动力电池多梯级利用的技术难点分析

李维，刘生全，何兆麒



动力电池多梯级利用的技术难点分析

李维1,2，刘生全3，何兆麒4

（1.西安航空学院汽车检测工程技术研究中心，陕西 西安 710077； 2.西安航空学院车辆工程学院，陕西 西安 710077；3.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064； 4.大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 116024）

我国已经成为了全球最大的电动汽车销售市场。在未来的几年中，会有大量新能源汽车的动力电池由于储能效率的降低被报废。还具有一定储能功能的电池被直接报废不仅会占用放置空间形成环境污染，而且还是能源的浪费。那么，动力电池如何进行再利用将是一个亟待解决的研究课题。预实现对淘汰的动力电池进行多梯级的利用，务必对其在利用过程中出现的技术难点进行攻关，对这些技术难点的的研究具体包括了研究动力电池单体性能的差异，筛选出相似性能的电池构成电池组；研究动力电池的最佳充电形式，实现电池高效无损的充电；研究开发动力电池寿命的预测系统，发挥动力电池在梯级利用各个阶段中的最大效能；研究开发动力电池的远程监控系统，监控单体电池的不均衡性和电池组充放电的不均衡性，从而采取策略延长动力电池的使用寿命；研究动力电池在多领域中示范性的应用策略。对上述内容进行深入研究将会为动力电池梯级利用的顺利开展奠定基础。

电池分类；充电曲线；电池寿命；远程监控；多梯级示范

前言

当新能源汽车的电池储能容量低于 80%时，则无法满足汽车的续航里程要求，必须要进行报废。如果对报废了的动力电池进行拆解则无法实现对动力电池剩余容量的有效利用。所以动力电池到了使用年限，无法满足新能源汽车的使用要求时，可以将动力电池应用于其他工业领域继续发挥“动力电池的余热”，即我们称之为“动力电池的多梯级利用”，实现动力电池价值的充分发挥，进而降低电池的制造成本。

电动汽车淘汰下来的动力电池梯级利用是电池储能的一种非常重要形式。因此，国家政府相关部门出台了对于动力电池梯级利用的多条政策，旨在促进梯级利用技术和储能产业的共同发展。但是，目前实现动力电池的梯级利用还有一些技术难点，比如：动力电池分类、充电曲线设计、电池寿命预估、性能参数监控等，这些技术难点的攻克将会为广泛开展动力电池的梯级利用打开广阔空间。

1 开展动力电池梯级应用的技术难点和研究方法分析

1.1 研究动力电池单体性能的差异，筛选出相似性能的电池组成电池组

单体的动力电池和由若干个单体动力电池构成的电池组，这两者在使用过程中的性能参数是有明显差异的。电池组的使用寿命并不等于单体电池使用寿命的平均值。这主要是由于即使标签是相同的单体动力电池，但其性能也无法保证完全的一致。单体电池的性能差异主要有两个指标：构成电池组之前的单体电池的性能差异和组成电池组之后的电池内部状态变化的不一致导致的性能差异[1]。对于单体电池而言，容量和内阻分别代表了电池的能量与功率特性。这两种参数可以作为单体电池分选的直接指标。但是，直接使用这两种参数作为分选指标也有明显的不足。因为无论单独使用哪一种参数，都无法全面地表示电池的性能。其次，这两种指标比较难以精确获得，通常都会受到测量可靠性的影响。因此，在动力电池组的使用中必须严格要求单体电池的性能必须达到规定的指标。

所以，必须采取一定的原则和方法对动力电池进行分类，把电池性能差异小、性能接近的单体电池组合在一起来实现电池组的最佳性能。因此，有必要在这电池容量和内阻这两种参数的基础上，建立某种数学模型来计算动力电池的多项参数，由多参数优化制定出动力电池单体性能差异的评判标准，制定出相似性能的电池构成电池组的标准和依据。

1.2 研究动力电池的最佳充电曲线，实现电池无损快速地充电

动力电池充放电过程是一个复杂的电化学反应过程，呈现出非线性、多变量和离散性的特点[2-4]。动力电池充电过程与电池材料、结构、温度、充电电流、健康状态、可用容量、电倍率、极化效应、滞回特性等诸多因素有关，不同变量间呈非线性的关系。动力电池的充电的效果与其采用的充电方法实密切相关的。现有的充电方法有恒流充电、恒压充电、恒压恒流充电、分段恒流充电等十几种方法。在各种传统充电方法中，充电参数和模式都是固定的，充电过程是不考虑电池的实际状态的，忽略电池的极化效应、滞回特性、温度特性等。这样的充电过程对电池是有损伤的，长期使用后会降低电池性能和寿命。

所以，有必要探索动力电池的充电策略，研究出一种智能的电池充电技术。在充电时能够实时判断电池的充电状态，实时检测出电池内的性能参数的变化，使电池始终保持最大的接受能力，实现对不同种类的动力电池实现最优的充电效果。这样，动力电池的充电过程将会更加安全、高效，动力电池的寿命也会更为持久。

