AGV梯次利用退役动力锂电池设计

范文健

摘 要：在电动汽车技术飞速发展的今天，退役动力锂电池的梯次循环利用问题日益凸显。在汽车整车制造领域，AGV的铅蓄电池具备换为退役动力锂电池的可能。上汽通用五菱汽车股份有限公司立足于制造系统，开展了对整车动力锂电池梯次应用于工厂AGV的研究，本文以某款AGV电源为例，主要进行了电池包PACK方案和电池管理系统（BMS）的设计以及电气设计选型，并应用于实车验证。通过上述研究验证了AGV梯次利用退役动力锂电池的可行性，并实现了AGV梯次利用退役动力锂电池的设计改造。

关键词：电池梯次利用 退役动力锂电池 AGV电源改造

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

锂离子动力电池被世界科学家称誉为“21 世纪洁净的环保新能源”，具有极大的发展潜力。随着国家对新能源电动汽车的规划和扶持，锂电技术不断创新和飞速发展，同时也存在废旧电池的处置问题。据中国汽车技术研究中心预测，2018～2020年全国累计报废动力电池将达12万～20万吨，而到2025年，这一数字累计将超过75万吨，市场规模超过百亿元[1]。从环境保护和资源利用方面来看，对废旧锂电池的回收再利用问题亟待解决。2018年，工信部发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，明确指出由汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任。由行业标准可知，新能源汽车动力电池衰减至标称容量的80%，需从车上退役。此退役动力电池的容量和功率仍然可以適用于一些低动力性能要求场合，可对其进行梯次利用。

基于退役锂电池梯次利用的可行性，各企业近年来积极开展退役电池回收利用的研究，其中梯次利用电池常用于通信基站储能备电[2-3];上汽通用五菱作为行业领先的新能源汽车制造公司，也对退役动力电池的综合回收利用展开了一系列研究[4-5]，尤其是在退役锂电池应用于物流载具电源中取得了一系列成果。本文以某款AGV为对象，分析了退役锂电池与AGV工作参数以及具体工况的兼容性，对用于AGV电源的梯次利用退役锂电池进行了PACK方案设计、机械设计和电气设计，对AGV实现了梯次利用锂电池的改造。

2 AGV梯次利用退役锂电池技术分析

2.1 AGV电源性能分析

为了将退役动力锂电池应用在AGV上，首先要了解原AGV电池的参数，包括电池容量、电压工作范围、最大持续充电电流、最大峰值充电电流及时间、工作电压、充电机的充电电压、电池尺寸以及通讯需求，如表1所示。改造完成后的电池包需要与原电池工作参数相匹配。

2.2 退役动力锂电池测试

本文所用于改造的退役锂电池来源于从公司某款电动车型上回收的三元锂电池包，将其进行拆包处理，得到退役动力锂电池模块，其模块参数如表2。对从同一个电池包上拆解下来的退役动力锂电池模块进行状态性能测试，测试项目包括：外观检查、OCV测试、内阻测试等，测试结果如表3所示。由测试结果可知，退役动力锂电池模块的外观保持良好、开路电压压差低于10mV，内阻均小于1.95mΩ，说明其一致性较好，可以进行重组进行梯次利用[5]。

2.3 AGV梯次利用退役动力锂电池适用性分析

2.3.1 技术分析

经过测试，从退役动力电池包上拆取下来的电芯状态良好，一致性满足要求。因此，经过合适的串并联设计，就可以重组得到满足原AGV电源参数要求的电池包。并且人工拆解退役动力锂电池包的无损率达到99.9%，其技术难度不高。完成电池包PACK方案不仅需要其电压和容量与原AGV参数相匹配，还需要重组电池包的尺寸与载具电池舱尺寸相匹配，经实地考察载具电池舱空间充足。综上分析，在拆解难度，工作参数和安装尺寸方面，对退役动力电池包进行拆解重组应用到AGV上较适用，能进一步进行改造设计。

2.3.2 经济分析

2018年8月17日，杭州第二届中国电动汽车充放电与驱动系统学术研讨会，国家电网许继机电有限公司统计以往电池梯次利用成本为新电池购置成本的20%。在这里保守估计利用梯次动力锂电池回收成本为原来的30%。本文使用的某款动力锂电池新电池成本为1.6元/Wh，可以得到梯次利用锂电池成本在460.8元。公司原先采购铅蓄电池单价为1000元，节约成本539.2元。由此可见，AGV梯次利用退役动力锂电池具有一定的效益性。

2.3.3 AGV梯次利用退役动力锂电池技术路线

锂电池在充放电和存储过程中，若处理不当，会引起电池内部的活性物质及电解液组分之间发生化学和电化学反应产生大量的热和气体，从而引起电池起火爆炸。因此从锂电池设计、零件选型及使用方面都考虑充分，以保证锂电池生命周期内的安全，本文采用技术路线如图1所示。

