退役动力电池不一致性的分选办法

西昌学院机械与电气工程学院 周玉莲

四川大学电气工程学院 钱洋杰

西昌学院机械与电气工程学院 褚晓锐 周光强 张意林

退役动力电池在二次利用前，需要对其进行分选再配组，目前可用的方法主要有静态电压、容量配组法、容量和内阻联合配组法，还有综合性高的充放电曲线匹配法和多条件分选法。本文对环境温度、放电倍率对退役电池不一致性的影响规律，分析对比以上不同方法，提出一种同时考虑退役电池内部因素和外部因素的一种分选方法。

退役动力电池失效的影响因素很多，诸如环境温度、制造缺陷等，总的来说，大体上可以分为内因和外因两类。由电极性能衰退、电解液损耗、隔膜老化等材料性能的退化和产品制造缺陷引起的失效为内因；外因主要指动力电池的工作环境与工作应力，如电池的工作温度、电流、放电深度等。由于动力电池失效的程度各不相同，所以在二次利用前需测量电池的性能参数，让各性能参数相差不大的电池分在一组，便于充分利用其剩余能量、容量，还能延长电池二次使用的寿命。

1 电池组不一致性分析

1.1 电池组产生差异性的原因

综合大量文献资料和实验数据，退役动力电池不一致的主要原因是单个电池的初始差异以及组合后电池结构，工作条件和环境的差异。初始差异是在生产制造时由工艺水平和材料的不均匀造成的，在电池成组后，电池的组合方式、环境温度、放电倍率等差异则会加大电池组的不一致性。黄保帅等在《基于单体一致性对动力锂电池性能的影响研究》中进行了大量实验，通过监测电池单体的电压、内阻等参数，发现在电池组工作时，电池单体间的各参数变化越小，电池的一致性越高。李腾等在《酸铁锂电池组成组过程的不一致性分析》一文中让电池进行串联、并联和混联，探究电池组在多种方式成组时的不同影响，发现无论是串联还是并联，内阻不一致造成的影响均存在，尤其是在并联模块中，内阻的不一致对单体电流造成的影响更大。

1.2 电池组不一致性判断依据

电池组内各电池单体保持一致性是电池容量和能量能充分利用的关键，也是对电池进行分选的重要依据。电池

的一致性是指电池组在有无能量输入输出时，电池单体性能参数（电压、SOC、自放电率、内阻等）的相同程度。从目前的研究成果来看，判断电池不一致性的依据一般为荷电状态（SOC）和电池健康状态（SOH），由于荷电状态和电池健康状态都不是固定不变的物理量，它会随着环境温度、电池内阻的变化而变化，所以需要对成组电池的各个性能参数进行监测，观察其是否能长时间保持一致。

2 解决锂电池组的不一致性的方法

在目前的研究水平，解决退役动力电池不一致性问题的方法主要有分选、热管理、电池均衡管理和能量管理策略。

2.1 热管理

热管理设计是使电池组的温差保持在一个较小的范围内，在这个范围内各电池单体都能以最大功率工作，使电阻受温度影响减小，从而延长电芯的使用寿命。李建林等在《碳达峰背景下退役锂电池梯次利用电热管理技术》文中对退役电池梯次利用中的热管理技术进行了研究，提出在评估退役电池的电滥用、热滥用风险时，可结合预测技术、建模技术等增加退役动力电池风险估计准确性。同时，结合新兴的数字控制可重构网络及低成本隔离型拓扑，提高退役动力电池电管理安全性。

2.2 电池均衡管理

电池均衡管理减小了电池单体间的不一致，为动力电池组提供了稳定良好的使用环境，使电池的不一致性不随使用时间增大。杨扬等在《退役锂电池梯次利用主动均衡方法研究》文中结合集中式和分布式均衡拓扑的优点，提出基于Buck-Boost电路的分组双向主动均衡电路，结果表明，该方法能有效改善电池组的不一致性。赵光金等在《主被动均衡技术及其在电池梯次利用中的应用》一文中提出一种主被动协同均衡控制策略方法，即采用矩阵均衡算法实现整个电池组的均衡，使整个电池组的电压能在最短时间内达到一致。

