新能源汽車動力電池梯級利用技術分析

竇虎明 于文竹 趙徐美

摘 要：作為國家戰略性新興產業，新能源汽車是汽車工業未來發展和重大技術變革的重要方向。退役動力電池再利用發展前景日益突出，將退役動力電池用于中小型儲能領域具有巨大的發展潛力。主要討論了新能源汽車動力電池梯級利用技術，闡述了動力電池性能評估中電池容量與內阻的測試方法，分析了梯次利用電池的篩選方法、篩選步驟以及配組模式，為新能源汽車動力電池的梯級利用提供了一定的參考。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;梯級利用

中圖分類號：X705??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.017

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展，動力電池回收利用的發展前景日益突出，世界上對廢舊鋰電池的使用開展了廣范研究[1]。中國政府和各部委宣布了多項研究政策，以指導廢舊鋰電池的使用，《國家節能新能源汽車產業發展規劃（2011—2020年）》明確提出建立鋰電池串聯和循環利用體系。當前，大多數廢舊鋰電池使用方案都涵蓋了儲能領域，將鋰電池用于中小型儲能領域，如家庭儲能、微電網和分布式發電等領域中具有巨大的發展潛力[2]。在現階段，商業應用和促銷活動仍有很大的發展空間，逐步的梯級利用技術突破將為大型商業應用提供廣闊的發展前景。

1 動力電池性能評估

對于動力電池的評估，首先建立一套電池檢查程序，性能一致的電池需要被快速和準確地篩選出來。與此同時，可以通過準確評估電池的運行狀況，從而模擬和測試篩選的電池使用條件。為了確保電池的最大利用效率，不同電池容量的衰減程度是不同的，因此電池的一致性差異也較大。在使用的早期階段，低壓（12～15 V）模塊的主要目標是為了減少對動力電池篩選的難度，繼而減少對電池管理設計的復雜性。可是，伴隨著使用電池時間的增加，在電池使用后期，其一致性會對電池效率產生比較大的影響，必須進行相應的調整。根據電池的實際情況，某些參數和過程需要更改[3]。在某些條件下，通過對電池模塊進行配置，在電池使用早期階段根據電池的健康狀態進行監測和糾正，從而精確地獲取電池的工作狀況，進一步優化電池的制造過程，延長電池的循環壽命，并降低電池使用成本。

1.1 梯次利用電池容量測試

對于電池容量的定義，一般是指在特定的放電條件下，電池可以提供的電量，這會直接影響電池的最大壽命和最大工作電流[4]。對于電池理論容量來說，其是基于電池內部的化學活性物質決定的，因此通常理論容量僅僅是一種參考值，在實際應用中，電池的實際容量會小于理論容量。當然，電池容量也會受工作的溫度、環境等因素的影響。對于廢舊動力電池來說，本身是退役的動力電池，在實際容量方面必然存在一定的下降，因此，必須在廢舊動力電池再次利用之前測試這些電池的容量特性。

1.2 梯次利用電池內阻特性

直流內阻可以通過復合脈沖電流法測量[5]。將電流階躍信號輸入電池，并根據歐姆定律，通過測量相應的電壓變化值，獲得直流內部電阻。電池組為50%放置1 h后，電池會極化并穩定下來，首先在1/3電量下放電270 s，然后在1/3 電量下充電270 s。充電條件下的電池放電過程如圖1所示，當電池開始放電時，會出現瞬時電壓降ΔU1，這是由電池的歐姆內阻引起的。

從圖1中可以看出，在10～20 s階段，電池開路電壓產生了△U1的壓降，這一階段主要是由于極化和充電狀態變化導致的。在該階段的過程中，對于電池的內阻來說，它是由于電池內部化學反應離子濃度造成的。隨著電池逐漸放電結束，電池會產生一個△U2的電壓增加值。所以，對于內部電阻的計算，可以通過測量上升電壓得出。在之后的階段中，電壓隨著時間上升，在電池內部發生的電化學反應停止，電池的極化效果逐步消失，電池電壓趨于穩定。

1.3 電池倍率性能測試

由于使用環境、工作條件以及廢舊動力電池的充電和放電率不同，對于動力電池來說，其損壞的程度也不同。如果對廢舊電池進行再次使用，需要對電池倍率進行性能測試，而且將有利于保障電池再次使用的循環壽命，提高電池工作的安全性。

2 梯次利用技術

2.1 梯次利用電池篩選方法

為了分層使用車輛電池，必須將廢舊電池重新篩選成組。篩選和重新組合電池的過程如圖2所示，放置12 h，然后將利用測試平臺對動力電池組進行數據采集和測試。對動力電池進行預處理是第一步，接下來測試整個電池包容量、每個單體電池的容量和內阻、電池的自放電率，然后在完成所有測試后斷開與測試平臺的連接線路，最后單個電池的容量值分級重組新的電池模組，基于不同儲能系統的功能需求進行組裝。

2.2 電池梯次利用篩選步驟

（1）篩選出額定容量低于50%的單體電池。對于單體電池循環壽命來說，退役后的電池額定容量達不到50%時，不滿足在動力電池汽車上繼續使用的要求，需要篩選出來。

（2）剔除容量低于平均容量10%的單體電池。對于電池來說，使用過程中遵循正態分布的特點，基于電池容量統計分布的規律，剔除電池容量低于平均容量10%的電池。

（3）剔除內阻大于平均內阻50%的單體電池。由于電池工作過程中，溫度條件和供電要求均對內阻閾值做了一定設定，因此內阻大于平均內阻50%的單體電池需要被剔除。

對滿足容量要求的電池，根據電池發熱條件和具體供電要求設置內阻閾值，內阻超過平均內阻50%的電池除外。

（4）剔除自放電率大于閾值的單體電池。由于電池除滿足容量和電池內阻之外，還需要滿足一定的自放電閾值，因此需要剔除自放電率大于閾值的單體電池。

在完成篩選出額定容量低于50%的單體電池，剔除容量低于平均容量10%、內阻大于平均內阻50%、自放電率大于閾值的電池后，則可以得到符合條件的梯級利用的重組電池。

2.3 梯次利用電池配組

通過以上梯次利用電池的篩選方法、篩選步驟后，依據電池容量值的不同的等級，進而完成電池配組，最終形成梯級利用的重組電池。

3 結論

退役動力電池再利用發展前景日益突出，將退役動力電池用于中小型儲能領域具有巨大的發展潛力。本文主要討論了新能源汽車動力電池梯級利用技術，闡述了動力電池性能評估中電池容量與內阻的測試方法，分析了梯次利用電池的篩選方法、篩選步驟以及配組模式，為新能源汽車動力電池的梯級利用提供了一定的參考。

參考文獻：

[1] 晏婷婷，郭小明.廢舊鋰離子電池回收處理技術的研究進展[J].江西化工，2018（6）：38-40.

[2] 張大成，王俊.新能源汽車動力電池回收利用模式分析[J].汽車維護與修理，2018（21）：1-12.

[3] 王晨，江婷鈺，江博新.廢舊動力電池回收利用研究進展及展望[J].再生資源與循環經濟，2018，11（10）：32-35.

[4] 張偉，曾祥兵，朱紅，等.動力蓄電池回收利用研究進展[J].時代汽車，2018（10）：69-70.

[5] 李雪早.新能源汽車動力電池回收利用淺析[J].汽車維護與修理，2018（19）：1-9.

基金項目：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（201913108036T）

作者簡介：竇虎明（1998-），男，江蘇泰州人，在讀學生，研究方向：新能源汽車技術。