廢舊動(dòng)力電池梯次利用之應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備技術(shù)研究

史甲森 李海鴿 邱煥益

摘 要：研究首先從廢舊動(dòng)力電池梯次利用的現(xiàn)狀展開(kāi)闡述，利用比亞迪秦80廢舊磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，以其儲(chǔ)能能力方面的價(jià)值為思路展開(kāi)，根據(jù)已有動(dòng)力電池衰減特性及查閱大量資料，對(duì)選用回收的廢舊電池包進(jìn)行徹底充放電、檢驗(yàn)、外部結(jié)構(gòu)拆解、電芯檢測(cè)、電芯的利用和分級(jí)重組、內(nèi)阻匹配、篩選分類(lèi)、重新封裝等試驗(yàn)過(guò)程，期間采取資料法、比較法、替代法、累積法、控制法、轉(zhuǎn)換法、模型法、數(shù)學(xué)歸納法、實(shí)驗(yàn)推理法等實(shí)驗(yàn)方法，完成應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備的制作和測(cè)試，達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的目的。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);廢舊動(dòng)力電池;梯次利用;篩選重組;儲(chǔ)能設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-04-04

Research on Emergency Energy Storage Equipment Technology forWaste Power Battery Ladder Utilization^*

Shi Jiasen， Li Haige， Qiu Huanyi

（ Xian Vocational University of Automobile， Shaanxi Xian 710605 ）

Abstract：?The research begins with the current situation of the ladders utilization of waste power battery.?Taking BYD Qin 80 waste lithium iron phosphate power battery as the research object， and the value of its energy storage capacity is developed. According to the attenuation characteristics of existing power batteries and consulting a large amount of data， the battery packs used for recycling?have?been completely charged?and discharged， inspection， external structure disassembly， cell detection， cell utilization and recombination， internal resistance matching， screening classification?and?repackaging?and so on. During the period， the data method， comparison method， substitution method， accumulation method， control method， conversion method， model method， mathematical induction method， experimental reasoning method and other experimental methods were adopted to complete the production and testing of emergency energy storage equipment to achieve the purpose of experimental research.Keywords：?Electric vehicles; Waste power battery; Ladder utilization; Screening and reorganization; Energy storage equipmentCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-04-04

引言

隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和電池技術(shù)的不斷完善，人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的認(rèn)可度明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年1-4月，全球電動(dòng)汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量662，000輛，同比增幅超過(guò)52%，比亞迪、特斯拉、上汽、寶馬、日產(chǎn)等品牌的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量遙遙領(lǐng)先，隨著國(guó)內(nèi)鼓勵(lì)政策和相關(guān)制度的日趨完善，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)已經(jīng)覺(jué)醒，在材料、工藝、電芯、pack、BMS等方面都不斷突破，并通過(guò)推進(jìn)自身研發(fā)水平，助力我國(guó)汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，目前所使用的動(dòng)力電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池、鎳鎘電池、燃料電池等，其中鋰離子電池以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能被廣泛采用。近年來(lái)，動(dòng)力電池的續(xù)航里程和安全性能明顯改善。據(jù)分析，影響動(dòng)力電池續(xù)航里程的原因大致分為兩類(lèi)：一是內(nèi)因，包括產(chǎn)品廠商、制造工藝、原材料、品控、配組等;二是外因，包括溫度、充電電流、放電電流、充電電壓、放電電壓、充電倍率、放電倍率等;研究顯示，外因可控性較差，因而對(duì)動(dòng)力電池衰減程度的影響更大。隨著動(dòng)力電池的投入使用，電池組在電壓、電阻、充放電時(shí)間、負(fù)荷能力、溫升、外形等方面都發(fā)生了不同程度的變化，這些變化直接導(dǎo)致電池的容量、內(nèi)阻、電壓等發(fā)生損耗，一致性較差。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

“動(dòng)力電池組一般由成百千只單體電池組成，一般采用先串后并的方式配組”。^[1]例如秦80，其首先將數(shù)十只單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池模組，再將數(shù)十個(gè)電池模組串聯(lián)組成電池包，實(shí)質(zhì)上是將幾十乃至上百個(gè)電池單體串聯(lián)組成電池組，如圖1所示動(dòng)力電池組成。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，主要從廢舊動(dòng)力電池梯次利用的儲(chǔ)能設(shè)備方面進(jìn)行探究，整個(gè)研究過(guò)程分為廢舊動(dòng)力電池的徹底充放電、檢驗(yàn)、外部結(jié)構(gòu)拆解、電芯檢測(cè)、電芯的利用和分級(jí)重組、內(nèi)阻匹配、篩選分類(lèi)、重新封裝等。實(shí)驗(yàn)方法采取資料法、比較法、替代法、累積法、控制法、轉(zhuǎn)換法、模型法等。

