动力电池系统梯次利用分析|新能源汽车数据分析

1.应用场景

随着新能源汽车的逐步产业化，动力电池的产量将大幅提高，随之而来的问题是，不再适用于电动汽车上的动力电池该如何回收和处理。动力电池中含有铅、镍、钴、锂等金属材料和电解液，一旦废弃的动力电池不能得到有效的回收处理，不仅会造成资源浪费，对环境污染也尤为严重。

根据国家有关规定，当锂离子电池容量衰退至额定容量的80%时，就不再适合在纯电动汽车上继续使用，为降低整车成本，在锂离子电池各功能元件有效、没有破损、外观完好的情况下，可对其进行梯次利用。梯次利用是指某一个已经使用过的产品已经达到原生设计寿命，再通过其他方法使其功能全部或部分恢复的继续使用过程，且该过程属于基本同级或降级应用的方式。车用退运锂离子动力电池，可用于储能系统或低速电动车；再次淘汰下来的锂离子电池即可进行回收、拆解和再生。通过梯级利用方式来延长电池的使用寿命，让锂离子动力电池的性能得到充分的发挥，降低动力电池全寿命周期成本及整车成本，对于推动新能源汽车行业的健康发展具有重要意义。

由于动力电池本身制作工艺和使用过程中在纯电动汽车所处位置的不一致，导致退运电池特性不一致。故在退运电池梯次利用前，首先要对电池各个参数特性进行研究，其中以电池的容量特性、内阻特性为主。

2.梯次利用锂离子电池容量特性

电池容量是指在一定放电条件下电池所能给出的电量。电池容量直接影响电池的最大工作电流和工作时间。理论容量是根据电池内部化学变化计算的，额定容量是由电池生产厂商给出的。理论容量和额定容量只是未使用电池的参考指标，本节中所用的容量，除特别标明时，都是指电池的实际容量。

（1）容量测试

梯次利用锂离子动力电池容量测试包括电池箱容量测试和单体电池容量测试。若电池处于长期搁置状态，则在容量测试之前要通过几次充放电循环，对电池进行磨合。

《电动汽车用锂离子蓄电池》（QC/T 743—2006标准）规定：单体电池需按照厂家提供的专用规程进行充电，若厂家未提供充电器，在（20±5）℃条件下，蓄电池以1I₃（3h放电电流，A）放电，至电池电压达到3.0V（或企业技术条件中规定的放电终止电压）时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I₃（A）恒流充电，至电池电压达4.2V（或企业技术条件中规定的充电终止电压）时转恒压充电。充电电流降至0.1I₃时，停止充电，充电后静置1h。据此，建立电池容量标定步骤见表5-1。

表5-1 电池容量标定

（续）

（2）容量不一致性分析

应用上述电池容量测试方法，以2008年北京奥运会某辆电动大客车退运电池为例，分析电池容量的不一致性。

实际测试得到各个电池箱容量值如图5-19所示。其中6号电池箱容量明显低于其他箱。后续对单体电池测试发现6号电池箱中6-1号单体电池实际容量为144A·h，衰退至额定容量的40%。6-1号单体电池在电池箱容量测试过程中首先达到充放电截至电压，使得6号电池箱容量值不到144A·h，也使退运前该车整车电池放电容量不到144A·h，严重拉低整车电池最大可用容量，导致其他电池容量浪费。这说明某个单体电池坏死将影响整车电池容量。如果在车运行时替换出这节坏死电池，则整车容量值可以达到180A·h，最大可用容量将提高10%。在未来新能源汽车的发展中，单体电池容量的定时检测必不可少，采用替换法更换坏死电池，有利于提高整车电池容量值，延长电池使用寿命。从图5-19中也可以看出其他电池箱容量也有一定的差异，而容量衰退的不一致性主要是由于电池的摆放位置、温度、振动程度、连接情况等不同造成的。

图5-19 各电池箱的容量值

对该车中各小箱内的电池单体进行容量值测试，结果如图5-20所示。从图中可以看出单体电池在电池箱内容量分布随机，并无一定规律，这是因为箱内单体电池热场分布和受到的振动情况较为复杂。同时，电池箱容量偏低，并不是单体电池容量均偏低，而是一致性较差导致电池箱容量利用率降低。

图5-20 各电池箱内单体电池的容量值

（3）容量分布特性

为了得到电池的容量分布特性，以某辆奥运电动汽车用锂离子电池的全部单体为总体，假设全部单体的容量服从正态分布，对94个单体为样本的容量数据做非参数检验，包括K-S检验和S-W检验。K-S检验与S-W检验的原假设是数据服从指定的分布，当sig（显著性指标，表征假设与实际平均值相等的概率）大于0.05时，说明数据服从指定的分布。sig越大，越能说明数据服从指定的分布。当样本含量n≥2000时，结果以S-W检验为准，K-S检验结果作为参考。检验结果表明，单体电池容量呈正态分布，近似服从N～（200，34）。另外，对另一辆奥运电动汽车的单体电池分布做非参数检验，检验结果仍呈正态分布，近似服从N～（200，12）。两辆车的电池容量分布对比如图5-21所示。

从图中可以看出两辆奥运电动汽车均服从正态分布，且分布类似，说明运行工况相似的电动汽车，电池使用历史相似，电池衰退容量分布具有一定的相似性。(www.xing528.com)

3.梯次利用锂离子动力电池的内阻特性

电池内阻是电池性能最为重要的参数之一，是表征电池寿命及电池健康状态的重要参数，了解电池内阻特性对梯次利用具有重要意义。

图5-21 单体电池容量分布图

（1）内阻测试

电池内阻的测试包括欧姆内阻和极化内阻的测试。直流内阻的测量方法采用复合脉冲电流法，通过测量电池输入电流阶跃信号ΔI并测定对应的电压变化值ΔU，利用欧姆定律得到直流内阻R=ΔU/ΔI。电流对应的电压响应如图5-22所示，当电池开始放电后，有一个瞬间压降V₁，这是由电池的欧姆内阻引起的。欧姆内阻引起的电压变化一般维持很短时间，一般认为在1s以内。本文选择1s直流内阻作为欧姆内阻。电压突降之后开始缓慢下降，这主要是由电池的极化内阻引起的。为了防止电池的SOC发生变化引起压降，选择1～10s内阻为极化内阻。

图5-22 复合脉冲电流及电压响应

具体的内阻测试步骤如下：

①电池置于25℃恒温箱1h。

②以1/3C电流恒流充电至单体截止电压，转恒压充电至电流降至0.05C，静置1h。

③以1/3C电流恒流放出50%的实际容量，静置1h。

④以1/3C电流进行脉冲放电10s，静置1h，停止。

（2）内阻分布特征

同样以某奥运电动汽车为例，分别测试单体电池的欧姆内阻和极化内阻。为得到电池的内阻分布特性，做与上述容量相同的假设检验。结果表明欧姆内阻和极化内阻均呈近似正态分布。欧姆内阻近似服从N（0.46，0.0021）的分布，极化内阻近似服从N（0.066，0.00024）的分布。画出单体电池拟合统计分布曲线，如图5-23和图5-24所示：

图5-23 欧姆内阻分布图

图5-24 极化内阻分布图

4.结论

车用退运动力电池由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度等差异，造成了电池容量和电阻的不一致性。进一步分析电池容量、内阻的分布特征，发现都满足正态分布。

利用上述测量方法对电池容量、电阻进行标定，退运没有利用价值的电池，同时考虑电池容量、电阻的分布特征，作为电池重新筛选成组的依据，对情况相近的电池单体进行成组利用。