退役動(dòng)力電池不一致性的分選辦法

西昌學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 周玉蓮

四川大學(xué)電氣工程學(xué)院 錢洋杰

西昌學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 褚曉銳 周光強(qiáng) 張意林

退役動(dòng)力電池在二次利用前，需要對(duì)其進(jìn)行分選再配組，目前可用的方法主要有靜態(tài)電壓、容量配組法、容量和內(nèi)阻聯(lián)合配組法，還有綜合性高的充放電曲線匹配法和多條件分選法。本文對(duì)環(huán)境溫度、放電倍率對(duì)退役電池不一致性的影響規(guī)律，分析對(duì)比以上不同方法，提出一種同時(shí)考慮退役電池內(nèi)部因素和外部因素的一種分選方法。

退役動(dòng)力電池失效的影響因素很多，諸如環(huán)境溫度、制造缺陷等，總的來說，大體上可以分為內(nèi)因和外因兩類。由電極性能衰退、電解液損耗、隔膜老化等材料性能的退化和產(chǎn)品制造缺陷引起的失效為內(nèi)因；外因主要指動(dòng)力電池的工作環(huán)境與工作應(yīng)力，如電池的工作溫度、電流、放電深度等。由于動(dòng)力電池失效的程度各不相同，所以在二次利用前需測(cè)量電池的性能參數(shù)，讓各性能參數(shù)相差不大的電池分在一組，便于充分利用其剩余能量、容量，還能延長(zhǎng)電池二次使用的壽命。

1 電池組不一致性分析

1.1 電池組產(chǎn)生差異性的原因

綜合大量文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，退役動(dòng)力電池不一致的主要原因是單個(gè)電池的初始差異以及組合后電池結(jié)構(gòu)，工作條件和環(huán)境的差異。初始差異是在生產(chǎn)制造時(shí)由工藝水平和材料的不均勻造成的，在電池成組后，電池的組合方式、環(huán)境溫度、放電倍率等差異則會(huì)加大電池組的不一致性。黃保帥等在《基于單體一致性對(duì)動(dòng)力鋰電池性能的影響研究》中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)電池單體的電壓、內(nèi)阻等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在電池組工作時(shí)，電池單體間的各參數(shù)變化越小，電池的一致性越高。李騰等在《酸鐵鋰電池組成組過程的不一致性分析》一文中讓電池進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)，探究電池組在多種方式成組時(shí)的不同影響，發(fā)現(xiàn)無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，內(nèi)阻不一致造成的影響均存在，尤其是在并聯(lián)模塊中，內(nèi)阻的不一致對(duì)單體電流造成的影響更大。

1.2 電池組不一致性判斷依據(jù)

電池組內(nèi)各電池單體保持一致性是電池容量和能量能充分利用的關(guān)鍵，也是對(duì)電池進(jìn)行分選的重要依據(jù)。電池

的一致性是指電池組在有無能量輸入輸出時(shí)，電池單體性能參數(shù)（電壓、SOC、自放電率、內(nèi)阻等）的相同程度。從目前的研究成果來看，判斷電池不一致性的依據(jù)一般為荷電狀態(tài)（SOC）和電池健康狀態(tài)（SOH），由于荷電狀態(tài)和電池健康狀態(tài)都不是固定不變的物理量，它會(huì)隨著環(huán)境溫度、電池內(nèi)阻的變化而變化，所以需要對(duì)成組電池的各個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察其是否能長(zhǎng)時(shí)間保持一致。

2 解決鋰電池組的不一致性的方法

在目前的研究水平，解決退役動(dòng)力電池不一致性問題的方法主要有分選、熱管理、電池均衡管理和能量管理策略。

2.1 熱管理

熱管理設(shè)計(jì)是使電池組的溫差保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)各電池單體都能以最大功率工作，使電阻受溫度影響減小，從而延長(zhǎng)電芯的使用壽命。李建林等在《碳達(dá)峰背景下退役鋰電池梯次利用電熱管理技術(shù)》文中對(duì)退役電池梯次利用中的熱管理技術(shù)進(jìn)行了研究，提出在評(píng)估退役電池的電濫用、熱濫用風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可結(jié)合預(yù)測(cè)技術(shù)、建模技術(shù)等增加退役動(dòng)力電池風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)確性。同時(shí)，結(jié)合新興的數(shù)字控制可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及低成本隔離型拓?fù)洌岣咄艘蹌?dòng)力電池電管理安全性。

2.2 電池均衡管理

電池均衡管理減小了電池單體間的不一致，為動(dòng)力電池組提供了穩(wěn)定良好的使用環(huán)境，使電池的不一致性不隨使用時(shí)間增大。楊揚(yáng)等在《退役鋰電池梯次利用主動(dòng)均衡方法研究》文中結(jié)合集中式和分布式均衡拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，提出基于Buck-Boost電路的分組雙向主動(dòng)均衡電路，結(jié)果表明，該方法能有效改善電池組的不一致性。趙光金等在《主被動(dòng)均衡技術(shù)及其在電池梯次利用中的應(yīng)用》一文中提出一種主被動(dòng)協(xié)同均衡控制策略方法，即采用矩陣均衡算法實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組的均衡，使整個(gè)電池組的電壓能在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一致。