1.2 設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)研究共分解了1個(gè)電池包，共10串電池模組，均來(lái)自比亞迪秦80拆卸的廢舊動(dòng)力電池，該電池隸屬于比亞迪電池廠商，每個(gè)電池單體均是標(biāo)稱(chēng)為3.2V，終止充電電壓3.6V，終止放電壓2.0V的磷酸鐵鋰電池，原設(shè)計(jì)容量標(biāo)稱(chēng)25AH，阻抗為2.2mΩ，重量為0.78kg，能量密度為103wh/Kg，功率密度為2800W/kg，尺寸為173×120×20mm，如表1所示。根據(jù)比亞迪內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)放電至5%時(shí)，某個(gè)單體電壓降到2V或充電至100%時(shí)，單體實(shí)際容量小于原容量的80%（即就是每個(gè)單體為20AH），所在的電池模組就會(huì)被淘汰。

試驗(yàn)所用儀器有電壓測(cè)量裝置、電流測(cè)量裝置、溫度測(cè)量裝置、時(shí)間測(cè)量裝置、尺寸測(cè)量裝置、質(zhì)量測(cè)量裝置等。主要設(shè)備采用順達(dá)電子生產(chǎn)的TEC-06電池容量測(cè)試儀，可測(cè)量電流范圍0.1A～3.5A，最大功率可達(dá)16W，最大檢測(cè)容量為500000mAH（500AH），電流最大誤差<0.5%，該設(shè)備可實(shí)時(shí)測(cè)量容量、實(shí)測(cè)電壓、關(guān)斷電壓、電流、內(nèi)阻，其測(cè)量數(shù)值均與TEC-06面板顯示狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。TEC-06電池容量測(cè)試儀通過(guò)專(zhuān)用的上位軟件和四線(xiàn)方式聯(lián)機(jī)與電腦連接，可自動(dòng)完成設(shè)備外觀如圖2所示。

1.3 徹底放電

據(jù)研究表明，全容量放電測(cè)試法為測(cè)試動(dòng)力電池組實(shí)際容量最為準(zhǔn)確有效的方法，在線(xiàn)放電時(shí)，首先將放電導(dǎo)線(xiàn)的快速接頭端按顏色對(duì)應(yīng)插入測(cè)試儀的快速插座中 （一黑為負(fù)、一紅為電池正極、一紅為系統(tǒng)正極），然后利用電池夾將放電導(dǎo)線(xiàn)的另一端分別與電池組兩端及系統(tǒng)正極連接（紅正黑負(fù)）。該實(shí)驗(yàn)為廢舊動(dòng)力電池進(jìn)行物理放電并實(shí)時(shí)測(cè)量電流和電壓，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，生成實(shí)時(shí)容量曲線(xiàn)圖，其中起始電壓為3.08V，電流為3.5A，如圖3所示為測(cè)量1#廢舊動(dòng)力電池單體放電共28分39秒時(shí)的實(shí)時(shí)容量曲線(xiàn)圖，其中位于上方的紅色線(xiàn)條表示電壓遞減情況，下方的黃色線(xiàn)條表示電流遞減情況。

從圖3中的測(cè)量得到該時(shí)間點(diǎn)的測(cè)出電流、最高電壓、均壓、最低電壓、能量、容量、內(nèi)阻和測(cè)量時(shí)間等數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2 1#廢舊動(dòng)力電池單體放電28分39秒時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)以上方法完成廢舊動(dòng)力電池的徹底放電及電容、內(nèi)阻的測(cè)量。

1.4 篩選重組

動(dòng)力電池在使用一段時(shí)間后，其容量雖然有所減少，但對(duì)其繼續(xù)儲(chǔ)能的功能二次利用影響不大，在保證安全性的基礎(chǔ)上，研究參考統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用實(shí)驗(yàn)室相同設(shè)備和工具對(duì)電池組進(jìn)行篩選完成重組，為其更好的完成儲(chǔ)能使命打下良好的基礎(chǔ)。

測(cè)試方法參考工信部于2018年1月公布的GB 《〈電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求〉征求意見(jiàn)稿》中對(duì)電池測(cè)試的要求，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)用電池模塊的基本參數(shù)及出廠技術(shù)測(cè)試要求完成。

1.4.1 電壓及內(nèi)阻

測(cè)試溫度選擇室溫為20℃±5℃，相對(duì)濕度為15～90%，大氣壓力為86 kPa～106 kPa，根據(jù)被測(cè)磷酸鐵鋰電池的物理特性和化學(xué)特性，在不考慮電池內(nèi)部化學(xué)因素的情況下采用放電方法測(cè)量。

由于電流在線(xiàn)路中會(huì)產(chǎn)生壓降，影響在線(xiàn)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，為了解決這一問(wèn)題，試驗(yàn)采用四線(xiàn)方式連接TEC-06電池容量測(cè)試儀連接被測(cè)電池組，用另外兩根線(xiàn)在電池根部引出，這樣檢測(cè)內(nèi)阻的原理最接近真實(shí)使用狀況，連接方法如圖4 TEC-06電池容量測(cè)試儀內(nèi)阻檢測(cè)連接示意圖所示。

測(cè)試預(yù)設(shè)關(guān)斷電壓為2.5V，放電過(guò)程中檢測(cè)儀會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)在線(xiàn)電壓，并每隔幾秒鐘產(chǎn)生瞬間關(guān)斷脈沖，在脈沖期間測(cè)量出開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓與在線(xiàn)電壓的差值，再與放電電流的比值即被測(cè)單體的內(nèi)阻，計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）。

