李維，劉生全，何兆麒

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動力電池多梯級利用的技術(shù)難點(diǎn)分析

李維1,2，劉生全3，何兆麒4

（1.西安航空學(xué)院汽車檢測工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710077； 2.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077；3.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064； 4.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧 大連 116024）

我國已經(jīng)成為了全球最大的電動汽車銷售市場。在未來的幾年中，會有大量新能源汽車的動力電池由于儲能效率的降低被報廢。還具有一定儲能功能的電池被直接報廢不僅會占用放置空間形成環(huán)境污染，而且還是能源的浪費(fèi)。那么，動力電池如何進(jìn)行再利用將是一個亟待解決的研究課題。預(yù)實(shí)現(xiàn)對淘汰的動力電池進(jìn)行多梯級的利用，務(wù)必對其在利用過程中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，對這些技術(shù)難點(diǎn)的的研究具體包括了研究動力電池單體性能的差異，篩選出相似性能的電池構(gòu)成電池組；研究動力電池的最佳充電形式，實(shí)現(xiàn)電池高效無損的充電；研究開發(fā)動力電池壽命的預(yù)測系統(tǒng)，發(fā)揮動力電池在梯級利用各個階段中的最大效能；研究開發(fā)動力電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控單體電池的不均衡性和電池組充放電的不均衡性，從而采取策略延長動力電池的使用壽命；研究動力電池在多領(lǐng)域中示范性的應(yīng)用策略。對上述內(nèi)容進(jìn)行深入研究將會為動力電池梯級利用的順利開展奠定基礎(chǔ)。

電池分類；充電曲線；電池壽命；遠(yuǎn)程監(jiān)控；多梯級示范

前言

當(dāng)新能源汽車的電池儲能容量低于 80%時，則無法滿足汽車的續(xù)航里程要求，必須要進(jìn)行報廢。如果對報廢了的動力電池進(jìn)行拆解則無法實(shí)現(xiàn)對動力電池剩余容量的有效利用。所以動力電池到了使用年限，無法滿足新能源汽車的使用要求時，可以將動力電池應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮“動力電池的余熱”，即我們稱之為“動力電池的多梯級利用”，實(shí)現(xiàn)動力電池價值的充分發(fā)揮，進(jìn)而降低電池的制造成本。

電動汽車淘汰下來的動力電池梯級利用是電池儲能的一種非常重要形式。因此，國家政府相關(guān)部門出臺了對于動力電池梯級利用的多條政策，旨在促進(jìn)梯級利用技術(shù)和儲能產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。但是，目前實(shí)現(xiàn)動力電池的梯級利用還有一些技術(shù)難點(diǎn)，比如：動力電池分類、充電曲線設(shè)計、電池壽命預(yù)估、性能參數(shù)監(jiān)控等，這些技術(shù)難點(diǎn)的攻克將會為廣泛開展動力電池的梯級利用打開廣闊空間。

1 開展動力電池梯級應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)和研究方法分析

1.1 研究動力電池單體性能的差異，篩選出相似性能的電池組成電池組

單體的動力電池和由若干個單體動力電池構(gòu)成的電池組，這兩者在使用過程中的性能參數(shù)是有明顯差異的。電池組的使用壽命并不等于單體電池使用壽命的平均值。這主要是由于即使標(biāo)簽是相同的單體動力電池，但其性能也無法保證完全的一致。單體電池的性能差異主要有兩個指標(biāo)：構(gòu)成電池組之前的單體電池的性能差異和組成電池組之后的電池內(nèi)部狀態(tài)變化的不一致導(dǎo)致的性能差異[1]。對于單體電池而言，容量和內(nèi)阻分別代表了電池的能量與功率特性。這兩種參數(shù)可以作為單體電池分選的直接指標(biāo)。但是，直接使用這兩種參數(shù)作為分選指標(biāo)也有明顯的不足。因?yàn)闊o論單獨(dú)使用哪一種參數(shù)，都無法全面地表示電池的性能。其次，這兩種指標(biāo)比較難以精確獲得，通常都會受到測量可靠性的影響。因此，在動力電池組的使用中必須嚴(yán)格要求單體電池的性能必須達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。

