動(dòng)力電池多梯級(jí)利用的技術(shù)難點(diǎn)分析

李維，劉生全，何兆麒

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動(dòng)力電池多梯級(jí)利用的技術(shù)難點(diǎn)分析

李維1,2，劉生全3，何兆麒4

（1.西安航空學(xué)院汽車檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710077； 2.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077；3.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064； 4.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024）

我國(guó)已經(jīng)成為了全球最大的電動(dòng)汽車銷售市場(chǎng)。在未來(lái)的幾年中，會(huì)有大量新能源汽車的動(dòng)力電池由于儲(chǔ)能效率的降低被報(bào)廢。還具有一定儲(chǔ)能功能的電池被直接報(bào)廢不僅會(huì)占用放置空間形成環(huán)境污染，而且還是能源的浪費(fèi)。那么，動(dòng)力電池如何進(jìn)行再利用將是一個(gè)亟待解決的研究課題。預(yù)實(shí)現(xiàn)對(duì)淘汰的動(dòng)力電池進(jìn)行多梯級(jí)的利用，務(wù)必對(duì)其在利用過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，對(duì)這些技術(shù)難點(diǎn)的的研究具體包括了研究動(dòng)力電池單體性能的差異，篩選出相似性能的電池構(gòu)成電池組；研究動(dòng)力電池的最佳充電形式，實(shí)現(xiàn)電池高效無(wú)損的充電；研究開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池壽命的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮動(dòng)力電池在梯級(jí)利用各個(gè)階段中的最大效能；研究開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控單體電池的不均衡性和電池組充放電的不均衡性，從而采取策略延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命；研究動(dòng)力電池在多領(lǐng)域中示范性的應(yīng)用策略。對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行深入研究將會(huì)為動(dòng)力電池梯級(jí)利用的順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

電池分類；充電曲線；電池壽命；遠(yuǎn)程監(jiān)控；多梯級(jí)示范

前言

當(dāng)新能源汽車的電池儲(chǔ)能容量低于 80%時(shí)，則無(wú)法滿足汽車的續(xù)航里程要求，必須要進(jìn)行報(bào)廢。如果對(duì)報(bào)廢了的動(dòng)力電池進(jìn)行拆解則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池剩余容量的有效利用。所以動(dòng)力電池到了使用年限，無(wú)法滿足新能源汽車的使用要求時(shí)，可以將動(dòng)力電池應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮“動(dòng)力電池的余熱”，即我們稱之為“動(dòng)力電池的多梯級(jí)利用”，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池價(jià)值的充分發(fā)揮，進(jìn)而降低電池的制造成本。

電動(dòng)汽車淘汰下來(lái)的動(dòng)力電池梯級(jí)利用是電池儲(chǔ)能的一種非常重要形式。因此，國(guó)家政府相關(guān)部門出臺(tái)了對(duì)于動(dòng)力電池梯級(jí)利用的多條政策，旨在促進(jìn)梯級(jí)利用技術(shù)和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。但是，目前實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯級(jí)利用還有一些技術(shù)難點(diǎn)，比如：動(dòng)力電池分類、充電曲線設(shè)計(jì)、電池壽命預(yù)估、性能參數(shù)監(jiān)控等，這些技術(shù)難點(diǎn)的攻克將會(huì)為廣泛開(kāi)展動(dòng)力電池的梯級(jí)利用打開(kāi)廣闊空間。

1 開(kāi)展動(dòng)力電池梯級(jí)應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)和研究方法分析

1.1 研究動(dòng)力電池單體性能的差異，篩選出相似性能的電池組成電池組

單體的動(dòng)力電池和由若干個(gè)單體動(dòng)力電池構(gòu)成的電池組，這兩者在使用過(guò)程中的性能參數(shù)是有明顯差異的。電池組的使用壽命并不等于單體電池使用壽命的平均值。這主要是由于即使標(biāo)簽是相同的單體動(dòng)力電池，但其性能也無(wú)法保證完全的一致。單體電池的性能差異主要有兩個(gè)指標(biāo)：構(gòu)成電池組之前的單體電池的性能差異和組成電池組之后的電池內(nèi)部狀態(tài)變化的不一致導(dǎo)致的性能差異[1]。對(duì)于單體電池而言，容量和內(nèi)阻分別代表了電池的能量與功率特性。這兩種參數(shù)可以作為單體電池分選的直接指標(biāo)。但是，直接使用這兩種參數(shù)作為分選指標(biāo)也有明顯的不足。因?yàn)闊o(wú)論單獨(dú)使用哪一種參數(shù)，都無(wú)法全面地表示電池的性能。其次，這兩種指標(biāo)比較難以精確獲得，通常都會(huì)受到測(cè)量可靠性的影響。因此，在動(dòng)力電池組的使用中必須嚴(yán)格要求單體電池的性能必須達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。

