基于快速循环充放电法的退役动力电池单体性能筛分策略分析

解鹏 朱鸿胜 王雷 李晓卫

摘要：新能源汽车产业不断发展，车用动力电池退役数量不断增加，退役动力电池梯次利用可以带来经济和环境双重效益。在动力电池回收利用企业中，大量的动力电池单体需要进行检测筛分，以应对不同应用场景对动力电池的充放电性能要求。快速循环充放电法是基于“GB/34015-2017车用动力电池回收利用余能检测”的高效检测方法，可以大大提高回收利用企业生产效率，满足梯次利用动力电池参数支撑的需求，包括电池剩余电量、充放电性能等。为动力电池回收利用企业实现产业规模化提供了一种新的单体动力电池检测筛分试验方法。

关键词：新能源汽车;退役动力电池;性能检测筛分;快速循环充放电

中图分类号：TM721                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0201-03

0  引言

近年来，随着全球新能源汽车产业的不断发展，全球乘用电动汽车动力电池退役总量也在逐年攀升。2020年11月2日国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》提出到2025年新能源汽车销量占当年汽车总销量的25%;到2030年，新能源汽车形成市场竞争优势，销量占当年汽车总销量的40%。服役期折损20%电量为退役条件来计算，2021-2030年，全球乘用电动汽车动力电池退役总量将会达到1285万吨，中国新能源汽车动力电池退役总量将会达到705万吨，占全球总量将超过50%[1]。大规模动力电池的退役对循环经济发展带来了严峻的挑战，建立生态环境与经济协调发展的新能源汽车动力电池产业生态系统也将成为产业发展的重要内在动力之一。

目前我国退役动力电池的回收和管理依然处于探索和少量试点阶段。动力电池回收企业根据动力电池包进行预处理后进行分解、检测、筛选，对余能较高且能满足特定应用场景储能需求的单体进行重组梯次利用。对于部分性能较差的废旧电池单体进行拆解和材料回收。汽车动力电池要求其能量密度高、充放电循环多、使用环境适应性好[2]。因此作为电动汽车动力电池退役下来，仍然有足够的储能性能，通过梯次利用服务于其他应用场景中，如低速电动车、移动储能装备、通信基站、家庭储能等。

目前动力电池回收企业主要参照“GT/B34015-2017 车用动力电池回收利用余能检测”、“GT/B31486-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法”、“GT/B34015.2-2020 车用动力电池回收利用梯次利用要求”等标准执行。回收工艺已相对成熟，但大多数企业自动化水平仍有待加强，通过开发汽车退役动力电池快速检测技术将会大大提升动力电池回收生产线效率。在单体检测方法上国内还未有成熟的快速检测筛选分级退役电池的技术，也有少数企业开展了基于动力电池运行大数据分析的余能、剩余寿命与性能等残值的快速评估与分级筛选研究工作。

动力电池生产厂同一批次出厂产品具有同一型号规格和相同参数，出厂检验可以按照相同评价标准进行检测评价，且按照国家标准执行抽样检测：外形尺寸及质量抽样1%，室温放电容量抽样：5只（总量≤500）、10只（总量≤500）。與此不同的是对于动力电池回收利用企业，对进入回收利用阶段的每一个动力电池单体均需要逐一进行性能检测，给回收企业检测筛分工作带来了极大的工作量。另外，进入回收利用企业的动力电池多具由多种不同型号，基于循环工况下的快速充放电测试可以记录多个充放电循环中的各项参数，分析计算单体电池各项指标参数，且具有循环工况间隔时间短的特点，对于单体动力电池的快速筛分提供了有效的方法和途径。

1  快速循环充放电法实验依据

1.1 车用动力电池回收检测流程  车用动力蓄电池本身就属于危险品在使用、检测和重组的过程中需要严格按照产品要求进行试验。根据GB/T27611-2011《再生利用品和再制造品通用要求及标识》对再制造品的通用要求：“依据相应新产品的检测方法，再制造的质量、安全、性能、环保等各项指标不低于原型产品相关标准要求”[3]。在二次使用之前，蓄电池必须符合梯次利用的条件，并严格按照标准规范进行检测并使用。车用动力电池在进入电池回收回收企业后，一般要求对不同厂家、不同动力蓄电池类型进行同型号分类;对同类型（同厂家、铜材料、同型号）符合梯次利用要求的动力电池进行按容量等级分类，并重新组合使用在同一梯次利用产品中。

动力电池回收利用检测及检测标准：

根据国内市场主流车型质保政策，主机厂对动力电池提供的三包承诺也有所差异，如提供“8年/15万公里剩余容量不低于80%”、“8年或16万公里剩余容量不低于65%”、“5年或10万公里剩余容量不低于9格（满电12格）”等要求。对于动力电池容量判定条件均高于标称容量55%。因此最新国家标准要求“25℃±2℃条件下，动力电池包（模块、单体）的1I5电流值的放电容量应不低于标称容量的55%”[4]。（注：I5：5小时率放电电流）。

1.2 快速循环充放电实验依据  根据“GB/34015-2017车用动力电池回收利用余能检测”关于单体蓄电池充电及放电实验条件的要求。锂离子蓄电池单体的充电规程按照GB/T31486-2015中6.2.4执行，其充电电流采用1I5（A）;单体蓄电池在25℃±2℃的放电容量按照GB/T31486-2015中6.2.5执行，其中放电电流采用1I5（A）;测得室温放电容量即为蓄电池单体在室温下余能。GB/T31486-2015中同时提出“室温下，单体蓄电池先以1I1（A）电流放电制企业技术条件中规定的放电终止电压，搁置1h（或企业提供的不大于1h的搁置时间），然后按照企业提供的充电方法进行充电”[5]。对于回收利用企业可以根据实际情况按照不低于标准要求的检测方法对回收利用电池进行检测筛分。