所以，必須采取一定的原則和方法對動力電池進(jìn)行分類，把電池性能差異小、性能接近的單體電池組合在一起來實(shí)現(xiàn)電池組的最佳性能。因此，有必要在這電池容量和內(nèi)阻這兩種參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立某種數(shù)學(xué)模型來計算動力電池的多項(xiàng)參數(shù)，由多參數(shù)優(yōu)化制定出動力電池單體性能差異的評判標(biāo)準(zhǔn)，制定出相似性能的電池構(gòu)成電池組的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

1.2 研究動力電池的最佳充電曲線，實(shí)現(xiàn)電池?zé)o損快速地充電

動力電池充放電過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，呈現(xiàn)出非線性、多變量和離散性的特點(diǎn)[2-4]。動力電池充電過程與電池材料、結(jié)構(gòu)、溫度、充電電流、健康狀態(tài)、可用容量、電倍率、極化效應(yīng)、滯回特性等諸多因素有關(guān)，不同變量間呈非線性的關(guān)系。動力電池的充電的效果與其采用的充電方法實(shí)密切相關(guān)的。現(xiàn)有的充電方法有恒流充電、恒壓充電、恒壓恒流充電、分段恒流充電等十幾種方法。在各種傳統(tǒng)充電方法中，充電參數(shù)和模式都是固定的，充電過程是不考慮電池的實(shí)際狀態(tài)的，忽略電池的極化效應(yīng)、滯回特性、溫度特性等。這樣的充電過程對電池是有損傷的，長期使用后會降低電池性能和壽命。

所以，有必要探索動力電池的充電策略，研究出一種智能的電池充電技術(shù)。在充電時能夠?qū)崟r判斷電池的充電狀態(tài)，實(shí)時檢測出電池內(nèi)的性能參數(shù)的變化，使電池始終保持最大的接受能力，實(shí)現(xiàn)對不同種類的動力電池實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的充電效果。這樣，動力電池的充電過程將會更加安全、高效，動力電池的壽命也會更為持久。

1.3 研究開發(fā)動力電池壽命的預(yù)測系統(tǒng)，發(fā)揮動力電池在梯級利用各個階段中的最大效能

電池壽命的可靠性預(yù)測可以為電池更換和維護(hù)提供重要的提示信息，避免了由于電池故障或更換不及時而造成的重大損失，提高了電池應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。由于電池的使用壽命可分為循環(huán)壽命、浮充壽命、擱置壽命、熱應(yīng)力壽命等等，并且不同種類的電池其壽命的影響因素也存在著差異[5-7]。此外，動力電池又屬于典型的非線性、動態(tài)的電化學(xué)領(lǐng)域，其內(nèi)部參數(shù)當(dāng)在線應(yīng)用時不易于測取。動力電池壽命的長短主要是由電池容量來評價的，而電池容量的下降又主要受到電池的充放電溫度和電流的影響。

所以，針對電池壽命需要開展全面深入的研究，通過數(shù)學(xué)建模把電池容量衰減與循環(huán)壽命之間構(gòu)建出非線性關(guān)系，設(shè)定多指標(biāo)或者多參數(shù)來綜合評定動力電池的壽命。最后開展試驗(yàn)測試，比如使用數(shù)字X射線計算機(jī)層析圖像測量等測取與電池壽命相關(guān)的性能參數(shù)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)擬合方法進(jìn)行修正，可以得到一個較好的動力電池壽命的預(yù)估模型。通過建立一套動力電池壽命的預(yù)測系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮動力電池在梯級利用各個階段中的最大效能。

1.4 研究單體電池和電池組充放電時的不均衡性，延長動力電池的使用壽命

有許多因素都會影響動力電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如工作電壓、工作溫度和電流波動等。若想確保動力電池系統(tǒng)的安全高效地穩(wěn)定運(yùn)行，就希望能夠監(jiān)測動力電池和電池組的工作狀態(tài)參數(shù)，一旦一些參數(shù)超過合理的上下極限，系統(tǒng)就會發(fā)出報警給予提示。電池組內(nèi)單體電池的不均衡性是由于單體動力電池在制造過程中，其初始的容量、電壓、內(nèi)阻等與電池組中的其他單體電池未必完全相同。這種差異會造成電池組的過度充電和過度放電的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會出現(xiàn)該電池組的容量比其它電池組都低，造成整個蓄電池組無法正常的工作，同時這也極大地?fù)p害了對電池的壽命[8]。

