范文健

摘 要：在電動汽車技術(shù)飛速發(fā)展的今天，退役動力鋰電池的梯次循環(huán)利用問題日益凸顯。在汽車整車制造領(lǐng)域，AGV的鉛蓄電池具備換為退役動力鋰電池的可能。上汽通用五菱汽車股份有限公司立足于制造系統(tǒng)，開展了對整車動力鋰電池梯次應(yīng)用于工廠AGV的研究，本文以某款A(yù)GV電源為例，主要進(jìn)行了電池包PACK方案和電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計以及電氣設(shè)計選型，并應(yīng)用于實(shí)車驗(yàn)證。通過上述研究驗(yàn)證了AGV梯次利用退役動力鋰電池的可行性，并實(shí)現(xiàn)了AGV梯次利用退役動力鋰電池的設(shè)計改造。

關(guān)鍵詞：電池梯次利用 退役動力鋰電池 AGV電源改造

AGV Echelon Utilization of Decommissioned Power Lithium Battery Design

Fan Wenjian

Abstract：With the rapid development of electric vehicle technology， the problem of cascade recycling of retired power lithium batteries has become increasingly prominent. In the field of automobile manufacturing， AGV lead-acid batteries are likely to be replaced by retired power lithium batteries. Based on the manufacturing system， SGMW has carried out the research on the hierarchical application of lithium battery in the factory AGV. Taking an AGV power supply as an example， this paper mainly carries out the design of battery pack scheme， battery management system （BMS） and electrical design selection， and applies it to the actual vehicle verification. Through the above research， the feasibility of AGV cascade utilization of retired power lithium batteries is verified， and the design and transformation of AGV cascade utilization of retired power lithium batteries is realized.

Key words：battery echelon utilization， retired power lithium battery， AGV power supply transformation

1 引言

鋰離子動力電池被世界科學(xué)家稱譽(yù)為“21 世紀(jì)潔凈的環(huán)保新能源”，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。隨著國家對新能源電動汽車的規(guī)劃和扶持，鋰電技術(shù)不斷創(chuàng)新和飛速發(fā)展，同時也存在廢舊電池的處置問題。據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心預(yù)測，2018～2020年全國累計報廢動力電池將達(dá)12萬～20萬噸，而到2025年，這一數(shù)字累計將超過75萬噸，市場規(guī)模超過百億元[1]。從環(huán)境保護(hù)和資源利用方面來看，對廢舊鋰電池的回收再利用問題亟待解決。2018年，工信部發(fā)布《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，明確指出由汽車生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)動力蓄電池回收的主體責(zé)任。由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，新能源汽車動力電池衰減至標(biāo)稱容量的80%，需從車上退役。此退役動力電池的容量和功率仍然可以適用于一些低動力性能要求場合，可對其進(jìn)行梯次利用。

基于退役鋰電池梯次利用的可行性，各企業(yè)近年來積極開展退役電池回收利用的研究，其中梯次利用電池常用于通信基站儲能備電[2-3];上汽通用五菱作為行業(yè)領(lǐng)先的新能源汽車制造公司，也對退役動力電池的綜合回收利用展開了一系列研究[4-5]，尤其是在退役鋰電池應(yīng)用于物流載具電源中取得了一系列成果。本文以某款A(yù)GV為對象，分析了退役鋰電池與AGV工作參數(shù)以及具體工況的兼容性，對用于AGV電源的梯次利用退役鋰電池進(jìn)行了PACK方案設(shè)計、機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計，對AGV實(shí)現(xiàn)了梯次利用鋰電池的改造。

2 AGV梯次利用退役鋰電池技術(shù)分析

2.1 AGV電源性能分析

為了將退役動力鋰電池應(yīng)用在AGV上，首先要了解原AGV電池的參數(shù)，包括電池容量、電壓工作范圍、最大持續(xù)充電電流、最大峰值充電電流及時間、工作電壓、充電機(jī)的充電電壓、電池尺寸以及通訊需求，如表1所示。改造完成后的電池包需要與原電池工作參數(shù)相匹配。

2.2 退役動力鋰電池測試

本文所用于改造的退役鋰電池來源于從公司某款電動車型上回收的三元鋰電池包，將其進(jìn)行拆包處理，得到退役動力鋰電池模塊，其模塊參數(shù)如表2。對從同一個電池包上拆解下來的退役動力鋰電池模塊進(jìn)行狀態(tài)性能測試，測試項(xiàng)目包括：外觀檢查、OCV測試、內(nèi)阻測試等，測試結(jié)果如表3所示。由測試結(jié)果可知，退役動力鋰電池模塊的外觀保持良好、開路電壓壓差低于10mV，內(nèi)阻均小于1.95mΩ，說明其一致性較好，可以進(jìn)行重組進(jìn)行梯次利用[5]。

