù)其能量轉(zhuǎn)移耗散方式不同可分為被動均衡和主動均衡[7-8]，均衡電路類型及其細(xì)分見圖1。

圖1 均衡電路類型

被動均衡也稱為能量耗散式均衡，是通過耗能原件(多采用電阻)將能量較高的電池單體以熱能的形式將其電量消耗掉，從而達(dá)到電池單體間容量或電壓的一致性[7]。被動均衡的電路主要由開關(guān)和電阻組成，開關(guān)電阻式均衡電路見圖2。

圖2 開關(guān)電阻式均衡電路

被動均衡電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單且方便控制，在電動汽車中使用較為普遍。但電池電量以熱能的形式消耗掉會降低能量利用率，同時加劇電池老化速度，在性能已經(jīng)衰退的退役電池中應(yīng)用較少。

主動均衡也稱為能量轉(zhuǎn)移式均衡，是以電容、電感等儲能元件作為能量轉(zhuǎn)移和緩沖載體，將電能在電池間進(jìn)行傳遞，以實現(xiàn)電池間的均衡控制。主動均衡根據(jù)能量載體不同，可分為電容式、電感式和變壓器式均衡等[8]。圖3 為常用的主動均衡拓?fù)潆娐贰?/p>

圖3 主動均衡拓?fù)潆娐?/p>

主動均衡具有優(yōu)秀的均衡效率和較高的能量利用率，但其電路拓?fù)湓O(shè)計難度大，控制策略復(fù)雜。它適用于性能離散度較高的退役電池，是單體均衡技術(shù)研究熱點，目前在電動汽車上使用較少。

徐夢蝶[9]選擇電感作為儲能元件，為退役電池設(shè)計了主動均衡電路，在單體間采用集中式主動均衡，在模組間采用分布式主動均衡，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能適應(yīng)電池數(shù)量發(fā)生變化的情況，拓展性較好。趙光金等[10]將主動均衡與被動均衡相結(jié)合，提出智能分時的主被動協(xié)同均衡控制策略，該電路主動均衡用電感儲能，被動均衡用電阻分流；恒流充電時啟動主動均衡，恒壓充電時啟動被動均衡，進(jìn)行分段能量轉(zhuǎn)移，使均衡更精準(zhǔn)，但其控制策略非常復(fù)雜。

各種均衡技術(shù)優(yōu)缺點對比情況見表1?；陔娮璧木馄餍瘦^低，不適用于性能已衰退的退役電池?；谧儔浩鞯木馄餍逝c均衡速度相對理想，但集成難度大，成本高，推廣應(yīng)用受限?；陔娙菔胶碗姼惺骄馄餍矢摺⒖刂迫菀?，是未來主動均衡技術(shù)的研究重點。

表1 各均衡技術(shù)對比

1.2 模組均衡

退役動力電池通常是以電池模組或電池包的形式存在，將電池模組拆解成單體再組合實現(xiàn)梯次利用的技術(shù)路線不經(jīng)濟也不安全[11]。退役電池包內(nèi)電池，由于工作電流、放電深度等因素的影響，雖然模組間可能出現(xiàn)較大不一致性，但模組內(nèi)電池一致性相對較好，可直接以模組為基本單元進(jìn)行梯次利用，這是提高退役電池能量利用效率的合理途徑[12]。

用于電池模組的均衡技術(shù)也稱柔性成組技術(shù)，可通過柔性連接模塊將低壓電池模組接入系統(tǒng)，實現(xiàn)模組間能量均衡[13]。電池模塊均衡拓?fù)湟妶D4。

圖4 電池模塊均衡拓?fù)?/p>

如圖4所示，柔性連接模塊一般采用雙向DC/DC 變換器，可以根據(jù)儲能系統(tǒng)的實時需求和各電池模組的工作狀態(tài)對電池的充放電電壓、電流等進(jìn)行獨立控制，最終實現(xiàn)模組間的均衡控制。

郭羽佳[14]設(shè)計了一種面向通信系統(tǒng)的退役電池成組均衡拓?fù)潆娐贰ｋ娋W(wǎng)電壓經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)無橋功率因數(shù)校正變換成直流電壓，然后通過隔離式全橋DC/DC 變換器降壓至直流48 V，退役電池模組經(jīng)能量雙向流動的四開關(guān)管雙向DC/DC 變換器接入48 V 直流母線。此拓?fù)淠軌蛟诮鉀Q電池性能不一致性問題的同時，實現(xiàn)對電網(wǎng)的削峰填谷。李圓圓等[15]以能夠?qū)崿F(xiàn)雙向升降壓的新型DC/DC 開關(guān)電源為基礎(chǔ)，提出一種多模塊并聯(lián)輸入串聯(lián)輸出(MPISO)的電池成組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決了儲能系統(tǒng)各電池模塊間荷電狀態(tài)(SOC)存在差異時的SOC一致性收斂問題。

模組均衡技術(shù)與單體均衡技術(shù)相比，雖然成組拓?fù)鋸?fù)雜，但更具經(jīng)濟性與安全性，且電池能量利用率高，成組拓?fù)淇蓴U展性強，更加適合以模組為基本單元的退役電池[16]。