因此有必要對構(gòu)成一個電池組的不同單體電池性能的不均衡性進(jìn)行分析，建立單體電池的不均衡特性的模型，制定出單體電池的不均衡控制策略[9]。在此基礎(chǔ)上，對由單體電池構(gòu)成的電池組的充放電不均衡現(xiàn)象也進(jìn)行分析，建立電池組的充放電不均衡性的數(shù)學(xué)模型，制定出電池組的能量分流充放電控制策略。所以，研發(fā)出一套監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控單體電池的不均衡性和電池組充放電的不均衡性相關(guān)參數(shù)，從而延長動力電池的使用壽命。

1.5 研究開發(fā)出動力電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時地監(jiān)控單體電池和整體電池組的工作性能參數(shù)

2 研究重點(diǎn)流程圖

圖1 研究重點(diǎn)流程圖

研發(fā)出一套動力電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將單體電池的不均衡性、電池組充放電的不均衡性以及電池的各種性能參數(shù)上傳到技術(shù)中心，有利于新能源汽車企業(yè)深入研究電池的性能。首先，通過使用ZigBee通信技術(shù)、CAN總線、3G數(shù)據(jù)包、Internet數(shù)據(jù)包等來實(shí)時監(jiān)控單體電池電壓、典型位置的溫度、系統(tǒng)總電壓、系統(tǒng)電流及電池SOC等數(shù)據(jù)[10,11]。之后開發(fā)電池的管理系統(tǒng)、車載終端、后臺服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時地監(jiān)控動力電池的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

動力電池的梯級利用可以延長電池的使用壽命，降低電動汽車動力電池方面的成本，避免了由于填埋電池帶來的污染問題。同時也滿足了其他行業(yè)對動力電池的需求。所以，為動力電池開展廣泛的梯級利用，有必要對動力電池單體和電池組的內(nèi)部參數(shù)和技術(shù)性能進(jìn)行測試、計算、試驗(yàn)、評估，建立完善的動力電池的技術(shù)性能檢測和監(jiān)測系統(tǒng)，為動力電池多梯級利用的開展奠定良好的基礎(chǔ)。

[1] 王佳元,孫澤昌,魏學(xué)哲等.電動汽車動力電池分選方法研究[J].電源技術(shù), 2012(36)：94-98.

[2] 苑風(fēng)云.基于充放電特性的鏗離子電池分選方法的研究[D].吉林大學(xué), 2014.

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[5] 鄭芳丹.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多時間尺度鋰離子電池狀態(tài)評估技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué), 2017.

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[7] 王光芒.無線傳輸?shù)膭恿︿S電池主動均衡充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].湖南大學(xué), 2017.

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[11] 皮釩.增程式電動汽車電池電量估算及遠(yuǎn)程監(jiān)控方法研究[D].湖南大學(xué), 2016.

Technical Difficulties Analysis of Multi-step Utilization of Power Battery

Li Wei1,2, Liu Shengquan3, He Zhaoqi4

( 1.College of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University, Shaanxi Xi’an 710077; 2.Automotive Inspection Engineering Technology Research Center, Shaanxi Xi’an Aeronautical University, Shaanxi Xi’an 710077; 3.School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064; 4.School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024 )

China has become the world's largest market for electric vehicle sales. In the next few years, a large number of new energy vehicles' power batteries will be scrapped due to reduced energy storage efficiency. The scrapped batteries will take up a lot of storage space and cause environmental pollution. How to reuse the power batteries will be a research topic that needs to be solved urgently.It is necessary to carry out research on the technical difficulties arising in the process of utilization for multi-step utilization of the scrapped power batteries. These technical difficulties including researching on the difference of performance of power battery cells, screening out battery with similar performance to form battery pack; studying on the optimal charging curve of power battery to realize Non-destructive and fast charging of batteries; research and development of predictive systems for power battery life, to maximize the performance of power batteries in various stages of cascade utilization; research and development of remote monitoring systems for power batteries, monitoring the imbalance of single cells and charging and discharging of battery cells The imbalance is adopted to adopt a strategy to extend the service life of the power battery; to study the exemplary application strategy of the power battery in various fields. An in-depth study of the above content will lay the foundation for the smooth development of power battery cascade utilization. This will lay the foundation for the successful development about multi-step utilization of power battery.

Battery classification; charging curve; battery life; remote monitoring; multi-step demonstration

B

1671-7988(2018)22-11-03

U469.72

B

1671-7988(2018)22-11-03

U462

李維，男，出生于1980年2月，博士研究生。工程師，研究方向：新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.004