2.3 AGV梯次利用退役動力鋰電池適用性分析

2.3.1 技術(shù)分析

經(jīng)過測試，從退役動力電池包上拆取下來的電芯狀態(tài)良好，一致性滿足要求。因此，經(jīng)過合適的串并聯(lián)設(shè)計，就可以重組得到滿足原AGV電源參數(shù)要求的電池包。并且人工拆解退役動力鋰電池包的無損率達(dá)到99.9%，其技術(shù)難度不高。完成電池包PACK方案不僅需要其電壓和容量與原AGV參數(shù)相匹配，還需要重組電池包的尺寸與載具電池艙尺寸相匹配，經(jīng)實(shí)地考察載具電池艙空間充足。綜上分析，在拆解難度，工作參數(shù)和安裝尺寸方面，對退役動力電池包進(jìn)行拆解重組應(yīng)用到AGV上較適用，能進(jìn)一步進(jìn)行改造設(shè)計。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)分析

2018年8月17日，杭州第二屆中國電動汽車充放電與驅(qū)動系統(tǒng)學(xué)術(shù)研討會，國家電網(wǎng)許繼機(jī)電有限公司統(tǒng)計以往電池梯次利用成本為新電池購置成本的20%。在這里保守估計利用梯次動力鋰電池回收成本為原來的30%。本文使用的某款動力鋰電池新電池成本為1.6元/Wh，可以得到梯次利用鋰電池成本在460.8元。公司原先采購鉛蓄電池單價為1000元，節(jié)約成本539.2元。由此可見，AGV梯次利用退役動力鋰電池具有一定的效益性。

2.3.3 AGV梯次利用退役動力鋰電池技術(shù)路線

鋰電池在充放電和存儲過程中，若處理不當(dāng)，會引起電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液組分之間發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱和氣體，從而引起電池起火爆炸。因此從鋰電池設(shè)計、零件選型及使用方面都考慮充分，以保證鋰電池生命周期內(nèi)的安全，本文采用技術(shù)路線如圖1所示。

3 鋰電池系統(tǒng)改造方案

3.1 電芯PACK方案設(shè)計

在AGV實(shí)際使用過程中，設(shè)計的電池組需要滿足AGV的充電需求。在本文中首先依據(jù)最大持續(xù)充電電流來選擇需要的退役動力鋰電池總?cè)萘俊＞唧wPACK方案設(shè)計如下。

a：模組總?cè)萘窟x擇

根據(jù)最大持續(xù)充電電流選取合適的鋰電池電芯，本文選用的某款A(yù)GV原電池充電電流為70A，電芯以1C充電時，需要的電芯總?cè)萘渴荂≥70/1=70Ah，本次選擇的退役動力鋰電池標(biāo)稱容量為90Ah，符合要求。

b：電芯數(shù)量選擇

電壓分析：原鉛酸電池電壓為，U1=24V，鋰電芯電壓U2=3.2V，電芯數(shù)量需求≥U1÷U2=24V÷3.2V= 7.5，因此需要至少8個電芯串聯(lián)才能滿足電壓要求。此處選擇8個電芯串聯(lián)

功率分析：原鉛酸電池參數(shù)看，功率W1=工作電壓×總?cè)萘?24V×40 Ah÷1000 =0.96kWh。

8個鋰電池電芯串聯(lián)功率W2=工作電壓×總?cè)萘?3.2V×8×40Ah÷1000=1.024 kWh

W2≥W1，即從理論上8個串聯(lián)的電芯組合滿足要求考慮到要滿足最大持續(xù)充電電流，最后選擇兩個電芯并聯(lián)。

綜上分析，最終確定每個鋰電池包中由8個串聯(lián)的電芯組成，即2并8串（2P8S）的電池包。

3.2 電氣方案設(shè)計

根據(jù)電池包參數(shù)要求和電芯特性，設(shè)計電氣原理圖，如圖2所示。因此，需要進(jìn)一步對零件如BMS板、熔斷器、動力線以及接插件進(jìn)行設(shè)計選型。

