基于快速循環(huán)充放電法的退役動(dòng)力電池單體性能篩分策略分析

解鵬 朱鴻勝 王雷 李曉衛(wèi)

摘要：新能源汽車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，車用動(dòng)力電池退役數(shù)量不斷增加，退役動(dòng)力電池梯次利用可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。在動(dòng)力電池回收利用企業(yè)中，大量的動(dòng)力電池單體需要進(jìn)行檢測(cè)篩分，以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)動(dòng)力電池的充放電性能要求。快速循環(huán)充放電法是基于“GB/34015-2017車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)”的高效檢測(cè)方法，可以大大提高回收利用企業(yè)生產(chǎn)效率，滿足梯次利用動(dòng)力電池參數(shù)支撐的需求，包括電池剩余電量、充放電性能等。為動(dòng)力電池回收利用企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化提供了一種新的單體動(dòng)力電池檢測(cè)篩分試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;退役動(dòng)力電池;性能檢測(cè)篩分;快速循環(huán)充放電

中圖分類號(hào)：TM721? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0201-03

0? 引言

近年來(lái)，隨著全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，全球乘用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池退役總量也在逐年攀升。2020年11月2日國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》提出到2025年新能源汽車銷量占當(dāng)年汽車總銷量的25%;到2030年，新能源汽車形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，銷量占當(dāng)年汽車總銷量的40%。服役期折損20%電量為退役條件來(lái)計(jì)算，2021-2030年，全球乘用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池退役總量將會(huì)達(dá)到1285萬(wàn)噸，中國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池退役總量將會(huì)達(dá)到705萬(wàn)噸，占全球總量將超過(guò)50%[1]。大規(guī)模動(dòng)力電池的退役對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，建立生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)在動(dòng)力之一。

目前我國(guó)退役動(dòng)力電池的回收和管理依然處于探索和少量試點(diǎn)階段。動(dòng)力電池回收企業(yè)根據(jù)動(dòng)力電池包進(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行分解、檢測(cè)、篩選，對(duì)余能較高且能滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景儲(chǔ)能需求的單體進(jìn)行重組梯次利用。對(duì)于部分性能較差的廢舊電池單體進(jìn)行拆解和材料回收。汽車動(dòng)力電池要求其能量密度高、充放電循環(huán)多、使用環(huán)境適應(yīng)性好[2]。因此作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池退役下來(lái)，仍然有足夠的儲(chǔ)能性能，通過(guò)梯次利用服務(wù)于其他應(yīng)用場(chǎng)景中，如低速電動(dòng)車、移動(dòng)儲(chǔ)能裝備、通信基站、家庭儲(chǔ)能等。

目前動(dòng)力電池回收企業(yè)主要參照“GT/B34015-2017 車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)”、“GT/B31486-2015 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法”、“GT/B34015.2-2020 車用動(dòng)力電池回收利用梯次利用要求”等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。回收工藝已相對(duì)成熟，但大多數(shù)企業(yè)自動(dòng)化水平仍有待加強(qiáng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)汽車退役動(dòng)力電池快速檢測(cè)技術(shù)將會(huì)大大提升動(dòng)力電池回收生產(chǎn)線效率。在單體檢測(cè)方法上國(guó)內(nèi)還未有成熟的快速檢測(cè)篩選分級(jí)退役電池的技術(shù)，也有少數(shù)企業(yè)開(kāi)展了基于動(dòng)力電池運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析的余能、剩余壽命與性能等殘值的快速評(píng)估與分級(jí)篩選研究工作。

動(dòng)力電池生產(chǎn)廠同一批次出廠產(chǎn)品具有同一型號(hào)規(guī)格和相同參數(shù)，出廠檢驗(yàn)可以按照相同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，且按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行抽樣檢測(cè)：外形尺寸及質(zhì)量抽樣1%，室溫放電容量抽樣：5只（總量≤500）、10只（總量≤500）。與此不同的是對(duì)于動(dòng)力電池回收利用企業(yè)，對(duì)進(jìn)入回收利用階段的每一個(gè)動(dòng)力電池單體均需要逐一進(jìn)行性能檢測(cè)，給回收企業(yè)檢測(cè)篩分工作帶來(lái)了極大的工作量。另外，進(jìn)入回收利用企業(yè)的動(dòng)力電池多具由多種不同型號(hào)，基于循環(huán)工況下的快速充放電測(cè)試可以記錄多個(gè)充放電循環(huán)中的各項(xiàng)參數(shù)，分析計(jì)算單體電池各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，且具有循環(huán)工況間隔時(shí)間短的特點(diǎn)，對(duì)于單體動(dòng)力電池的快速篩分提供了有效的方法和途徑。

