磷酸铁锂动力电池梯次利用可行性分析研究

刘仕强， 王 芳， 柳东威， 樊 彬， 任 山

(中国汽车技术研究中心，天津300300)

磷酸铁锂动力电池梯次利用可行性分析研究

刘仕强， 王 芳， 柳东威， 樊 彬， 任 山

(中国汽车技术研究中心，天津300300)

随着电动汽车保有量的增加，从电动汽车上淘汰下的动力电池将大量出现。车用动力电池直接进入材料回收模式将造成资源的严重浪费。将淘汰的车用动力电池用于其他工况，实现动力电池的梯次利用，可以有效延长动力电池的全寿命周期，降低动力电池的使用成本，提高资源的有效利用率。以磷酸铁锂动力电池为研究对象，通过常规循环和典型电网储能工况循环，分析动力电池放电容量、直流内阻、可用功率等特性参数的变化规律，研究磷酸铁锂动力电池电网储能工况梯次利用的可行性。研究发现，不同工况下，动力电池放电容量衰减速率不同。常规循环衰减较快，电网储能工况衰减缓慢，但均遵循的线性关系衰减。淘汰的车用动力电池用于电网储能工况，可有效增加约3年使用周期，大幅延长动力电池的寿命周期。

梯次利用；电动汽车；动力电池；电网储能；磷酸铁锂

在电动汽车行业高速发展的几年内，磷酸铁锂动力电池是车用动力电池领域应用最广泛的。随着电动汽车行业的发展，动力电池的车用寿命即将终结。因此，这些电池均面临被处理的情况。

通常情况下，普遍认为在电动汽车工况下，动力电池的放电容量衰减至初始容量的80%时即无法满足车用要求，必须予以更换，以维持电动汽车的性能。随着电动汽车保有量的增加，无法满足电动汽车性能要求的动力电池将大量出现。在这种情况下，如果将动力电池直接进行拆解回收，势必导致动力电池的绝大部分寿命未得到充分利用，造成资源的极大浪费，增加动力电池的使用成本[1-2]。

实际上，容量衰减至80%的动力电池仍然有较好的性能和较长的寿命，可以满足一些对性能要求不苛刻的领域，例如电网储能、削峰填谷、低速电动车、场地车等使用环境[3-4]。

本文依据QC/T743《电动汽车用锂离子动力电池》及某典型电网储能工况对磷酸铁锂动力电池进行常规循环和电网储能工况模拟实验，分析放电容量、直流内阻、可用功率等表征动力电池寿命的性能指标，研究动力电池的性能衰减规律，以实际实验数据验证磷酸铁锂动力电池电网储能工况梯次利用的可行性。

1 测试方法及技术参数

实验中首先根据QC/T 743《电动汽车用锂离子动力电池》[5]进行常规循环，每隔100次循环测定动力电池的直流内阻、可用功率等特性参数，直至动力电池的放电容量低于初始容量的80%时，认定动力电池无法满足电动汽车工况运行。完成1C常规循环后，根据电网储能模拟工况进行储能工况循环，每周测定动力电池的特性参数。

常规循环实验的具体实验方法为：(1)1C倍率充电至充电截止条件；(2)静置30 min；(3)1C倍率放电至放电截止条件；(4)静置30 min。

电网储能模拟工况参照电网某处实际用电功率工况，经整理拟合而得，如图1所示。

图1 电网储能模拟工况

特性测试依据FreedomCAR的《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》中的混合功率脉冲测试(HPPC)进行，具体测试脉冲如图2所示。

图2 混合功率脉冲测试(HPPC)测试脉冲示意图

测试过程中记录各个时间点的电压和电流值，根据手册中的公式分别计算放电直流内阻、充电直流内阻、放电可用功率和充电可用功率。

2 实验与分析

2.1 常规循环

实验样品首先进行常规循环。常规循环中动力电池进行满充满放，在每个循环中均可获取实验样品的放电容量。动力电池样品的初始容量为61.32 Ah，经过2 529次循环，电池样品的放电容量衰减至47.67 Ah，具体实验结果如图3所示。