所以，必須采取一定的原則和方法對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行分類，把電池性能差異小、性能接近的單體電池組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的最佳性能。因此，有必要在這電池容量和內(nèi)阻這兩種參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立某種數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算動(dòng)力電池的多項(xiàng)參數(shù)，由多參數(shù)優(yōu)化制定出動(dòng)力電池單體性能差異的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，制定出相似性能的電池構(gòu)成電池組的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

1.2 研究動(dòng)力電池的最佳充電曲線，實(shí)現(xiàn)電池?zé)o損快速地充電

動(dòng)力電池充放電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，呈現(xiàn)出非線性、多變量和離散性的特點(diǎn)[2-4]。動(dòng)力電池充電過(guò)程與電池材料、結(jié)構(gòu)、溫度、充電電流、健康狀態(tài)、可用容量、電倍率、極化效應(yīng)、滯回特性等諸多因素有關(guān)，不同變量間呈非線性的關(guān)系。動(dòng)力電池的充電的效果與其采用的充電方法實(shí)密切相關(guān)的。現(xiàn)有的充電方法有恒流充電、恒壓充電、恒壓恒流充電、分段恒流充電等十幾種方法。在各種傳統(tǒng)充電方法中，充電參數(shù)和模式都是固定的，充電過(guò)程是不考慮電池的實(shí)際狀態(tài)的，忽略電池的極化效應(yīng)、滯回特性、溫度特性等。這樣的充電過(guò)程對(duì)電池是有損傷的，長(zhǎng)期使用后會(huì)降低電池性能和壽命。

所以，有必要探索動(dòng)力電池的充電策略，研究出一種智能的電池充電技術(shù)。在充電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)判斷電池的充電狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)出電池內(nèi)的性能參數(shù)的變化，使電池始終保持最大的接受能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類的動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的充電效果。這樣，動(dòng)力電池的充電過(guò)程將會(huì)更加安全、高效，動(dòng)力電池的壽命也會(huì)更為持久。

1.3 研究開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池壽命的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮動(dòng)力電池在梯級(jí)利用各個(gè)階段中的最大效能

電池壽命的可靠性預(yù)測(cè)可以為電池更換和維護(hù)提供重要的提示信息，避免了由于電池故障或更換不及時(shí)而造成的重大損失，提高了電池應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。由于電池的使用壽命可分為循環(huán)壽命、浮充壽命、擱置壽命、熱應(yīng)力壽命等等，并且不同種類的電池其壽命的影響因素也存在著差異[5-7]。此外，動(dòng)力電池又屬于典型的非線性、動(dòng)態(tài)的電化學(xué)領(lǐng)域，其內(nèi)部參數(shù)當(dāng)在線應(yīng)用時(shí)不易于測(cè)取。動(dòng)力電池壽命的長(zhǎng)短主要是由電池容量來(lái)評(píng)價(jià)的，而電池容量的下降又主要受到電池的充放電溫度和電流的影響。

所以，針對(duì)電池壽命需要開(kāi)展全面深入的研究，通過(guò)數(shù)學(xué)建模把電池容量衰減與循環(huán)壽命之間構(gòu)建出非線性關(guān)系，設(shè)定多指標(biāo)或者多參數(shù)來(lái)綜合評(píng)定動(dòng)力電池的壽命。最后開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，比如使用數(shù)字X射線計(jì)算機(jī)層析圖像測(cè)量等測(cè)取與電池壽命相關(guān)的性能參數(shù)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)擬合方法進(jìn)行修正，可以得到一個(gè)較好的動(dòng)力電池壽命的預(yù)估模型。通過(guò)建立一套動(dòng)力電池壽命的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮動(dòng)力電池在梯級(jí)利用各個(gè)階段中的最大效能。

1.4 研究單體電池和電池組充放電時(shí)的不均衡性，延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命

