儲能用梯次利用電池組一致性檢測與評價方法

孟金嶺，肖健夫，閔 婕，李章溢，孫 瑞

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東廣州 510080；2.深圳市欣旺達綜合能源服務有限公司，廣東深圳 518132)

近年來，光伏發(fā)電裝機總?cè)萘坎粩嘣黾?，帶動了儲能應用產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。國家電網(wǎng)發(fā)布《關于促進電化學儲能健康有序發(fā)展的指導意見》的報告中顯示我國儲能裝機規(guī)模已經(jīng)位列全球第一。截止到2018 年12 月底，我國儲能累計裝機容量達到31.3 GW，其中電化學儲能為6.5 GW。由于鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)性能好的優(yōu)點，鋰離子電池儲能占比高達86%，電池儲能市場發(fā)展空間巨大[1]。鋰離子電池與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，其成本較高，這抑制了鋰離子電池在儲能應用市場的進一步擴展。

新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟數(shù)據(jù)報道，目前中國退役電池累計約25 GWh，這些電池出路成為亟待解決的問題。如果將退役動力電池重組，組成滿足要求且性能良好電池組用作儲能，即對退役電池回收利用，不僅實現(xiàn)最大利用價值[2]，還能滿足電池儲能市場部分需求[3-4]。

退役動力電池重組需要對電池進行嚴格篩選，否則，在電池重新成組后，電池之間的不一致將成為影響電池組性能的關鍵因素[5]。生產(chǎn)過程工藝不完全平行和使用時電池衰退速率不同容易使電池產(chǎn)生性能不一致[6]，出現(xiàn)不一致性是不可避免的。摸索電池組一致性檢測與評價方法，使重組之后電池組一致性好，電池組可安全可靠較長時期地用于儲能系統(tǒng)很有必要。

1 電池組一致性評價方法

電池組不一致性主要表現(xiàn)在單體之間容量、SOC、內(nèi)阻的不一致性。電池組充放電時為了避免單體電池過充或過放，常設定任一單體電池達到截止電壓則終止充放電。電池組內(nèi)單體容量不一致時，電池組容量受限于最小容量電池；電池SOC不一致時，偏高SOC電池將首先被充滿，SOC偏低電池將首先被放空；內(nèi)阻不一致時，內(nèi)阻較大的電池將首先被充滿或放空，電池組容量受限于內(nèi)阻最大的單體電池。

在實際使用過程中，電池之間不一致性可能是其中幾個甚至所有因素共同作用的結(jié)果，諸多的不一致性造成電池組容量和能量利用率大幅下降。這將影響電池組使用壽命和可靠性，并增加儲能系統(tǒng)使用維護成本[7]。

電池組一致性評價主要利用電壓、容量、內(nèi)阻三個特性參數(shù)[8-10]。基于電壓的一致性評價方法，通常使用電池組內(nèi)各單體電池的平均電壓、電壓方差、電壓極差等數(shù)學統(tǒng)計概念來描述電池組的一致性分布情況。有學者通過對電壓數(shù)據(jù)進一步處理，提出一種基于時間序列聚類質(zhì)量不一致性評估方法，并與容量不一致性進行比較，驗證該方法的有效性[9]?；陔妷旱囊恢滦栽u價方法雖然便于測量與計算，但受限于電池當前的使用狀態(tài)，靜態(tài)與動態(tài)條件下的電壓具有不同含義。選擇開路電壓來描述電池組一致性，易受到溫度的影響，評價結(jié)果可能產(chǎn)生較大誤差[10]。電池容量與內(nèi)阻分別從熱力學和動力學角度表征健康狀態(tài)。電池組容量與組內(nèi)各單體電池容量相關，與各單體電池SOC狀態(tài)相關。依據(jù)單體電池容量差異進行一致性評價會有偏差，因為SOC差異將導致重組之后電池組性能下降?；趦?nèi)阻的一致性評價對SOC、溫度的變化較為敏感，且受時間尺度影響使電池內(nèi)阻難以實現(xiàn)精確計算[10]。除此之外，還有部分學者提出了基于阻抗[11]、離散度[12]、充放電特性[13]等一致性評價方法。到目前，未見基于容量與能量利用率的不一致性評價。