2.3 能量管理策略

能量管理策略是能量管理和均衡系統(tǒng)的結(jié)合，目的是為了防止電池深放電，同時(shí)避免電池的過充電制定合適的電池均衡策略，以此來減小電池間的差距，進(jìn)而降低不一致性。該方法操作較繁瑣，但它較全面的考慮了多種影響因素，具有一定參考價(jià)值。

2.4 分選

由于電池在退役后容量、內(nèi)阻等各項(xiàng)性能不一致，所以在進(jìn)行二次利用時(shí)需對(duì)其進(jìn)行分選，把參數(shù)值相近的電芯放在同一個(gè)電池組里。目前的分選方法有靜態(tài)電壓配組法、充放電曲線匹配法等。

3 電池組不一致性分選方法

3.1 靜態(tài)電壓配組法

靜態(tài)電壓配組法主要是準(zhǔn)確測(cè)量出電池的開路電壓，只需考慮電池本身，不需要考慮負(fù)載。電池開路電壓是指不對(duì)外放電時(shí)，正、負(fù)電極之間的電壓差，一般通過電池復(fù)合脈沖性能實(shí)驗(yàn)得到。該方法分選的結(jié)果不準(zhǔn)確，但是簡(jiǎn)單易操作。

3.2 靜態(tài)容量配組法

由于測(cè)量值是在預(yù)先設(shè)定好的條件下獲得的，難以反映電池在實(shí)際使用過程中由環(huán)境溫度的變化、電池內(nèi)阻劣化等引起的電池容量的改變，所以需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的技術(shù)手段。若能更精確地測(cè)量出單體電池的SOC和最大可用容量，使測(cè)量值接近真實(shí)值，就能更高效地對(duì)電池進(jìn)行組合，最大化利用退役電池的剩余容量。趙萌等在《梯次利用鋰電池內(nèi)阻一致性評(píng)估指標(biāo)》文中對(duì)退役動(dòng)力電池單體各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)容量的衰減規(guī)律具有一致性，但僅適用于初始容量差不多的電池，容量越接近，一致性越強(qiáng)，在多次循環(huán)后，充放電時(shí)電池內(nèi)阻也無明顯差異。

3.3 容量和內(nèi)阻聯(lián)合配組法

此方法是容量配組法與內(nèi)阻配組法的組合，即在考慮初始容量的情況下考慮內(nèi)阻對(duì)電池組一致性的影響，再進(jìn)行配組，該方法可行性好，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，使電池分選后一致性更高，能量利用率最大化。但由于電池內(nèi)阻會(huì)因?yàn)殡姵胤烹姾铜h(huán)境溫度而改變，有一定的局限性，不能反映完整的工作特性。

3.4 充放電曲線匹配法

該特性曲線綜合考慮了多種因素，電池的各種特性它都能反映，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。充電曲線下多指標(biāo)融合的方法可預(yù)測(cè)退役動(dòng)力電池的剩余壽命，觀察電池各時(shí)期的溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)在電池在恒流充電時(shí)，溫度先下降一小段再不斷上升，在恒壓充電階段時(shí)，溫度曲線不斷下降，分析特征溫度的變化率和電池容量的相關(guān)性，我們發(fā)現(xiàn)，提取的溫度特征與電池容量有一定的負(fù)相關(guān)性，而從充電電壓提取的特征和從充電電流提取的特征都與電池容量有很好的相關(guān)性。

3.5 多條件分選法

多條件分選法能夠同時(shí)考慮內(nèi)阻、自放電率等多個(gè)條件，從而對(duì)電池進(jìn)行全面分析，得到各項(xiàng)性能指標(biāo)，然后再對(duì)電池進(jìn)行配組。陳燕虹等在《電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池分選方法研究》中比較了三種因子分選法后，發(fā)現(xiàn)先進(jìn)行總因子分選法，然后將其與動(dòng)態(tài)特性分選法相結(jié)合，能有效保證電池組的一致性。薛金花等在《基于老化機(jī)理分析退役磷酸鐵鋰電池分選方法》一文中依據(jù)退役動(dòng)力電池的老化特征，并根據(jù)測(cè)量出的結(jié)果分析其潛在的老化規(guī)律，選取剩余容量、電池內(nèi)阻和電池IC曲線三項(xiàng)指標(biāo)作為判斷依據(jù)，對(duì)電池進(jìn)行分選，分選出的電池在成組后工作效率更高，電池壽命更長(zhǎng)。然而多條件分選法在分選過程中引入較多參數(shù)，需要分析處理大量的數(shù)據(jù)，容易造成聚類困難，分選耗時(shí)較長(zhǎng)。

本文對(duì)靜態(tài)電壓、容量配組法、容量和內(nèi)阻聯(lián)合配組法、充放電曲線匹配法、多條件分選法這五種方法進(jìn)行分析比較。前三種方法是依據(jù)單參數(shù)的變化進(jìn)行分選，而后兩種則是根據(jù)多參數(shù)的變化進(jìn)行分選。綜合比較以上五種不一致性分選方法，得出五種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。多參數(shù)的分選性能明顯更優(yōu)，且從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、操作難易程度等方面考慮，我們最終選擇多條件分選法和動(dòng)態(tài)特性配組法相配合的方法對(duì)退役動(dòng)力電池不一致性進(jìn)行分選。