有許多因素都會(huì)影響動(dòng)力電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如工作電壓、工作溫度和電流波動(dòng)等。若想確保動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全高效地穩(wěn)定運(yùn)行，就希望能夠監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池和電池組的工作狀態(tài)參數(shù)，一旦一些參數(shù)超過(guò)合理的上下極限，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警給予提示。電池組內(nèi)單體電池的不均衡性是由于單體動(dòng)力電池在制造過(guò)程中，其初始的容量、電壓、內(nèi)阻等與電池組中的其他單體電池未必完全相同。這種差異會(huì)造成電池組的過(guò)度充電和過(guò)度放電的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)該電池組的容量比其它電池組都低，造成整個(gè)蓄電池組無(wú)法正常的工作，同時(shí)這也極大地?fù)p害了對(duì)電池的壽命[8]。

因此有必要對(duì)構(gòu)成一個(gè)電池組的不同單體電池性能的不均衡性進(jìn)行分析，建立單體電池的不均衡特性的模型，制定出單體電池的不均衡控制策略[9]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)由單體電池構(gòu)成的電池組的充放電不均衡現(xiàn)象也進(jìn)行分析，建立電池組的充放電不均衡性的數(shù)學(xué)模型，制定出電池組的能量分流充放電控制策略。所以，研發(fā)出一套監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電池的不均衡性和電池組充放電的不均衡性相關(guān)參數(shù)，從而延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命。

1.5 研究開(kāi)發(fā)出動(dòng)力電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地監(jiān)控單體電池和整體電池組的工作性能參數(shù)

2 研究重點(diǎn)流程圖

圖1 研究重點(diǎn)流程圖

研發(fā)出一套動(dòng)力電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將單體電池的不均衡性、電池組充放電的不均衡性以及電池的各種性能參數(shù)上傳到技術(shù)中心，有利于新能源汽車企業(yè)深入研究電池的性能。首先，通過(guò)使用ZigBee通信技術(shù)、CAN總線、3G數(shù)據(jù)包、Internet數(shù)據(jù)包等來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電池電壓、典型位置的溫度、系統(tǒng)總電壓、系統(tǒng)電流及電池SOC等數(shù)據(jù)[10,11]。之后開(kāi)發(fā)電池的管理系統(tǒng)、車載終端、后臺(tái)服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地監(jiān)控動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

動(dòng)力電池的梯級(jí)利用可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低電動(dòng)汽車動(dòng)力電池方面的成本，避免了由于填埋電池帶來(lái)的污染問(wèn)題。同時(shí)也滿足了其他行業(yè)對(duì)動(dòng)力電池的需求。所以，為動(dòng)力電池開(kāi)展廣泛的梯級(jí)利用，有必要對(duì)動(dòng)力電池單體和電池組的內(nèi)部參數(shù)和技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算、試驗(yàn)、評(píng)估，建立完善的動(dòng)力電池的技術(shù)性能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為動(dòng)力電池多梯級(jí)利用的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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Technical Difficulties Analysis of Multi-step Utilization of Power Battery

Li Wei1,2, Liu Shengquan3, He Zhaoqi4

( 1.College of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University, Shaanxi Xi’an 710077; 2.Automotive Inspection Engineering Technology Research Center, Shaanxi Xi’an Aeronautical University, Shaanxi Xi’an 710077; 3.School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064; 4.School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024 )

China has become the world's largest market for electric vehicle sales. In the next few years, a large number of new energy vehicles' power batteries will be scrapped due to reduced energy storage efficiency. The scrapped batteries will take up a lot of storage space and cause environmental pollution. How to reuse the power batteries will be a research topic that needs to be solved urgently.It is necessary to carry out research on the technical difficulties arising in the process of utilization for multi-step utilization of the scrapped power batteries. These technical difficulties including researching on the difference of performance of power battery cells, screening out battery with similar performance to form battery pack; studying on the optimal charging curve of power battery to realize Non-destructive and fast charging of batteries; research and development of predictive systems for power battery life, to maximize the performance of power batteries in various stages of cascade utilization; research and development of remote monitoring systems for power batteries, monitoring the imbalance of single cells and charging and discharging of battery cells The imbalance is adopted to adopt a strategy to extend the service life of the power battery; to study the exemplary application strategy of the power battery in various fields. An in-depth study of the above content will lay the foundation for the smooth development of power battery cascade utilization. This will lay the foundation for the successful development about multi-step utilization of power battery.

Battery classification; charging curve; battery life; remote monitoring; multi-step demonstration

B

1671-7988(2018)22-11-03

U469.72

B

1671-7988(2018)22-11-03

U462

李維，男，出生于1980年2月，博士研究生。工程師，研究方向：新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.004