本文基于退役動力電池單體容量數(shù)據(jù)，結(jié)合電池健康狀態(tài)、電池單體SOC，將電池組容量與能量利用率作為一致性評價指標，相比其他電池一致性評價方法，能夠同時提升重組后電池組容量和能量利用率，保證電池組容量與能量充分利用。該方法對于拆解前一致性較差電池組，可以大幅提升重組后電池組性能。

2 實驗方案

實驗用電池為磷酸鐵鋰退役電池，每個模組標稱容量160 Ah，4 個單體電池串聯(lián)。從該批電池組中任意挑選三個模組進行測試。充電截止為模組內(nèi)任一單體電壓達到3.65 V，放電截止為任一單體電壓達到2.5 V。模組允許最大充電電流為1C，退役時模組容量一般衰退至其標稱容量60%～80%，所以測試時充電電流設為70 A。

Step1:對電池模組以70 A 進行放電，最低單體電壓至2.5 V 截止，靜置30 min，記錄放電容量，再以70 A 進行充電，最高單體電壓到3.65 V 截止，靜置30 min，記錄充電容量；

Step2:使用單體充放電設備，對模組內(nèi)單體電壓未到3.65 V 的3 個單體電池以70 A 進行充電至電壓到達3.65 V，靜置30 min，記錄每個單體電池的充電容量；

Step3:使用單體充放電設備，對模組內(nèi)4 個單體電池以70 A 恒流放電至單體電壓等于2.5 V，靜置30 min，記錄每個單體電池的放電容量。

為了消除溫度對電池組一致性分析的影響，上述測試均在(25±2)℃高低溫試驗箱內(nèi)進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 電池健康狀態(tài)

電池健康狀態(tài)用來反映電池當前的性能衰退情況，即用電池當前容量與初始容量的比值作為衡量指標。將實驗選取的三個模組分別記為PackN，相應模組內(nèi)的四個單體電池分別記為CellN1、CellN2、CellN3 與CellN4，N的取值為A、B、C。則在Step1 中，電池組放電容量為Qdis,p，電池組充電容量為Qchr,p。通過Step1 的實驗獲取所選電池組的容量分布Qchr,p如圖1 所示?？梢钥闯?，退役之后的電池組剩余容量為標稱容量的87%，距離電池壽命截止(電池壽命截止條件一般定義為電池容量衰退至標稱容量的60%)仍具有27%的剩余容量，應用于儲能工況具有較大的價值。三個電池模組中，PackA 與PackB 容量相近，而PackC 比PackA、PackB 容量小，最大容量差為5.029 Ah。在Step3 中，模組內(nèi)單體電池放電容量分別為QN1,…,QN4，N的取值為A、B、C，所選模組內(nèi)各單體電池容量見圖2，各模組中最大容量差值分別為1.616、1.25 和0.592 Ah。模組間容量一致性較差，同一模組內(nèi)單體電池容量一致性良好。

圖1 所選電池組的容量分布

圖2 所選模組內(nèi)各單體電池的容量分布情況

3.2 電池單體SOC 分布

為了獲得電池組容量與能量利用率的數(shù)據(jù)，根據(jù)已知電池組容量與單體電池容量，計算單體電池SOC分布。將單體電池SOC區(qū)間劃分為三個部分：

(1)當電池組充滿后，對模組內(nèi)單體電壓未達到充電截止電壓的其余單體電池充電至截止電壓所對應的SOC區(qū)間，即高端未用SOC；

(2)對電池組放電至最低單體電壓到截止電壓，保證電池組為空電狀態(tài)，之后充電至最高單體電壓到充電截止電壓所對應的SOC區(qū)間，即電池組使用SOC；

(3)當電池組放空后，對模組內(nèi)單體電壓未達到放電截止電壓的其余單體電池放電至截止電壓所對應的SOC區(qū)間，即低端未用SOC。

各單體電池高端未充入的容量分別記為QN1,H,…,QN4,H，低端未放出的容量分別記為QN1,L,…,QN4,L，電池組使用容量分別記為QN,p。所選電池組經(jīng)過Step2 后，各單體電池充入的容量則為高端未充入的容量，如圖3 所示。CellA2、CellB3 與CellC3 最先達到充電截止電壓，其余各單體電池存在高端未用SOC。