式中：

U_k——開(kāi)路電壓（V）;

U_z——在線(xiàn)電壓（V）;

I_f——放電電流（A）;

r——內(nèi)阻（Ω）。

本次試驗(yàn)選用外觀無(wú)損傷的電池組樣本共20個(gè)電池單體進(jìn)行測(cè)量，電池單體所測(cè)內(nèi)阻介于0.6～1.0mΩ之間，在數(shù)據(jù)比對(duì)的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)所測(cè)內(nèi)阻與電池組的初始內(nèi)阻均屬于正態(tài)分布，這與文獻(xiàn)資料研究成果^[1]具有相似的規(guī)律，符合擬合公式（2）。

式中：

f（x）——電池?cái)?shù)目的相對(duì)比例;

x——各電池組的相對(duì)容量;

μ——電池的平均容量;

σ——分布的離散性。

1.4.2 容量測(cè)試

容量測(cè)試溫度、濕度、相對(duì)濕度、大氣壓力與內(nèi)阻測(cè)試條件相同，TEC-06電池容量測(cè)試儀將自動(dòng)計(jì)算放電電流與時(shí)間的乘積，來(lái)檢測(cè)電池的容量，如公式（3）所示。

I_f×t= C ?????????????????????????????????????（3）

式中：

I_f——放電電流（A）;

t——放電時(shí)間（s）;

C——電池容量（Ah）。

TEC-06電池容量測(cè)量?jī)x通過(guò)聯(lián)機(jī)線(xiàn)與電腦相，再通過(guò)專(zhuān)用的上位軟件，就可以繪制出放電過(guò)程的的電壓和電流曲線(xiàn)。根據(jù)被測(cè)20組樣本所測(cè)數(shù)據(jù)分析，被測(cè)對(duì)象的電池容量屬于正態(tài)分布，其電池容量下降11%～16.5%左右，容量偏差為19～24.5Ah。在充電模式下，電池容量明顯減少，容量分布的離散性明顯降低，這與公式（2）的試驗(yàn)結(jié)論基本保持一致。

2 單體封裝

通過(guò)對(duì)電池單體內(nèi)阻和容量的測(cè)試，我們從樣本數(shù)據(jù)中挑選出內(nèi)阻為0.7～0.8mΩ，容量介于17～18Ah的12個(gè)電池單體，利用鐵氟龍高溫線(xiàn)將電池單體利用頂端接線(xiàn)的方式進(jìn)行封裝，并配備中間繼電器、逆變器、磷酸鐵鋰電池保護(hù)板、LED指示燈、插座、電源、風(fēng)扇等器件，用4個(gè)溫控開(kāi)關(guān)連接電池保護(hù)板防止過(guò)熱保護(hù)、過(guò)沖保護(hù)和短路保護(hù)，外層加鋪青稞紙進(jìn)行絕緣處理，應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為了美觀期間，應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備的外部用黑色亞克力板進(jìn)行包裝，留有USB接口、三相電源插座、指示燈、顯示屏、散熱孔等，廢舊動(dòng)力電池制作的應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備外觀見(jiàn)圖6所示，該設(shè)備可利用220V電壓進(jìn)行充電，充電過(guò)程中外接顯

示屏?xí)@示電壓、電流、功率和電量等數(shù)據(jù)信息，充電完成后指示燈由紅色變?yōu)榫G色。放電默認(rèn)配備60W照明燈，最大輸出功率可達(dá)500W。試驗(yàn)過(guò)程連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本、投影儀、音響、手機(jī)等用電器供電測(cè)試15次，充放電均正常。

3 結(jié)論

以電動(dòng)汽車(chē)為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車(chē)是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，動(dòng)力電池的性能隨著電池使用的逐漸衰減，將達(dá)不到電動(dòng)汽車(chē)的使用標(biāo)準(zhǔn)，由此引起電池的更新?lián)Q代將導(dǎo)致廢舊動(dòng)力電池?cái)?shù)量的不斷增加，研究主要是以電動(dòng)汽車(chē)使用量的與日俱增與廢舊動(dòng)力電池不斷增加之間的矛盾為出發(fā)點(diǎn)，在安全保障條件下，利用院?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）室設(shè)備，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、實(shí)驗(yàn)推理、數(shù)學(xué)歸納等方法，對(duì)比亞迪廢舊磷酸鐵鋰電池進(jìn)行拆解、測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、重組等試驗(yàn)，完成應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備的制作和測(cè)試。本課題利用廢舊動(dòng)力電池制作應(yīng)急儲(chǔ)能設(shè)備是在比亞迪汽車(chē)有限公司工程師的指導(dǎo)下，由西安汽車(chē)職業(yè)大學(xué)教學(xué)部門(mén)和校企合作辦公室共同合作完成，具有校企共研、多部門(mén)合作、寓教于學(xué)、師生協(xié)創(chuàng)等特點(diǎn)，為廢舊動(dòng)力電池的梯次利用深層次研究提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王豐偉.退役動(dòng)力電池剩余容量梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)工程學(xué)院，2017.