3 锂电池系统改造方案

3.1 电芯PACK方案设计

在AGV实际使用过程中，设计的电池组需要满足AGV的充电需求。在本文中首先依据最大持续充电电流来选择需要的退役动力锂电池总容量。具体PACK方案设计如下。

a：模组总容量选择

根据最大持续充电电流选取合适的锂电池电芯，本文选用的某款AGV原电池充电电流为70A，电芯以1C充电时，需要的电芯总容量是C≥70/1=70Ah，本次选择的退役动力锂电池标称容量为90Ah，符合要求。

b：电芯数量选择

电压分析：原铅酸电池电压为，U1=24V，锂电芯电压U2=3.2V，电芯数量需求≥U1÷U2=24V÷3.2V= 7.5，因此需要至少8个电芯串联才能满足电压要求。此处选择8个电芯串联

功率分析：原铅酸电池参数看，功率W1=工作电压×总容量=24V×40 Ah÷1000 =0.96kWh。

8个锂电池电芯串联功率W2=工作电压×总容量=3.2V×8×40Ah÷1000=1.024 kWh

W2≥W1，即从理论上8个串联的电芯组合满足要求考虑到要满足最大持续充电电流，最后选择两个电芯并联。

综上分析，最终确定每个锂电池包中由8个串联的电芯组成，即2并8串（2P8S）的电池包。

3.2 电气方案设计

根据电池包参数要求和电芯特性，设计电气原理图，如图2所示。因此，需要进一步对零件如BMS板、熔断器、动力线以及接插件进行设计选型。

3.2.1 BMS选型

电池管理系统（BMS）对动力电池包有着重要的作用，主要在均衡电芯电量，保护电池包过充、过放、过热等安全问题上起着主要作用。目前已经有各种成熟的BMS由各类公司开发出来，根据实际要求选择合适的BMS板。根据厂内AGV运行工况平稳、周期性充电、需要方便检修等特点，对BMS功能要求如下：

1） 锂电充电过压保护：在任何一个单串电池电压超过过压保护值时，充电回路断开。

2） 锂电放电欠压保护：在任何一个单串电池电压低于欠压保护值时，放电回路断开。

3） 锂电充电过流保护：充电电流超过保护值时，充电回路断开。

4） 锂电放电过流保护：放电电流超过保护值时，放电回路断开。

5） 锂电温度过高保护：BMS检测到电芯温度过高，BMS的充、放电回路断开。

6） 锂电温度过低保护：BMS检测到环境温度过低，BMS的放电回路断开。

7） SOC电量计算。

8） 剩余电量显示。

另，需要定制与BMS和電芯匹配的通讯控制线束和模组采集线束。

3.2.2 熔断器选型

BMS中的MOS管对锂电池保护板的作用非常大，它可以检测过充电、检测过放电、检测充电时过电电流、检测放电时过电电流、检测短路时过电电流。但是，当MOS管发生故障时，有可能被击穿而导通，此时BMS无法起到短路保护作用，需在每一路用电设备都要加熔断器，作为短路的硬件物理保护。当电流超过100A时，BMS中的MOS管无法长时间承受如此大的电流，需要用继电器。本文锂电池包的充电电流为70A，因此只在电路中接入一个熔断器即可。

熔断器选型方法可参考《纯电动汽车高压直流熔断器计算及选型方法》[6]，公式如下：

In=I额×K/（Kt×Ke×Kv×Kf×Ka×Kb）

式中：In为熔断器额定电流;I额为负载额定电流;K为负载修正系数;Kt为温度修正系数;Ke为连接器件热传导系数;Kv为风冷修正系数;Kf为频率修正系数;Ka为海拔修正系数;Kb为熔断器壳体修正系数。

I额=80A

K：容性负载回路，取K=2

Kt：温度50℃，取值Kt=0.85

Ke：采用经验值，Ke=0.8

Kv：无风冷，取Kv=1

Kf：直流电流，取Kf=1

Ka：海拔不明确，取值Ka=1

Kb：陶瓷壳体，取Kb=1

In=70×2/（0.85×0.8×1×1×1×1）=206A

经与供应商沟通，最终选择友容AET-200EV熔断器。

3.2.3 动力线与接插件选型

查询规范得知：10平方毫米铜电源线的安全载流量——65A;16平方毫米铜电源线的安全载流量——91A;25平方毫米铜电源线的安全载流量——120A。根据实际AGV的充电电流，选取16平方毫米铜电源线。