1.3 均衡策略

退役電池均衡技術(shù)的硬件拓?fù)涫菍崿F(xiàn)均衡控制的基礎(chǔ)，均衡策略是決定均衡有效性的核心，是保證電池一致性的關(guān)鍵[17-19]。

均衡控制策略是指基于給定的控制方法，結(jié)合所選均衡變量，控制電池單體或電池模組的性能基本保持一致[20]。均衡控制策略的制定需要綜合考慮均衡方法及均衡變量的選擇。若策略制定不當(dāng)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)均衡不足或過均衡，從而降低電池使用壽命，引發(fā)熱失控甚至自燃等安全問題。

朱運征等[17]建立了一種考慮退役電池SOC、健康狀態(tài)(SOH)、電壓的多變量綜合評價分析均衡策略，實時分析電池的特征參數(shù)，控制需要維護的充放電電池配比，達(dá)到電源總線平衡，保證了電池單體以及電池組的一致性。YANG 等[18]以SOC為均衡目標(biāo)變量，組內(nèi)、組間采用不同的均衡策略。對于組內(nèi)均衡，估算電池SOC進(jìn)行排序分區(qū)，根據(jù)電池狀態(tài)，分為5 種情況，制定最優(yōu)均衡路徑，實現(xiàn)單體之間SOC均衡。對于組間均衡，估算模組的SOC均值，確定需要均衡的模組對，進(jìn)行直接均衡或間接均衡。該控制策略降低了均衡難度，提高了均衡速度。

2 一致性分選技術(shù)

電池一致性分選技術(shù)是解決退役電池再利用的另一關(guān)鍵技術(shù)。將電池內(nèi)、外部特性參數(shù)作為分選特征參數(shù)，使用算法或規(guī)則將性能相近的電池聚為一類。分選方法按分選特征參數(shù)分類，主要可分為單參數(shù)分選、多參數(shù)分選、動態(tài)特性曲線分選和綜合特性分選[21]。

2.1 單參數(shù)分選

單參數(shù)分選法常采用容量、溫度或內(nèi)阻等內(nèi)、外部靜態(tài)特性參數(shù)中的一種，對電池進(jìn)行分選[22-24]。

嚴(yán)媛等[22]用溫度巡檢儀測試充放電試驗中退役電池模塊各單體的工作溫度，依據(jù)測試結(jié)果將溫度相近的電池聚為一類。李揚等[23]綜合考慮經(jīng)濟成本、分選可靠性和實際應(yīng)用多方面因素，給出用于退役電池分選的3 種方法：基于可用容量最大化、基于容量區(qū)間分割和基于電池組特征向量Mahalanobis 距離?；谌萘繀^(qū)間分割和基于可用容量最大化的分選方法分選速度快、經(jīng)濟效益好，但電池成組可靠性低；基于電池組特征向量Mahalanobis 距離的分選方法分選準(zhǔn)確，但數(shù)據(jù)量大耗時長。

單參數(shù)分選法雖然分選速度快，操作簡單，但僅考慮單一因素并不能完全表征退役電池性能的離散性，且存在人為擴大某參數(shù)影響程度的可能性，分選可靠性與準(zhǔn)確程度低。

2.2 多參數(shù)分選

多參數(shù)分選法是選取退役電池的多個特征參數(shù)，如開路電壓(OCV)、容量和自放電率等作為分選特征參數(shù)，綜合評價電池性能，依據(jù)評價的相似程度運用聚類算法對一致性較好的電池進(jìn)行分選重組[25-27]。

考慮各個參數(shù)在電池成組時的貢獻(xiàn)程度不同，徐剛等[28]和東南大學(xué)諶虹靜課題組[21]均采用層次分析法確定用于退役電池分選的性能指標(biāo)及其權(quán)重，之后，徐剛等運用K-means 算法實施退役電池分選，諶虹靜等先采用關(guān)聯(lián)度理論計算各電池性能指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)集的關(guān)聯(lián)度將退役電池分為4 類，再使用近鄰傳播聚類算法對同類電池進(jìn)行聚類重組。焦東升等[29]將模糊數(shù)學(xué)與電池分選相結(jié)合，采用模糊聚類算法建立電池篩選模型，選擇歐式距離計算電池間的差異程度，然后通過截取閾值的方式對電池進(jìn)行分類。該分類方法證明了電池的性能衰退與成組拓?fù)?、箱體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

多參數(shù)分選法比單參數(shù)分選法具有更好的成組一致性，但過多參數(shù)的引入會導(dǎo)致算法運行速度下降，同時參數(shù)的獲取需要經(jīng)過一系列完整的電池測試試驗，耗時長，分選效率較低。

2.3 動態(tài)特性曲線分選

單參數(shù)分選法與多參數(shù)分選法僅考慮電池穩(wěn)定狀態(tài)下特征參數(shù)的一致性，因此也稱為靜態(tài)特性分選。該方法忽略了電池運行期間的參數(shù)變化，并不能完全代表退役電池的性能差異，仍具有一定的局限性。

