退役電池模組余能檢測充放電協議的優化研究

李程 張啟超 王博 楊建新 鮑磊 廖強強

（1. 國網漢中供電公司 2. 上海電力大學 3.國網陜西省電力公司電力科學研究院 4.國網陜西省電力公司）

在國家節能減排和能源可持續發展的政策推動下，電動汽車用動力電池的梯次利用成為了關注熱點[1-2]。截至2019年底，我國純電動汽車保有量高達310萬輛。通常，當電動車電池包容量衰減到初始容量的80%時，電池性能無法達到電動車用戶需求的里程要求和行駛性能要求時，電池需要從電動車退役并進行更換[3]。雖然這些電池無法繼續滿足電動車的行駛工況，但電池包內的部分電池仍然可通過篩選和重組，應用于其他電池性能要求較低儲能場合，比如低速的電動車、電動自行車、通訊站備用電源、家庭儲能、分布式光伏儲能等[4-6]。重組的過程是將剩余容量相近的電池模組進行重新排列的過程，因此對電池模組剩余容量的評估就顯得尤其重要。

目前評估電池剩余容量的測試實驗方法主要是基于U.S.Advanced Battery Consortium （USABC）[7]的電池老化校驗手冊，手冊內容主要包括了鋰離子電池在循環壽命方面的相關測試流程、測試中的相關環境以及在不同條件因素下的評估方法。除此之外，還有一些國家級機構發布的測試手冊：《電池壽命Freedom CAR 測試手冊》[8]、《電池PNGV測試手冊》、《PHEV電池測試手冊》等，用于電池常規性能測試以及評估電池是否滿足實際應用于整車的需求。我國的國家標準化相關委員會以及我國的質量監督方面的檢驗檢疫總局也制定了我國的行業標準。GB/T 31486—2015和GB/T 34015—2017，標準名稱分別為《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》[9]和《車用動力電池回收利用 余能檢測》[10]針對電動車新電池與梯次利用電池指定使用。早期也有DB31/T817—2014上海市標準《智能電網用儲能電池性能測試技術規范》[11]。電池老化問題研究決定了實驗的復雜性和長期性，而我國退役電池梯次利產業還未完善，實際商業退役下來電動車的實驗數據有其一定的參考價值和指導意義。本文采用6種不同的充放電協議對車用退役電池模組的剩余容量進行評估，并對不同協議下的標定容量的精確度與耗時進行了分析。

1 實際容量標定

本文退役電池模組的實際容量測試以DB31/T817—2014為參考，使用多功能混合動力測試柜（Bitrode FTV1-300-1，美國）在23±2℃的室溫環境下進行測試，測試過程參考《智能電網用儲能電池性能測試技術規范》（DB31/T817—2014，中國）。

當退役電池模組從電池包內拆解出來，并通過簡單的外觀檢測和開路電壓測試之后需對這些退役電池模組進行容量標定。電池模組首先以1/3 C（C3）倍率進行恒流放電，當電池模組總電壓達到2.7×nV（n串聯）或其中一個電芯電壓小于2.5 V時立即停止放電；靜止1小時后以C3恒流充電，當電池模組總電壓達到3.65×nV轉為恒壓充電，當電池模組的電流小于1/30 C（C30）或在整個充電過程中某一電芯電壓大于3.75 V則立即停止充電；靜止1小時后電池繼續以C3恒流放電到規定截止條件。表1為五個電池模組初始容量標定狀況。

表1 不同梯度電池模組的實際容量標定

2 不同容量測試協議設置

為了對比不同容量標定協議對退役電池余能檢測的實際容量值影響，文章使用了其他倍率不同但步驟相同的協議作為參考，包括1 C（C1）， C/5（C5）和1/10 C（C10），并標記為容量標定實驗的第一類參考，分別標記為Protocol 1、Protocol 2、Protocol 3、Protocol 4；此外，文章以DB31/T817—2014為參考（C3倍率）通過改變電池模組的充電截止條件和放電截止條件探討退役電池模組余能檢測的容量值與充放電截止條件的關系，主要針對某些退役電池模組拆解之后BMS無法繼續監控單芯電壓時的余能檢測問題。其中，Protocol 5的放電截止條件為電池模組總電壓2.7×nV，充電截止條件為3.65×nV且不包含模組內單芯電壓的監控和恒壓的非完整充電測試協議，Protocol 6放電截止條件為電池模組電壓2.7×nV，且恒流充電到截止條件3.65×nV后繼續恒壓充電到C30充電過程不包含單芯電壓監控的過度恒壓測試協議。圖1為被篩選的五個具有不同容量檔次的S18 EV電池模組的實物圖（#1，#2，#3，#4，#5），下圖為模組內電芯的串并聯結構圖（15P4S）。

表2為六種不同方案的容量測試協議（Protocol）的測試電流倍率、靜止時間和截止條件。其中，Protocol 1測試協議參閱于《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》（GB/T 31486—2015，中國）標準和《FreeCar功率輔助型電池測試手冊》的標準（美國）；Protocol 2測試協議參閱為《智能電網用儲能電池性能測試技術規范》 （DB31/T817—2014，中國）和《USABC電動汽車用電池測試協議手冊》（美國），以及中國汽車安全與節能實驗室相關論文[12]；Protocol 3測試協議參閱為《車用動力電池回收利用 余能檢測》（GB/T34015—2017，中國）；Protocol 4為一種常用的低倍率容量測試方法，可參閱相關論文[13]。Protocol 5和Protocol 6是根據Protocol 2協議討論在不存在電芯電壓監控時的測試協議方案，其中Protocol 5充電協議中只恒流不恒壓，Protocol 6恒流充電后一直恒壓到C30的截止條件且與截止條件不考慮單芯電壓大小，即為過度充電的一種測試方案。表3為六種不同協議下，五個電池模組的充放電電量。