3.2.1 BMS選型

電池管理系統(tǒng)（BMS）對動力電池包有著重要的作用，主要在均衡電芯電量，保護(hù)電池包過充、過放、過熱等安全問題上起著主要作用。目前已經(jīng)有各種成熟的BMS由各類公司開發(fā)出來，根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的BMS板。根據(jù)廠內(nèi)AGV運(yùn)行工況平穩(wěn)、周期性充電、需要方便檢修等特點(diǎn)，對BMS功能要求如下：

1） 鋰電充電過壓保護(hù)：在任何一個單串電池電壓超過過壓保護(hù)值時，充電回路斷開。

2） 鋰電放電欠壓保護(hù)：在任何一個單串電池電壓低于欠壓保護(hù)值時，放電回路斷開。

3） 鋰電充電過流保護(hù)：充電電流超過保護(hù)值時，充電回路斷開。

4） 鋰電放電過流保護(hù)：放電電流超過保護(hù)值時，放電回路斷開。

5） 鋰電溫度過高保護(hù)：BMS檢測到電芯溫度過高，BMS的充、放電回路斷開。

6） 鋰電溫度過低保護(hù)：BMS檢測到環(huán)境溫度過低，BMS的放電回路斷開。

7） SOC電量計算。

8） 剩余電量顯示。

另，需要定制與BMS和電芯匹配的通訊控制線束和模組采集線束。

3.2.2 熔斷器選型

BMS中的MOS管對鋰電池保護(hù)板的作用非常大，它可以檢測過充電、檢測過放電、檢測充電時過電電流、檢測放電時過電電流、檢測短路時過電電流。但是，當(dāng)MOS管發(fā)生故障時，有可能被擊穿而導(dǎo)通，此時BMS無法起到短路保護(hù)作用，需在每一路用電設(shè)備都要加熔斷器，作為短路的硬件物理保護(hù)。當(dāng)電流超過100A時，BMS中的MOS管無法長時間承受如此大的電流，需要用繼電器。本文鋰電池包的充電電流為70A，因此只在電路中接入一個熔斷器即可。

熔斷器選型方法可參考《純電動汽車高壓直流熔斷器計算及選型方法》[6]，公式如下：

In=I額×K/（Kt×Ke×Kv×Kf×Ka×Kb）

式中：In為熔斷器額定電流;I額為負(fù)載額定電流;K為負(fù)載修正系數(shù);Kt為溫度修正系數(shù);Ke為連接器件熱傳導(dǎo)系數(shù);Kv為風(fēng)冷修正系數(shù);Kf為頻率修正系數(shù);Ka為海拔修正系數(shù);Kb為熔斷器殼體修正系數(shù)。

I額=80A

K：容性負(fù)載回路，取K=2

Kt：溫度50℃，取值Kt=0.85

Ke：采用經(jīng)驗(yàn)值，Ke=0.8

Kv：無風(fēng)冷，取Kv=1

Kf：直流電流，取Kf=1

Ka：海拔不明確，取值Ka=1

Kb：陶瓷殼體，取Kb=1

In=70×2/（0.85×0.8×1×1×1×1）=206A

經(jīng)與供應(yīng)商溝通，最終選擇友容AET-200EV熔斷器。

3.2.3 動力線與接插件選型

查詢規(guī)范得知：10平方毫米銅電源線的安全載流量——65A;16平方毫米銅電源線的安全載流量——91A;25平方毫米銅電源線的安全載流量——120A。根據(jù)實(shí)際AGV的充電電流，選取16平方毫米銅電源線。

此外，還要購買與動力線相關(guān)的電纜固定頭、及接線端子。

接插件需要選擇與原蓄電池相同的充放電動力接插件外殼、動力接插件針芯。

3.3 機(jī)械方案設(shè)計

首先，要根據(jù)原AGV的最大電池空間來框定鋰電池的外觀尺寸，如原AGV的電池空間無法滿足此款電芯的布置，則需要改造AGV或更換電芯。

將16個電芯放到箱體數(shù)模中，根據(jù)電芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參考其在整車動力電池包中的安裝方式，可以設(shè)計多種固定方式。完全限制電芯的六個自由度，以確保其在箱體的位置不會以為碰撞而產(chǎn)生位移。常見的方法有：

1）螺栓連接：易于拆裝，無需工裝輔助即可完成，對于小批量生產(chǎn)而言結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

2）焊接：需要專用的工裝和設(shè)備進(jìn)行操作，一次性投入成本高，但效率高、人員成本低，對于大批量生產(chǎn)有成本優(yōu)勢。目前很多的電池常見都是采用此種方式。

