竇虎明 于文竹 趙徐美
摘 要:作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),新能源汽車是汽車工業(yè)未來發(fā)展和重大技術變革的重要方向。退役動力電池再利用發(fā)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(fā)展?jié)摿?。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(nèi)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(yè)的飛速發(fā)展,動力電池回收利用的發(fā)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(jié)能新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》明確提出建立鋰電池串聯(lián)和循環(huán)利用體系。當前,大多數(shù)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(wǎng)和分布式發(fā)電等領域中具有巨大的發(fā)展?jié)摿2]。在現(xiàn)階段,商業(yè)應用和促銷活動仍有很大的發(fā)展空間,逐步的梯級利用技術突破將為大型商業(yè)應用提供廣闊的發(fā)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??墒?,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(chǎn)生比較大的影響,必須進行相應的調整。根據(jù)電池的實際情況,某些參數(shù)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(jù)電池的健康狀態(tài)進行監(jiān)測和糾正,從而精確地獲取電池的工作狀況,進一步優(yōu)化電池的制造過程,延長電池的循環(huán)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(nèi)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(huán)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(nèi)阻特性
直流內(nèi)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(jù)歐姆定律,通過測量相應的電壓變化值,獲得直流內(nèi)部電阻。電池組為50%放置1 h后,電池會極化并穩(wěn)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(xiàn)瞬時電壓降ΔU1,這是由電池的歐姆內(nèi)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(chǎn)生了△U1的壓降,這一階段主要是由于極化和充電狀態(tài)變化導致的。在該階段的過程中,對于電池的內(nèi)阻來說,它是由于電池內(nèi)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(chǎn)生一個△U2的電壓增加值。所以,對于內(nèi)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(nèi)部發(fā)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(wěn)定。
1.3 電池倍率性能測試
由于使用環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)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(nèi)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(tǒng)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(huán)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(xù)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(tài)分布的特點,基于電池容量統(tǒng)計分布的規(guī)律,剔除電池容量低于平均容量10%的電池。
(3)剔除內(nèi)阻大于平均內(nèi)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(nèi)阻閾值做了一定設定,因此內(nèi)阻大于平均內(nèi)阻50%的單體電池需要被剔除。
對滿足容量要求的電池,根據(jù)電池發(fā)熱條件和具體供電要求設置內(nèi)阻閾值,內(nèi)阻超過平均內(nèi)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(nèi)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(nèi)阻大于平均內(nèi)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(jù)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(fā)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(fā)展?jié)摿?。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(nèi)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(huán)經(jīng)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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。