此外，还要购买与动力线相关的电缆固定头、及接线端子。

接插件需要选择与原蓄电池相同的充放电动力接插件外壳、动力接插件针芯。

3.3 机械方案设计

首先，要根据原AGV的最大电池空间来框定锂电池的外观尺寸，如原AGV的电池空间无法满足此款电芯的布置，则需要改造AGV或更换电芯。

将16个电芯放到箱体数模中，根据电芯结构特点及参考其在整车动力电池包中的安装方式，可以设计多种固定方式。完全限制电芯的六个自由度，以确保其在箱体的位置不会以为碰撞而产生位移。常见的方法有：

1）螺栓连接：易于拆装，无需工装辅助即可完成，对于小批量生产而言结构简单、成本低。

2）焊接：需要专用的工装和设备进行操作，一次性投入成本高，但效率高、人员成本低，对于大批量生产有成本优势。目前很多的电池常见都是采用此种方式。

3）打胶固定：方便快捷，但不易拆解，对电池散热有影响，适合样包验证。

其次，电池包设计时要注意各零部件与电池箱体的绝缘。如在铜排与电芯间隙小时，使用绝缘布进行隔离;电芯底部采用塑料座或环氧板与电池箱底隔离;熔断器及BMS板如可通过绝缘柱与底板相连;铜排或铝排等连接件应该用塑料壳盖住，或用热缩管包住，进行绝缘处理。总之，避免箱体带电，并最大程度降低电池开箱后人员触电的风险。

最后，箱體与内部零件的间隙建议为5mm，以便于电池模组与零件地取放。并且充分校核手和电动拧紧工具的装配空间。

完成退役锂电池AGV电源改造后，其结构如图4所示。

4 AGV（梯次利用退役动力锂电池）改造结果分析

4.1 改造后电池包符合AGV运行要求

经过上述设计，最终得出符合AGV使用的锂电池包，参数对比如表4，经退役电池改造的新电池包可以匹配原AGV电源。将其安装在实际AGV上试运行，如图5所示，经过实车验证，运行状态良好，可以投入实际生产使用。根据近三年公司更换AGV载具电池的数量统计，成功将退役锂电池梯次利用于AGV电源，平均每年可节约成本约15.6万元。

4.2 AGV改造前后运行状态分析

可以通过测试AGV运行时的放电状态来判断。而电池的放电状态主要是分析其工作时的放电电流。在实际开发中，将电流钳表卡住载具上的电池输出线并固定在其旁边，通过拍摄钳表的显示屏，形成一个简易的实时数据监控系统。如图6为采集的同型号AGV分别使用改造前后的电源运行时的放电电流曲线，选择的工况是从启动到停车的0—120s的运行工况。由图6可知，改造前后的放电曲线基本一致，其最大放电电流为5A，平稳行驶阶段的放电电流在1-2A左右，其放电电流不大，变化也较为平稳。可以认为，使用退役锂电池重新组装的AGV电源能够达到该款AGV的正常运行，放电状态与原电源相比基本一致;改造后的退役锂电池可以用于AGV电源改造，为退役锂电池的梯次利用拓宽了应用场景。

5 总结

（1）本文探索了退役动力电池在低速物流载具电源上的应用，拓宽了退役电池梯次利用的应用场景，为汽车企业对退役电池的梯次利用实践提供了参考;此外，对于从梯次利用电池中退役的电池或可进行二次梯次利用，其应用具备一定可行性但实际应用仍有待研究;

（2）本文以某款AGV电源改造为研究对象，首先分析了AGV实际工况下的参数性能要求和退役锂电池的状态、参数情况，进一步分析了将退役锂电池应用于AGV电源的适用性;然后分别从电芯PACK方案、电气方案、机械方案等方面进行了设计，成功应用退役锂电池对AGV电源进行了改造，并在实车中进行了验证。经测算，成功应用退役锂电池对AGV电源进行改造后，每年可节约成本15.6万元。

参考文献：

[1]王慧，重大隐患！退役动力电池何处去[J].财经国家周刊，2019-04-05.

[2]李坦，胡振华.多方案创新推动梯级电池在通信基站的应用[J].通信电源技术，2018，35（09）：191-193.

[3]许开华，张云河. 梯次利用车用动力电池储能系统[P]. 湖北省：CN105743111B，2019-03-05.

[4]余志坤，王天生，熊钊.退役动力蓄电池用于运输载具电源的可行性分析[J].装备制造技术，2019（06）：102-105.

[5]黄祖朋.退役动力电池在AGV电源中的应用[J].时代汽车，2020（10）：56-57.

[6]王景松，孙李璠，路高磊，徐柏兴，葛俊夏，吴大伟.纯电动汽车高压直流熔断器计算及选型方法[J];汽车电器，2019年第5期.