2  快速循环充放电法及检测数据分析

2.1 单体电池快速循环充放电法  快速循环充放电实验是一种符合规范要求，适用于动力电池回收利用企业快速检测筛分电池的检测试验方法。该方法采用高于规范要求的试验条件，缩短试验各工步和循环之间的间隔时间，提高检测效率，解决回收利用企业检测条件有限和检测工作量巨大的矛盾，快速完成待测动力电池单体进行余能检测，产品筛分工作。

快速循环充放电实验单个循环中包含恒流恒压充电工步、静置1工步、恒流放电工步、静置2工步，共4个工步一个循环。恒流恒压充电工步按照不低于1I5（A）要求，取不小于2.5倍1I5（A）作为恒流充电电流，恒流充电截止电压取该型号单体工作电压上限3.650V，恒压充电电压3.650V，恒压充电截止电流设置为不低于规范要求的0.05I1（A）。静置工步一为充电后静置，设置静置时间为不大于1h，可根据企业实际情况设置。恒流放电电流去不小于2.5倍1I5（A），放电截止电压根据实际被测蓄电池最低工作电压设定为不低于其最低工作电压。静置工步二为放电后静置，静置时间为不大于1h，可根据企业实际情况设置。测试条件均为室温下进行（25±2℃）。

以某厂型号为32135柱状国产动力电池单体为例，该型动力电池为磷酸铁锂电池、标称电压3.2V、标称容量15Ah、工作电压范围2.0-3.650V，该型号具体性能参数如表1所示。

因试验条件的选择影响到试验耗时和检测效率，在符合规范要求的情况下，循环工况中设置的充放电电流越大，其充放电工步耗时越短;静置时间直接影响静置工步占用时长。在试验中取恒流充电与放电电流为8000mA（约为2.67I5），充电截止电压为3.650V，恒压充电截止电流设置为300mA;静置工步一与静置工步二分别设置为5min和10min。单一工况试验条件如表2所示。此试验条件下，完成32135柱状动力电池单体充放电循环一次耗时约为4h，若按照“GB/34015-2017车用动力电池回收利用余能检测”采用1I5（A）充放电电流进行试验，则至少需要12小时。

2.2 32135单体电池试验数据分析  试验中由工控机实时采集每个单体电池电压、电流值，并记录采样时间。使用积分求和的方法计算出累计充电容量、累计充电能量、累计放电容量、累计放电能量，每一工步结束后重新累计，测试共计完成6次充放电循环，实际耗时24h19min：2020-11-23 13：41：00.017-2020-11-24 14：00：33.517。如图1所示。

根据充放电过程产生的试验数据可以看出该型号单体电池充放电性能，为动力电池筛分、判断单体重放电性能提供有力支持，同时根据记录试验数据可以通过积分计算并导出，各个循环中充电总容量和放电总容量，通过数据该型号单体电池剩余容量情况。如图2所示，可以看出该32135柱状动力电池剩余SOC均在98%以上，状态良好，符合梯次利用要求。

随着动力电池回收利用产业链的不断完善，和回收利用企业生产工艺的不断进步，汽车动力电池梯次利用的场景也日渐多样化，如低速电动车、应急电源、通信基站、家庭储能等等。不同应用场景对储能装置的充放电要求也有很大差异，为了更加合理的对动力电池进行梯次利用，除了对废旧电池进行剩余容量测试之外，还应该有更多差异化、多样化的动力电池状态筛分条件[6]。根据快速充放电实验数据可以计算出单体电池更多筛分参数，如表3所示，可以作为不同应用场景需求的储能装置选择依据。

3  结论

随着新能源汽车保有量日益增加，退役动力电池回收利用成了行业发展和社会关注的重点。退役动力电池梯次利用的政策法规不断完善，动力电池退役收集率也在逐年增加;与此同时，进入回收企业的动力电池单体数量日益增加，且不能按照出厂出厂检验方法进行抽样检查。本文以某国产型号32135柱状磷酸铁锂电池为试验对象，参照现行国家标准，根据动力电池梯次利用场景的不同，提出了高于“GT/B34015-2017 车用动力电池回收利用余能检测”要求，且符合当下动力电池回收利用企业经济效益要求的动力电池快速循环充放电检测方法。通过试验对比可以看出该试验方法耗时相当于规范所需1/3，可以满足梯次利用动力电池参数支撑的需求，包括电池剩余电量、充放电性能等。该方法中试验参数可变，适应不同应用场景下动力电池梯次利用试验需求，为动力电池回收利用企业实现产业规模化提供了一种新的单体动力电池检测筛分试验方法。

参考文献：

[1]杨耀，坤张，博梁韵，琳卢强.废旧动力电池回收政策和技术现状分析[J].汽车与配件，2021（1）：50-51.

[2]樊彬.SOC区间选择对动力电池性能的影响[J].中国汽车2019（12）：40-44.

[3]GB/T27611-2011，再生利用品和再制造品通用要求及标识[S].

[4]GB/T34015-2017，車用动力电池回收利用 余能检测[S].

[5]GB/T31486-2015，电动汽车用动力蓄电池性能要求及试验方法[S].

[6]DB34/T3437-2019，车用动力电池回收利用 低速动力车梯次利用要求[S].