1? 快速循環(huán)充放電法實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1.1 車用動(dòng)力電池回收檢測(cè)流程? 車用動(dòng)力蓄電池本身就屬于危險(xiǎn)品在使用、檢測(cè)和重組的過(guò)程中需要嚴(yán)格按照產(chǎn)品要求進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)GB/T27611-2011《再生利用品和再制造品通用要求及標(biāo)識(shí)》對(duì)再制造品的通用要求：“依據(jù)相應(yīng)新產(chǎn)品的檢測(cè)方法，再制造的質(zhì)量、安全、性能、環(huán)保等各項(xiàng)指標(biāo)不低于原型產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求”[3]。在二次使用之前，蓄電池必須符合梯次利用的條件，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)并使用。車用動(dòng)力電池在進(jìn)入電池回收回收企業(yè)后，一般要求對(duì)不同廠家、不同動(dòng)力蓄電池類型進(jìn)行同型號(hào)分類;對(duì)同類型（同廠家、銅材料、同型號(hào)）符合梯次利用要求的動(dòng)力電池進(jìn)行按容量等級(jí)分類，并重新組合使用在同一梯次利用產(chǎn)品中。

動(dòng)力電池回收利用檢測(cè)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流車型質(zhì)保政策，主機(jī)廠對(duì)動(dòng)力電池提供的三包承諾也有所差異，如提供“8年/15萬(wàn)公里剩余容量不低于80%”、“8年或16萬(wàn)公里剩余容量不低于65%”、“5年或10萬(wàn)公里剩余容量不低于9格（滿電12格）”等要求。對(duì)于動(dòng)力電池容量判定條件均高于標(biāo)稱容量55%。因此最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求“25℃±2℃條件下，動(dòng)力電池包（模塊、單體）的1I5電流值的放電容量應(yīng)不低于標(biāo)稱容量的55%”[4]。（注：I5：5小時(shí)率放電電流）。

1.2 快速循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)依據(jù)? 根據(jù)“GB/34015-2017車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)”關(guān)于單體蓄電池充電及放電實(shí)驗(yàn)條件的要求。鋰離子蓄電池單體的充電規(guī)程按照GB/T31486-2015中6.2.4執(zhí)行，其充電電流采用1I5（A）;單體蓄電池在25℃±2℃的放電容量按照GB/T31486-2015中6.2.5執(zhí)行，其中放電電流采用1I5（A）;測(cè)得室溫放電容量即為蓄電池單體在室溫下余能。GB/T31486-2015中同時(shí)提出“室溫下，單體蓄電池先以1I1（A）電流放電制企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓，擱置1h（或企業(yè)提供的不大于1h的擱置時(shí)間），然后按照企業(yè)提供的充電方法進(jìn)行充電”[5]。對(duì)于回收利用企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況按照不低于標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測(cè)方法對(duì)回收利用電池進(jìn)行檢測(cè)篩分。

2? 快速循環(huán)充放電法及檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 單體電池快速循環(huán)充放電法? 快速循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)是一種符合規(guī)范要求，適用于動(dòng)力電池回收利用企業(yè)快速檢測(cè)篩分電池的檢測(cè)試驗(yàn)方法。該方法采用高于規(guī)范要求的試驗(yàn)條件，縮短試驗(yàn)各工步和循環(huán)之間的間隔時(shí)間，提高檢測(cè)效率，解決回收利用企業(yè)檢測(cè)條件有限和檢測(cè)工作量巨大的矛盾，快速完成待測(cè)動(dòng)力電池單體進(jìn)行余能檢測(cè)，產(chǎn)品篩分工作。

快速循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)單個(gè)循環(huán)中包含恒流恒壓充電工步、靜置1工步、恒流放電工步、靜置2工步，共4個(gè)工步一個(gè)循環(huán)。恒流恒壓充電工步按照不低于1I5（A）要求，取不小于2.5倍1I5（A）作為恒流充電電流，恒流充電截止電壓取該型號(hào)單體工作電壓上限3.650V，恒壓充電電壓3.650V，恒壓充電截止電流設(shè)置為不低于規(guī)范要求的0.05I1（A）。靜置工步一為充電后靜置，設(shè)置靜置時(shí)間為不大于1h，可根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況設(shè)置。恒流放電電流去不小于2.5倍1I5（A），放電截止電壓根據(jù)實(shí)際被測(cè)蓄電池最低工作電壓設(shè)定為不低于其最低工作電壓。靜置工步二為放電后靜置，靜置時(shí)間為不大于1h，可根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況設(shè)置。測(cè)試條件均為室溫下進(jìn)行（25±2℃）。