3 只退役電池放電后的電壓曲線，放在一個坐標(biāo)系內(nèi)比較，比較情況見圖5。圖5 中，理想狀態(tài)下，當(dāng)電池一致性較好時，其電壓曲線基本重合，見曲線1 和曲線2；當(dāng)退役電池性能離散性較大時，曲線的位置和形狀發(fā)生變化，也不與其他曲線重合，見曲線3。

圖5 電池電壓曲線

電池的動態(tài)特性曲線能表現(xiàn)電池工作電壓、電流隨時間變化特征，也能間接反映電池循環(huán)壽命、容量和內(nèi)阻的差異。以動態(tài)特性曲線相似程度為依據(jù)進(jìn)行電池分選，能夠最大程度保證成組電池的一致性[30]。

王帥等[31]基于一致性影響因素構(gòu)造了變換矩陣，在電壓曲線上把拉伸矢量和平移量作為表征指標(biāo)，根據(jù)不同影響因素下表征指標(biāo)的變化趨勢采用層次分析法計算各個指標(biāo)的權(quán)重值，最后基于模組內(nèi)和模組間一致性綜合指標(biāo)對模組進(jìn)行聚類。該方法綜合考慮模組內(nèi)和模組間性能差異性，能夠有效地實現(xiàn)退役電池模組的一致性分選。孫國躍等[32]分析了退役電池的OCV與SOC、OCV與能量狀態(tài)(SOE)、OCV與放電容量(CD)的特性曲線，提出基于OCV-CD曲線和羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則的電池單體篩選方法。RAN 等[33]利用獲取的退役電池5%SOC時的混合動力脈沖能力特性(HPPC)測試曲線，通過Canopy 算法確定聚類中心個數(shù)，之后使用二分K-means 算法對電池聚類，聚類結(jié)果穩(wěn)定性得以提升。

動態(tài)特性曲線分選法電池成組一致性好，但該方法是曲線聚類，若完整考慮特性曲線，數(shù)據(jù)量龐大，會產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)難”，導(dǎo)致聚類困難，因此想要實現(xiàn)該方法的規(guī)模化應(yīng)用，有必要對曲線進(jìn)行降維。

2.4 綜合特性分選

基于上述分析，單參數(shù)分選法分選速度快，但分選可靠性差；多參數(shù)分選法分選速度與分選可靠性均一般；動態(tài)特性分選電池成組一致性好，但曲線聚類效率較低；綜合特性分選將靜態(tài)分選與動態(tài)分選的優(yōu)勢相結(jié)合，在實現(xiàn)退役電池一致性管理的同時，提高分選速度，兼顧分選效率與成組一致性，是目前國內(nèi)外一致性分選技術(shù)的研究熱點[34-39]。

高崧等[35]首先選取多參數(shù)分選法對退役電池初選，減少電池數(shù)量，然后選取放電曲線各階段的代表性特征點作為分選參數(shù)，采用K-means 聚類算法對初選后的電池進(jìn)行聚類。該方法分選速度快且電池組性能較為一致。龍希金[36]獲取倍率放電曲線的狀態(tài)電壓和狀態(tài)電阻作為分選指標(biāo)，根據(jù)該指標(biāo)利用最小二乘算法和層次聚類法對電池進(jìn)行聚類。上海理工大學(xué)鄭岳久課題組[38]用快速充電曲線提取的特征電壓間接表征容量的不一致，進(jìn)一步利用支持向量機算法建立容量預(yù)估模型，以實現(xiàn)根據(jù)電壓對電池容量的快速預(yù)估，同時內(nèi)阻由恒流充電曲線起始處的電壓突變獲得；最后根據(jù)最小容量和平均內(nèi)阻原則，對模塊進(jìn)行了帶有權(quán)重因子的K-means 聚類。該方法由于省去了標(biāo)準(zhǔn)的電池測試步驟，分選效率得以大幅提升。

3 結(jié)論

退役電池一致性管理技術(shù)的研究以最小化成組電池單體或電池組間的性能差異為最終目的。近年來雖然在理論方面取得了一些突破，但并未出現(xiàn)可同時滿足經(jīng)濟性、安全性和一致性等復(fù)雜需求的綜合管理技術(shù)。未來對一致性管理技術(shù)的研究可能從以下幾個方向開展。

電池均衡技術(shù)方面，繼續(xù)優(yōu)化均衡拓?fù)?，以實現(xiàn)高效、快速、高集成度的拓?fù)潆娐窞槟繕?biāo)；創(chuàng)新控制策略，以自動控制為趨勢，將模糊控制、模型預(yù)測等數(shù)學(xué)模型引入其中。

一致性分選技術(shù)方面，優(yōu)選最佳分選特征參數(shù)，克服傳統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)分選缺點，提取最少又最能代表電池特征指標(biāo)作為研究重點；深入研究綜合特性分選技術(shù)，實現(xiàn)效率高、一致性好的分選。

退役電池性能離散度高，直接成組梯次利用，所配置的均衡電路和控制策略會較為復(fù)雜，所以，建議退役電池要做一致性分選，再進(jìn)行均衡。