3 結果與討論

圖2為六種不同容量測試協議（Protocol 1，Protocol 2，Protocol 3，Protocol 4，Protocol 5）下電池模組（#1，#2，#3，#4，#5）的實測充電容量值（Cch）。根據圖2a，#1模組的Cch值從Protocol 1到Protocol 4（第一類協議）呈現明顯上增趨勢，而#2和#3模組的Cch值有輕微下降趨勢，#4和#5模組的Cch值則為輕微上增趨勢，而退役電池的剩余容量和電池的一致性差別是造成該現象的主要原因。

圖2b為五個電池模組在六種不同測試協議下的恒流部分的充電容量（CCC）。在第一類協議下對比，#1模組的CCC值呈現明顯上增趨勢，而其余4個模組（#2，#3，#4，#5）先增大，而在Protocol 2、Protocol 3 和Protocol 4這三種協議下CCC值則非常接近。雖然從時間考慮Protocol 1充電時間不超過1小時是最合適的，但從測試準確度來看Protocol 1明顯是不合適的（以C5為標準對比），雖然#1、#2和#3模組在第二章測試可知是以5% SOH差別的具有不同容量檔次的電池模組，但通過Protocol 1測試出的這三個電池模組容量幾乎是相同的，從圖2a也可以看出#1和#2模組的容量在該協議下測試時相同的，因此Protocol 1雖然可以縮短退役電池容量測試的時間，但卻無法準確區分具有不同容量退役電池模組；雖然從準確度考慮Protocol 4對于退役后容量較低的電池測試更為合適，但從時間上考慮Protocol 4電池充電時間為約10小時，對于梯次利用明顯是不合適的。而5個電池模組在Protocol 2和Protocol 3兩種不同協議下測得CCC值基本相等，其中Protocol 5為國家標準委員會于2017年針對退役電池余能檢測專門制定的測試協議，Protocol 2是在國際上常用的一種新電池容量測試標準，從CCC值分析這兩個協議都是非常適用于退役電池模組的容量測試標準。

表2 六種不同容量測試協議

圖2c為六種不同測試協議下的恒流部分的充電容量（CCV）。在第一類協議下對比，CCV值隨著測試倍率的減小都呈現逐漸下降趨勢，當CCV值降為0時不再下降。而電池模組隨著容量下降造成的內部電芯一致性變差，恒壓充電過程提前達到電芯電壓3.75 V上限使得恒壓充電過程提前結束，是CCV值下降的主要原因。對比Protocol 2和protocol 3，五種不同模組都呈上升趨勢，CCV值最大相差不超過0.75Ah（1.88%SOH），所以CCV值分析也說明了Protocol 2可以替代Protocol 3進行余能檢測。但從退役電池模組的商業化角度來考慮，大量退役電池模組從市場退役，縮短余能檢測時間是非常必要，而Protocol 2對新電池測試充電總時間為3小時，比起Protocol 3對新電池測試5小時可縮短充電時間2小時/模組，且不包含放電時間和規定的充放電重復的縮短時間，因此Protocol 2相比從時間效率和準確度來看是最為合適的。當電池模組從電動車退役并拆解之后，考慮到存在部分模組配備BMS通訊協議問題以及電路損壞等因素使得儀器無法繼續采集到內部電芯電壓。Protocol 5和Protocol 6（第二類協議）針對該類電池的容量測試提供了兩種解決方案。從圖2b可知，Protocol 2、Protocol 5和Protocol 6這三種協議下的CCC值非常接近，從圖2c可知Protocol 5會造成部分容量較高的電池模組的容量CCV值比實際值（參考Protocol 2）偏低，而Protocol 6會造成所有電池模組的CCV值比實際值偏高，且電池容量越低，Protocol 6的CCV值偏離實際值越大，且容易造成電池模組恒壓充電過程中由于過度充電引起的安全事故，電池容量越低，測量CCV值誤差值越大，測量危險程度也隨之增加。圖3a～3e為S18 EV退役電池模組中五個容量不同的電池模組在六種不同測試協議下的容量標定時間，圖3f為Protocol 2、Protocol 5和Protocol 6這三種協議的消耗時間對比，可以看出Protocol 5進行容量標定所花費時間最短。從測量精度和花費時間進行分析對比，Protocol 5在這六種充放電協議中是最優的。

表3 五個具有不同容量檔次電池模組不同協議下的標定容量值（Ah）

4 結束語

本文針對車用退役磷酸鐵鋰電池模組的容量測試協議，對剩余容量不同的五個電池模組下六種容量測試協議的耗時與精確度同余能檢測國標的測定結果進行對比。結果表明，從安全性角度和測試準確性、測試時間三方面綜合考慮，采用1/3C倍率恒流充電，無恒壓充電的容量標定協議具有與余能檢測國標相同的測試精度，但測試時間大大縮短。本研究結果為退役電池模組的剩余容量的快速標定提供了參考依據。