電池低端未放出的容量需要通過模組內(nèi)各單體電池的放電容量、高端未充入的容量與電池組容量計算獲得，即：

式中：N的取值為A、B、C；n的取值為1、2、3、4。各單體電池低端未放出的容量如圖4 所示。CellA1、CellB1 與CellC1 低端未放出容量均為零，可見在電池組放電過程中最先達到放電截止電壓，其余各單體電池存在低端未用SOC。

圖3 所選模組內(nèi)各單體電池高端未充入的容量

圖4 所選模組內(nèi)各單體電池低端未放出的容量

按照電池組使用容量，電池組內(nèi)各單體電池低端未放出的容量與高端未充入的容量三個部分，計算各單體電池的低端未用SOC區(qū)間0～SOCNn,L，電池組使用SOC區(qū)間SOCNn,L～SOCNn,p，高端未用SOC區(qū)間SOCNn,p～SOCNn,H，則：

所選電池組內(nèi)單體電池SOC分布區(qū)間見圖5。三個電池組的SOC區(qū)間分布一致性較好，電池低端未用SOC區(qū)間與高端未用SOC區(qū)間占比均不超過2%，對于電池組PackC 來說，使用SOC區(qū)間更是高達99%，但不存在高端與低端未用SOC均為零的單體電池。

圖5 所選模組內(nèi)各單體電池SOC的分布區(qū)間

3.3 電池組容量利用率

為了準確計算電池組容量的利用程度，定義電池組的容量利用率ηc,p為電池組在當前狀態(tài)下的容量Qp與其最大可用容量Qmax,p的比值。

由于受充放電截止電壓的限制，電池組容量取決于各單體電池的可用容量與其所處的SOC狀態(tài)(由于其精確計算難以實現(xiàn)，忽略電池內(nèi)阻的影響[13])。假設電池組由n只可用容量分別為Q1,…,Qn，SOC狀態(tài)分別為SOC1,…,SOCn的電池串聯(lián)組成，則電池組的容量Qp為其當前可充電容量與當前可放電容量之和。而無論電池組內(nèi)各單體電池的SOC處于何種狀態(tài)，由于電池不可能被過充或者過放，則電池組最大可用容量Qmax,p總是不超過電池組內(nèi)單體電池最小容量。

式中：i、j、k為1，...，n。i、j分別代表電池組內(nèi)最先充滿與放空的單體電池編號，通過改變i、j的值，可以模擬電池組不同單體最先達到充放電截止電壓時的容量。當i=j時，電池組內(nèi)最先達到充電截止電壓的單體與最先達到放電截止電壓的單體為同一單體電池，則該電池必然為電池組內(nèi)容量最小的電池，此時的電池組容量即為電池組最大可用容量，即：

且k=i=j，容量利用率為：

當i≠j時，電池組內(nèi)最先達到充電截止電壓的單體與最先達到放電截止電壓的單體并非同一單體電池，此時的電池組容量必然低于電池組內(nèi)單體電池最小容量，即：

此時，電池組容量無法被充分利用。因此，只有在電池組內(nèi)容量最小的電池最先達到充放電截止電壓時，電池組容量利用率才能夠達到100%，實現(xiàn)電池組容量利用的最大化。

在計算電池組容量利用率時，需要已知各單體電池的可用容量與當前所處的SOC狀態(tài)，可見電池組容量利用率是一種綜合了電池健康狀態(tài)與SOC分布的評價指標，而對于退役電池組來說，這些變量都難以直接獲取，使得容量利用率的計算存在困難。因此，需要通過第二節(jié)所描述的檢測方案進行測試，得到電池組容量與各單體電池的可用容量，進而計算電池組容量利用率，所選電池組容量利用率見圖6。三個模組的容量利用率均在99%，表明電池組的一致性良好，但仍未實現(xiàn)電池組容量利用的最大化。