从图3中可以看出，在循环过程中，动力电池的放电容量不断变小。通过对结果进行拟合发现，循环过程中，动力电池样品放电容量与循环次数呈高度线性关系。图3中显示的R2值说明曲线拟合度较高，符合放电容量衰减的趋势。

常规循环过程中，每隔100次循环，测定动力电池的直流内阻及可用功率等特性参数，测试结果如图4和图5所示。

图4 动力电池常规循环直流内阻变化

图5 动力电池常规循环可用功率变化

图4中是动力电池不同SOC状态下的直流内阻变化曲线。从图4中可以看出，除SOC为10%以外，其他SOC下动力电池直流内阻变化的趋势基本相同。在实验初期，测试样品的直流内阻上升较快，在500次循环之后，测试样品的直流内阻值波动较大，并且有小幅增大趋势。由于动力电池的直流内阻受温度影响较大，而该实验在室温下进行，并且持续时间较长，因此直流内阻值波动的原因可能是环境温度变化。

从图5中可以看出，10%SOC时的可用功率呈不断衰减趋势，在整个循环过程中变化较为明显。20%SOC时的可用功率在循环次数超过2 000次后，亦不断衰减，变化较大。但是其他SOC下的可用功率在经过循环初期的快速衰减后，一直处于不断波动，小幅下降的状态。

在该动力电池的放电容量低于初始容量的80%时，认为单次充电的续驶里程不能满足电动汽车的要求，判定该动力电池的车载寿命终结。课题组将该动力电池进行电网储能工况下的模拟实验，研究该废旧动力电池应用于电网储能工况的可行性。

2.2 电网储能工况循环

动力电池用于储能系统的主要作用是对电网负荷进行峰谷调节，为局域网提供紧急功率和峰荷的电力支持，平抑电网充电行为的随机性，控制电网负荷波动，提高电网电能质量，保障电网稳定运行。

动力电池依据图1所示的储能模拟工况进行电网储能工况模拟实验。该工况持续实验为6 h，相当于电网储能系统运行24 h。从图1中可以看出，该工况的强度远低于电动汽车模拟工况(新的标准)，主要体现在电流倍率小，而且充放电转换时间长。在实验过程中，每天运行4次电网模拟工况，然后测定电池的1C放电容量。完成一周测试后，测定动力电池的特性参数。图6显示的是电网储能模拟工况测试中动力电池放电容量的衰减曲线。

图6 动力电池电网储能工况放电容量变化

图6中的拟合曲线显示，动力电池在储能工况运行过程中放电容量与实验时间呈线性关系衰减。与常规循环相比，初始容量不同，而且两个拟合曲线的斜率也不同，电网储能工况的斜率绝对值更小，说明在电网储能工况下运行时，动力电池放电容量衰减速率更慢。图7和图8分别是动力电池储能工况下直流内阻和可用功率的变化。

图7 动力电池电网储能工况直流内阻变化

图8 动力电池电网储能工况可用功率变化

从图7中直流内阻的变化情况可以看出，在储能工况实验中，动力电池的直流内阻受到实验环境温度的影响，在1.5 mΩ附近波动。在常规循环末期，动力电池的直流内阻值在2.0～2.5 mΩ，而储能工况中动力电池的直流内阻一直处于1.5 mΩ附近，说明储能工况的负荷强度要小于常规循环。

图8中动力电池可用功率变化更加明显地说明，相比于1 C倍率循环，储能工况实验中，实验负荷强度降低。常规循环末期，动力电池的可用功率不断下降。10%SOC时，最低值约为300 W，相当于初始可用功率的23%左右。但是经过一段时间的储能工况实验，动力电池的可用功率明显回升，所有SOC下的可用功率均为1 000 W左右。10%SOC时，最低值约为900 W。由此可见，由于实验的负荷强度降低，动力电池的性能有一定程度的反弹，各特性参数有一定程度的回升。