2.3 能量管理策略

能量管理策略是能量管理和均衡系统的结合，目的是为了防止电池深放电，同时避免电池的过充电制定合适的电池均衡策略，以此来减小电池间的差距，进而降低不一致性。该方法操作较繁琐，但它较全面的考虑了多种影响因素，具有一定参考价值。

2.4 分选

由于电池在退役后容量、内阻等各项性能不一致，所以在进行二次利用时需对其进行分选，把参数值相近的电芯放在同一个电池组里。目前的分选方法有静态电压配组法、充放电曲线匹配法等。

3 电池组不一致性分选方法

3.1 静态电压配组法

静态电压配组法主要是准确测量出电池的开路电压，只需考虑电池本身，不需要考虑负载。电池开路电压是指不对外放电时，正、负电极之间的电压差，一般通过电池复合脉冲性能实验得到。该方法分选的结果不准确，但是简单易操作。

3.2 静态容量配组法

由于测量值是在预先设定好的条件下获得的，难以反映电池在实际使用过程中由环境温度的变化、电池内阻劣化等引起的电池容量的改变，所以需要改进实验测量的技术手段。若能更精确地测量出单体电池的SOC和最大可用容量，使测量值接近真实值，就能更高效地对电池进行组合，最大化利用退役电池的剩余容量。赵萌等在《梯次利用锂电池内阻一致性评估指标》文中对退役动力电池单体各项性能进行测试，发现容量的衰减规律具有一致性，但仅适用于初始容量差不多的电池，容量越接近，一致性越强，在多次循环后，充放电时电池内阻也无明显差异。

3.3 容量和内阻联合配组法

此方法是容量配组法与内阻配组法的组合，即在考虑初始容量的情况下考虑内阻对电池组一致性的影响，再进行配组，该方法可行性好，结合了两者的优点，使电池分选后一致性更高，能量利用率最大化。但由于电池内阻会因为电池放电和环境温度而改变，有一定的局限性，不能反映完整的工作特性。

3.4 充放电曲线匹配法

该特性曲线综合考虑了多种因素，电池的各种特性它都能反映，具有实际指导意义。充电曲线下多指标融合的方法可预测退役动力电池的剩余寿命，观察电池各时期的温度变化曲线，发现在电池在恒流充电时，温度先下降一小段再不断上升，在恒压充电阶段时，温度曲线不断下降，分析特征温度的变化率和电池容量的相关性，我们发现，提取的温度特征与电池容量有一定的负相关性，而从充电电压提取的特征和从充电电流提取的特征都与电池容量有很好的相关性。

3.5 多条件分选法

多条件分选法能够同时考虑内阻、自放电率等多个条件，从而对电池进行全面分析，得到各项性能指标，然后再对电池进行配组。陈燕虹等在《电动汽车锂离子动力电池分选方法研究》中比较了三种因子分选法后，发现先进行总因子分选法，然后将其与动态特性分选法相结合，能有效保证电池组的一致性。薛金花等在《基于老化机理分析退役磷酸铁锂电池分选方法》一文中依据退役动力电池的老化特征，并根据测量出的结果分析其潜在的老化规律，选取剩余容量、电池内阻和电池IC曲线三项指标作为判断依据，对电池进行分选，分选出的电池在成组后工作效率更高，电池寿命更长。然而多条件分选法在分选过程中引入较多参数，需要分析处理大量的数据，容易造成聚类困难，分选耗时较长。

本文对静态电压、容量配组法、容量和内阻联合配组法、充放电曲线匹配法、多条件分选法这五种方法进行分析比较。前三种方法是依据单参数的变化进行分选，而后两种则是根据多参数的变化进行分选。综合比较以上五种不一致性分选方法，得出五种方法各自的优缺点。多参数的分选性能明显更优，且从经济性、实用性、操作难易程度等方面考虑，我们最终选择多条件分选法和动态特性配组法相配合的方法对退役动力电池不一致性进行分选。