電動汽車車載退役電池動態(tài)均衡技術研究

鄧昕 張周燦 謝長君

摘 要： 隨著新能源電動汽車應用越來越廣泛，車載動力電池退役后用于儲能等領域實現(xiàn)梯次利用，對緩解環(huán)境污染問題具有重要意義。本文以某純電動環(huán)衛(wèi)車上的退役動力電池組為研究對象，選擇16節(jié)退役電池開展性能及不一致性測試?；?6節(jié)退役電池串聯(lián)構成的儲能用電池組，設計了一種基于超級電容儲能的動態(tài)主動均衡系統(tǒng)，以單體電池的SOC值為均衡變量，建立系統(tǒng)仿真模型并進行仿真模擬，結果驗證本文設計的動態(tài)均衡方案具有較好的均衡效果。

關鍵詞： 退役電池；梯次利用；不一致性；主動均衡

0 .引言

據(jù)相關統(tǒng)計，2012年我國有15萬噸左右的廢電池是從電動汽車上更替下來的[1]-[3]。退役電池的有效回收和二次使用可以有效解決對電能容量要求較低的能源系統(tǒng)的電源問題，提升能源的使用率，延長電池使用時間，這也大大降低了電池的使用成本，有效的減輕了環(huán)境污染問題[4]-[6]；另一方面對退役電池進行有效的二次利用可以極大地降低鋰電池在回收處理階段給動作人員的工作強度[7]-[8]。因此，對新能源電動汽車退役電池的梯次回收再利用技術的研究十分重要[9]-[10]。

1.某電動環(huán)衛(wèi)車車載退役電池測試

本文研究的退役電池是從XX公司生產的2103010-EV2301型2.5噸純電動環(huán)衛(wèi)車上退役下來的。退役電池包的初始電壓達330V。這整個電池組是由上層52節(jié)電池與下層54節(jié)電池的雙層框架構成。下面對這106節(jié)退役電池進行回收利用的實驗。

為了提高退役電池的利用率，延長退役電池的循環(huán)壽命，降低成組使用后電池的一致性差異，在退役電池回收再次利用前，需要進行適當?shù)暮Y選以剔除質量較差的廢舊電池，這就要求有相對明確的一致性判定參照。進行了對實驗室現(xiàn)有的電池不一致性的判定實驗，從實驗得出的數(shù)據(jù)分布的大致趨勢可知，電池放電至電量為0時不一致性差異最大。

由于電池的不一致性一般通過電池放電實驗末期電池電壓的差異來表現(xiàn)。通常情況下，規(guī)定電池在完全放電后端電壓的差值大于0.3V時，電池之間存在不一致性。在退役電池的回收利用過程中降低電池之間的不一致性，是使退役電池能夠被充分利用的重要手段。

2.退役電池動態(tài)均衡系統(tǒng)設計

本文從實驗室的實際情況與退役電池的性能特點出發(fā)，選用電池荷電狀態(tài)SOC值為均衡變量的主動均衡方法。在對比分析了幾種常用的均衡電路拓撲結構后，本文采用以儲能電容作為能量傳遞媒介的電容式均衡拓撲結構對退役電池組進行均衡管理。

本文的研究對象是從電動環(huán)衛(wèi)車上替換下來的退役電池組中經過篩選后所挑選的16節(jié)退役電池。串聯(lián)的16節(jié)退役電池的兩端分別連接一個電子開關，由兩個MOSFET管、兩個二極管、兩個電子開關與公共的儲能電容組成儲能電容模塊。對退役電池組進行均衡管理之前，利用放電實驗法估測單體電池的荷電狀態(tài)SOC，計算出電池組的平均SOC值。其次需設定相應的均衡差異閥值。由于退役電池內部差異較大，本文實驗中設定的均衡開啟SOC閥值為平均值的0.05，當退役電池組單體電池SOC值與平均值的差異小于0.05時，停止均衡。整個均衡過程分為高能量的電池給儲能電容充電與儲能電容給低能量的電池放電兩個階段。此均衡電路可以對電池組中的任意兩個電池進行均衡操作，均衡過程容量利用率較高，整個過程較為簡單，均衡效果較好。

3.退役電池均衡系統(tǒng)仿真驗證

為了驗證上文制定的均衡控制策略、均衡拓撲結構的可行性與最終效果，現(xiàn)在MATLAB/Simulink上進行仿真驗證實驗。主要由電源、均衡控制器、待測電池、均衡電路部分、采集與驅動電路等部分共同組成仿真模型系統(tǒng)。首先確定待測電池的SOC值并檢測單體電池之間SOC值差異是否超過規(guī)定均衡閥值。如超過相關閥值，由控制器控制開關管的導通與關閉，平衡各個單體電池之間的SOC值，使16節(jié)退役電池SOC值差在規(guī)定閥值以內時停止均衡。由于此次實驗電池為退役電池，又出于對電池組的保護，此次仿真實驗設定在充電過程中當單體電池電壓達到85%時，電池組停止充電。

下面測量從實驗室里經過分選后的退役電池中挑選的16節(jié)退役電池的各個SOC值并輸入仿真模型系統(tǒng)。分別測試單體電池在靜置、恒流充電兩種狀態(tài)下SOC值。充電測試時，通過恒流源模塊設置10A的恒定電流進行充電均衡，持續(xù)1小時，觀察并記錄SOC值變化，如圖1，圖2。

由圖1、圖2對比分析可知，所挑選的退役電池其初始荷電狀態(tài)SOC主要分布在0.47-0.78之間，通過靜置均衡之后，SOC主要集中在0.58-0.68之間，雖然仍存在一定差異，但均衡后的差異均衡控制在0.1左右；在充電狀態(tài)下，均衡系統(tǒng)工作后SOC主要集中0.75-0.85之間。對于性能參數(shù)較為復雜的退役電池而言，此系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的均衡效果。

4.總結

本文從退役電池的回收利用出發(fā)，分析了退役電池回收利用過程中的一些主要問題。從退役電池的利用趨勢出發(fā)，對國內外退役電池回收利用現(xiàn)狀的分析。分析了電池不一致性產生的原因，通過實驗對比退役電池與新電池的不一致性差異，以及退役電池不一致性的影響。另外，從退役電池與新電池放電過程電池電壓的變化差異出發(fā)，提出退役電池不一致性的判定標準。分析了退役電池回收利用之前的篩選分級方法。提出了一種基于電容作為能量傳遞媒介的主動均衡電路，并進行了仿真驗證實驗。

參考文獻

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