虽然性能有所反弹，但是动力电池的放电容量不断衰减，不过衰减速率不同。以同样衰减至初始容量的40%为例，分别计算常规循环和电网储能模拟工况所需时间，如表1所示。在1C常规循环中，每个循环周期约为3 h，一天可以完成8次循环。电网储能工况中，每个循环6 h，一天可以完成4次循环。

表1 不同工况下动力电池放电容量衰减时间表

表1中列出在不同工况下，当动力电池放电容量衰减至初始容量的40%(24.0 Ah)时，需要的循环次数、循环时间、剩余循环时间。

从表中可看出，按照拟合的规律计算动力电池放电容量衰减至80%的次数约为2 455.73次，与实际实验得到的2 529次循环比较接近，说明拟合度较高。正常情况下，动力电池以预定规律衰减，继续以1C倍率进行循环实验，放电容量衰减至40%时约需要511.675天；如果将动力电池用于电网储能领域，可以继续使用850天左右。

在电动汽车领域，当动力电池放电容量衰减至80%时，其续驶里程以及其他性能均无法满足电动汽车工况要求，动力电池的车载寿命宣告终结。

在这种情况下，将电动汽车领域淘汰的动力电池用于储能领域，可以继续满足电网储能的要求，可以极大程度地延长动力电池的使用寿命，大幅度降低动力电池的全寿命周期的使用成本，提高资源的利用率。

3 结论

本文以磷酸铁锂动力电池为测试对象，依据QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》和某典型电网储能模拟工况，通过常规循环和储能工况实验，分析实验中测试样品放电容量、直流内阻及可用功率的变化规律，验证磷酸铁锂动力电池进行梯次利用的可行性。研究发现：

(1)常规循环和储能工况循环中，动力电池放电容量随实验时间呈线性衰减，符合的关系式。不同工况中，关系式的具体参数不同，放电容量的衰减速率不同。常规循环的衰减速率高于电网储能工况循环；

(2)常规循环中放电容量衰减至初始容量的80%的动力电池可以继续用于电网储能领域，以初始容量的40%为寿命终结点时，可继续使用约800天；

(3)磷酸铁锂动力电池可以进行常规循环和电网储能工况梯次利用，有利于延长电池的使用寿命，降低电动汽车用磷酸铁锂动力电池的使用成本，节约资源，提高资源的利用率。

[1]马伟强，张彩萍.梯次利用车用电池储能系统初探[J].科技视界，2012，30：70-71.

[2]李香龙，陈强，关宇，等.梯次利用锂离子动力电池实验特性分析[J].电源技术，2013,37(11):1940-1943.

[3]徐晶.梯次利用锂离子电池容量和内阻变化特性研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]王泽众，李家辉.电池梯次利用储能装置在电动汽车充换电站中的应用[J].电气自动化，2012,34(6):49-50.

[5]国家质量监督检验检疫总局.QC/T743-2006.电动汽车用锂离子蓄电池[S].北京：中国标准出版社，2006.

Analysis and research on feasibility using of LFP battery echelon

As the increasing of NEV holdings,there would be lots of batteries retiring from electric vehicles.It was great waste if these batteries were put into materials recycling phase.So making these batteries would be used in other fields,that could carry the battery echelon use out,extend the battery life,reduce the cost of batteries,and rise the resource utilization.LFP power battery was taken as example,via normal cycle and net grid energy storage cycle,and the attenuation rule of capacity,resistance,and available power were analyzed,research on the feasibility of battery echelon use was done.The rate of capacity decay in different situation was different,it was larger in normal cycle,but they all followed.And there was about 3 years when the batteries retired from EV were used in net grid energy storage situation,so it did great benefit to extend the battery life and reduce the cost.

echelon use;electric vehicle;LFP battery;Net Grid Energy Storage

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0521-04

2015-08-21

国家“863”高技术项目(2014AA052211)

刘仕强(1985—)，男，山东省人，工程师，主要研究方向为动力电池及其测试评价技术。