以某廠型號(hào)為32135柱狀國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池單體為例，該型動(dòng)力電池為磷酸鐵鋰電池、標(biāo)稱電壓3.2V、標(biāo)稱容量15Ah、工作電壓范圍2.0-3.650V，該型號(hào)具體性能參數(shù)如表1所示。

因試驗(yàn)條件的選擇影響到試驗(yàn)耗時(shí)和檢測(cè)效率，在符合規(guī)范要求的情況下，循環(huán)工況中設(shè)置的充放電電流越大，其充放電工步耗時(shí)越短;靜置時(shí)間直接影響靜置工步占用時(shí)長(zhǎng)。在試驗(yàn)中取恒流充電與放電電流為8000mA（約為2.67I5），充電截止電壓為3.650V，恒壓充電截止電流設(shè)置為300mA;靜置工步一與靜置工步二分別設(shè)置為5min和10min。單一工況試驗(yàn)條件如表2所示。此試驗(yàn)條件下，完成32135柱狀動(dòng)力電池單體充放電循環(huán)一次耗時(shí)約為4h，若按照“GB/34015-2017車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)”采用1I5（A）充放電電流進(jìn)行試驗(yàn)，則至少需要12小時(shí)。

2.2 32135單體電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析? 試驗(yàn)中由工控機(jī)實(shí)時(shí)采集每個(gè)單體電池電壓、電流值，并記錄采樣時(shí)間。使用積分求和的方法計(jì)算出累計(jì)充電容量、累計(jì)充電能量、累計(jì)放電容量、累計(jì)放電能量，每一工步結(jié)束后重新累計(jì)，測(cè)試共計(jì)完成6次充放電循環(huán)，實(shí)際耗時(shí)24h19min：2020-11-23 13：41：00.017-2020-11-24 14：00：33.517。如圖1所示。

根據(jù)充放電過(guò)程產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出該型號(hào)單體電池充放電性能，為動(dòng)力電池篩分、判斷單體重放電性能提供有力支持，同時(shí)根據(jù)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)積分計(jì)算并導(dǎo)出，各個(gè)循環(huán)中充電總?cè)萘亢头烹娍側(cè)萘浚ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)該型號(hào)單體電池剩余容量情況。如圖2所示，可以看出該32135柱狀動(dòng)力電池剩余SOC均在98%以上，狀態(tài)良好，符合梯次利用要求。

隨著動(dòng)力電池回收利用產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，和回收利用企業(yè)生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，汽車動(dòng)力電池梯次利用的場(chǎng)景也日漸多樣化，如低速電動(dòng)車、應(yīng)急電源、通信基站、家庭儲(chǔ)能等等。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能裝置的充放電要求也有很大差異，為了更加合理的對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用，除了對(duì)廢舊電池進(jìn)行剩余容量測(cè)試之外，還應(yīng)該有更多差異化、多樣化的動(dòng)力電池狀態(tài)篩分條件[6]。根據(jù)快速充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出單體電池更多篩分參數(shù)，如表3所示，可以作為不同應(yīng)用場(chǎng)景需求的儲(chǔ)能裝置選擇依據(jù)。

3? 結(jié)論

隨著新能源汽車保有量日益增加，退役動(dòng)力電池回收利用成了行業(yè)發(fā)展和社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。退役動(dòng)力電池梯次利用的政策法規(guī)不斷完善，動(dòng)力電池退役收集率也在逐年增加;與此同時(shí)，進(jìn)入回收企業(yè)的動(dòng)力電池單體數(shù)量日益增加，且不能按照出廠出廠檢驗(yàn)方法進(jìn)行抽樣檢查。本文以某國(guó)產(chǎn)型號(hào)32135柱狀磷酸鐵鋰電池為試驗(yàn)對(duì)象，參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)動(dòng)力電池梯次利用場(chǎng)景的不同，提出了高于“GT/B34015-2017 車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)”要求，且符合當(dāng)下動(dòng)力電池回收利用企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益要求的動(dòng)力電池快速循環(huán)充放電檢測(cè)方法。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可以看出該試驗(yàn)方法耗時(shí)相當(dāng)于規(guī)范所需1/3，可以滿足梯次利用動(dòng)力電池參數(shù)支撐的需求，包括電池剩余電量、充放電性能等。該方法中試驗(yàn)參數(shù)可變，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景下動(dòng)力電池梯次利用試驗(yàn)需求，為動(dòng)力電池回收利用企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化提供了一種新的單體動(dòng)力電池檢測(cè)篩分試驗(yàn)方法。

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