1.3 研究开发动力电池寿命的预测系统，发挥动力电池在梯级利用各个阶段中的最大效能

电池寿命的可靠性预测可以为电池更换和维护提供重要的提示信息，避免了由于电池故障或更换不及时而造成的重大损失，提高了电池应用的经济效益。由于电池的使用寿命可分为循环寿命、浮充寿命、搁置寿命、热应力寿命等等，并且不同种类的电池其寿命的影响因素也存在着差异[5-7]。此外，动力电池又属于典型的非线性、动态的电化学领域，其内部参数当在线应用时不易于测取。动力电池寿命的长短主要是由电池容量来评价的，而电池容量的下降又主要受到电池的充放电温度和电流的影响。

所以，针对电池寿命需要开展全面深入的研究，通过数学建模把电池容量衰减与循环寿命之间构建出非线性关系，设定多指标或者多参数来综合评定动力电池的寿命。最后开展试验测试，比如使用数字X射线计算机层析图像测量等测取与电池寿命相关的性能参数。利用试验数据对数学拟合方法进行修正，可以得到一个较好的动力电池寿命的预估模型。通过建立一套动力电池寿命的预测系统，可以充分发挥动力电池在梯级利用各个阶段中的最大效能。

1.4 研究单体电池和电池组充放电时的不均衡性，延长动力电池的使用寿命

有许多因素都会影响动力电池系统的运行状态，如工作电压、工作温度和电流波动等。若想确保动力电池系统的安全高效地稳定运行，就希望能够监测动力电池和电池组的工作状态参数，一旦一些参数超过合理的上下极限，系统就会发出报警给予提示。电池组内单体电池的不均衡性是由于单体动力电池在制造过程中，其初始的容量、电压、内阻等与电池组中的其他单体电池未必完全相同。这种差异会造成电池组的过度充电和过度放电的现象，严重时会出现该电池组的容量比其它电池组都低，造成整个蓄电池组无法正常的工作，同时这也极大地损害了对电池的寿命[8]。

因此有必要对构成一个电池组的不同单体电池性能的不均衡性进行分析，建立单体电池的不均衡特性的模型，制定出单体电池的不均衡控制策略[9]。在此基础上，对由单体电池构成的电池组的充放电不均衡现象也进行分析，建立电池组的充放电不均衡性的数学模型，制定出电池组的能量分流充放电控制策略。所以，研发出一套监控系统，实时监控单体电池的不均衡性和电池组充放电的不均衡性相关参数，从而延长动力电池的使用寿命。

1.5 研究开发出动力电池的远程监控系统，实现实时地监控单体电池和整体电池组的工作性能参数

2 研究重点流程图

图1 研究重点流程图

研发出一套动力电池远程监控系统，将单体电池的不均衡性、电池组充放电的不均衡性以及电池的各种性能参数上传到技术中心，有利于新能源汽车企业深入研究电池的性能。首先，通过使用ZigBee通信技术、CAN总线、3G数据包、Internet数据包等来实时监控单体电池电压、典型位置的温度、系统总电压、系统电流及电池SOC等数据[10,11]。之后开发电池的管理系统、车载终端、后台服务器、远程监控平台等组成的远程监控系统，实现实时地监控动力电池的运行状态。

3 结论

动力电池的梯级利用可以延长电池的使用寿命，降低电动汽车动力电池方面的成本，避免了由于填埋电池带来的污染问题。同时也满足了其他行业对动力电池的需求。所以，为动力电池开展广泛的梯级利用，有必要对动力电池单体和电池组的内部参数和技术性能进行测试、计算、试验、评估，建立完善的动力电池的技术性能检测和监测系统，为动力电池多梯级利用的开展奠定良好的基础。

[1] 王佳元,孙泽昌,魏学哲等.电动汽车动力电池分选方法研究[J].电源技术, 2012(36)：94-98.

[2] 苑风云.基于充放电特性的铿离子电池分选方法的研究[D].吉林大学, 2014.

[3] 张革,赵新,李国栋等.车载锂离子动力电池系统及充换电技术研究[J].电源技术, 2017(141)：641-643.

[4] 李海杰.车用动力锂电池智能充电技术研究[D].天津工业大学, 2018.

[5] 郑芳丹.基于数据驱动的多时间尺度锂离子电池状态评估技术研究[D].北京交通大学, 2017.

[6] 王丰伟.退役动力电池剩余容量梯次利用的关键技术研究[D].沈阳工程学院, 2017.

[7] 王光芒.无线传输的动力锉电池主动均衡充电系统的研究与设计[D].湖南大学, 2017.

[8] 李小龙.锂离子电池充放电特性及安全性检测研究[D].电子科技大学, 2018.

[9] 杨春雷，刘志远.一种电动汽车动力电池均衡控制方法的设计[J].上海交通大学学报, 2011(45)：1186-1190.

[10] 骆秀江,黄细霞,刘艺等.基于ZigBee的动力锂电池组无线远程监控系统[J].电源技术,2018(42)：349-352.

[11] 皮钒.增程式电动汽车电池电量估算及远程监控方法研究[D].湖南大学, 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

李维，男，出生于1980年2月，博士研究生。工程师，研究方向：新能源汽车。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.004