圖6 所選電池組容量利用率

為了將容量利用率提升至100%，需要電池組內(nèi)容量最小的單體電池被完全利用。反過來說，如果在電池組充滿或放空時，各單體電池均達到充電截止電壓或放電截止電壓，則電池組容量將為組內(nèi)最小電池容量。第二節(jié)所提出的檢測方案，不僅可以用于計算電池組容量利用率，評價電池組的一致性程度，同時經(jīng)過檢測之后的電池組內(nèi)各單體電池均達到放電截止電壓，對于重組之后的電池組應用，容量利用率均可提升至100%，保證了容量利用的最大化。

3.4 電池組能量利用率

考慮電池組能量的利用程度，定義電池組的能量利用率ηE,p為電池組在當前狀態(tài)下的可用能量Ep與其最大可用能量Emax,p的比值。

電池單體可用能量E=UIt=UQ，U為電池端電壓，Q為電池可用容量。對于電池組來說，當前可用能量為其各單體電池當前可用能量之和，由電池組容量利用率的分析可知各單體電池的當前可用容量均為電池組容量Qp，因此電池組當前可用能量Ep與各單體電池當前所處端電壓有關，忽略電池內(nèi)阻的影響，用電池開路電壓代替電池端電壓，即：

式中：x=1,…,n；OCVSOCx,L～SOCx,p為x單體電池所對應的開路電壓。

對于同一批電池，不同單體電池開路電壓只與電池所處的SOC狀態(tài)有關?？梢?，電池組的可用能量不僅與電池組的容量有關，同時與各單體電池SOC的分布緊密相連。

電池組最大可用能量Emax,p為其各單體電池最大可用能量之和，要使得單體電池可用能量最大，則需要電池組容量Qp最大化，同時單體電池的電池組使用SOC區(qū)間分布要盡可能的高，即電池高端未用SOC區(qū)間為零，SOCx,p=100%，此時，電池可用能量最大。

在電池組充放電時，電池組內(nèi)各單體電池對應的SOC并非均從0%變化到100%，且電池組容量利用率也并非100%，所以并未實現(xiàn)電池組能量的最大化利用。

為了將電池組能量利用率提升至100%，不僅需要電池組內(nèi)容量最小的電池最先達到充放電截止電壓，即電池組容量的充分利用，同時必須在電池組充滿時，各單體電池均達到充電截止電壓，不存在高端未用SOC區(qū)間。使用第二節(jié)所提出的檢測方案，經(jīng)過檢測之后的電池組內(nèi)各單體電池均達到放電截止電壓，僅達到了電池組容量利用的最大化，未滿足對于SOC使用區(qū)間的要求，故而提出一種改進的電池組一致性檢測方法，即：

Step1:對電池模組以70 A 進行充電，最高單體電壓到3.65 V 截止，靜置30 min，再以70 A 進行放電，最低單體電壓至2.5 V 截止，靜置30 min，記錄充放電容量；

Step2:使用單體充放電設備，對模組內(nèi)單體電壓未到2.5 V 的3 個單體電池以70 A 進行放電至電壓到達2.5 V，靜置30 min，記錄每個單體電池的放電容量；

Step3:使用單體充放電設備，對模組內(nèi)4 個單體電池以70 A 恒流充電至單體電壓等于3.65 V，靜置30 min，記錄每個單體電池的充電容量。

改進的電池組檢測方法與第二節(jié)所提出的檢測方案相比，測試步驟相似，所需時間相同，只將充放電的順序進行調(diào)整，經(jīng)過檢測之后的電池組內(nèi)各單體電池均達到充電截止電壓，對于重組之后的電池組應用，既保證了電池組容量的充分利用，同時又將能量利用率提升至100%，實現(xiàn)了電池組能量利用的最大化。

4 結(jié)論

電池組能量利用是其容量與SOC分布綜合體現(xiàn)，容量充分利用只是其能量充分利用的一個部分。電池組內(nèi)單體電池存在高端未用SOC將嚴重影響電池能量的利用。依據(jù)電池健康狀態(tài)、電池單體SOC分布、電池組容量與能量利用率，可以有效評價電池組一致性并表征其容量與能量利用程度。本文電池組一致性檢測方法能使電池組中容量最小電池充滿電，所使有單體電池荷電狀態(tài)達到100%。