3）打膠固定：方便快捷，但不易拆解，對電池散熱有影響，適合樣包驗(yàn)證。

其次，電池包設(shè)計時要注意各零部件與電池箱體的絕緣。如在銅排與電芯間隙小時，使用絕緣布進(jìn)行隔離;電芯底部采用塑料座或環(huán)氧板與電池箱底隔離;熔斷器及BMS板如可通過絕緣柱與底板相連;銅排或鋁排等連接件應(yīng)該用塑料殼蓋住，或用熱縮管包住，進(jìn)行絕緣處理?？傊?，避免箱體帶電，并最大程度降低電池開箱后人員觸電的風(fēng)險。

最后，箱體與內(nèi)部零件的間隙建議為5mm，以便于電池模組與零件地取放。并且充分校核手和電動擰緊工具的裝配空間。

完成退役鋰電池AGV電源改造后，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 AGV（梯次利用退役動力鋰電池）改造結(jié)果分析

4.1 改造后電池包符合AGV運(yùn)行要求

經(jīng)過上述設(shè)計，最終得出符合AGV使用的鋰電池包，參數(shù)對比如表4，經(jīng)退役電池改造的新電池包可以匹配原AGV電源。將其安裝在實(shí)際AGV上試運(yùn)行，如圖5所示，經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，運(yùn)行狀態(tài)良好，可以投入實(shí)際生產(chǎn)使用。根據(jù)近三年公司更換AGV載具電池的數(shù)量統(tǒng)計，成功將退役鋰電池梯次利用于AGV電源，平均每年可節(jié)約成本約15.6萬元。

4.2 AGV改造前后運(yùn)行狀態(tài)分析

可以通過測試AGV運(yùn)行時的放電狀態(tài)來判斷。而電池的放電狀態(tài)主要是分析其工作時的放電電流。在實(shí)際開發(fā)中，將電流鉗表卡住載具上的電池輸出線并固定在其旁邊，通過拍攝鉗表的顯示屏，形成一個簡易的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。如圖6為采集的同型號AGV分別使用改造前后的電源運(yùn)行時的放電電流曲線，選擇的工況是從啟動到停車的0—120s的運(yùn)行工況。由圖6可知，改造前后的放電曲線基本一致，其最大放電電流為5A，平穩(wěn)行駛階段的放電電流在1-2A左右，其放電電流不大，變化也較為平穩(wěn)。可以認(rèn)為，使用退役鋰電池重新組裝的AGV電源能夠達(dá)到該款A(yù)GV的正常運(yùn)行，放電狀態(tài)與原電源相比基本一致;改造后的退役鋰電池可以用于AGV電源改造，為退役鋰電池的梯次利用拓寬了應(yīng)用場景。

5 總結(jié)

（1）本文探索了退役動力電池在低速物流載具電源上的應(yīng)用，拓寬了退役電池梯次利用的應(yīng)用場景，為汽車企業(yè)對退役電池的梯次利用實(shí)踐提供了參考;此外，對于從梯次利用電池中退役的電池或可進(jìn)行二次梯次利用，其應(yīng)用具備一定可行性但實(shí)際應(yīng)用仍有待研究;

（2）本文以某款A(yù)GV電源改造為研究對象，首先分析了AGV實(shí)際工況下的參數(shù)性能要求和退役鋰電池的狀態(tài)、參數(shù)情況，進(jìn)一步分析了將退役鋰電池應(yīng)用于AGV電源的適用性;然后分別從電芯PACK方案、電氣方案、機(jī)械方案等方面進(jìn)行了設(shè)計，成功應(yīng)用退役鋰電池對AGV電源進(jìn)行了改造，并在實(shí)車中進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)測算，成功應(yīng)用退役鋰電池對AGV電源進(jìn)行改造后，每年可節(jié)約成本15.6萬元。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慧，重大隱患！退役動力電池何處去[J].財經(jīng)國家周刊，2019-04-05.

[2]李坦，胡振華.多方案創(chuàng)新推動梯級電池在通信基站的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2018，35（09）：191-193.

[3]許開華，張云河. 梯次利用車用動力電池儲能系統(tǒng)[P]. 湖北?。篊N105743111B，2019-03-05.

[4]余志坤，王天生，熊釗.退役動力蓄電池用于運(yùn)輸載具電源的可行性分析[J].裝備制造技術(shù)，2019（06）：102-105.

[5]黃祖朋.退役動力電池在AGV電源中的應(yīng)用[J].時代汽車，2020（10）：56-57.

[6]王景松，孫李璠，路高磊，徐柏興，葛俊夏，吳大偉.純電動汽車高壓直流熔斷器計算及選型方法[J];汽車電器，2019年第5期.