退役动力电池梯次利用技术及应用课程案例教学创新研究

孟高军 刘海涛

摘  要：“双碳”目标推动可再生清洁能源快速发展，储能具有源-荷双向调节特性，是促进清洁能源消纳和构建未来电网的关键，其发展与应用需要大量的专业人才作为支撑。近年教育部颁布了储能技术专业学科发展行动计划，支撑产业长远发展。其中所属储能学科领域的退役动力电池梯级利用技术涉及国际民生、能源安全、节能减排、产业链延伸等诸多方面，本文重点介绍在梯次利用电池寿命预判、健康状态检测、应用工况及其适用性分析、集成相关技术及经济性评估等五个方向的案例建设方案，进而强化储能学科教学资源建设，提高课程教学质量。

关键词：退役动力电池；案例库建设；储能学科；研究生培养

一、概述

进入21世纪以来，能源枯竭的危险进一步逼近，然后全球能源消耗正在以惊人的速度增长，供需矛盾突出[1-2]。在我国，党的十八大报告首次提出“推动能源生产和消费革命”以来，建设清洁低碳、安全高效的现代能源本系，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，已成为我国能源革命的主要目标[3]。

储能可弥补风、光等新能源发电随机性强与可调度性低的先天缺陷，促进新能源汽车与能源互联网的发展，在生产侧与消费侧实现主体能源由化石能源向新能源的更替，被认为是支撑能源革命、实现“碳达峰”与“碳中和”最核心的物理手段。新能源汽车作为储能应用的重要领域，其迅速发展必然推动对动力电池的需求，当动力电池的容量衰退至总容量的80%，需要进行更换，而从新能源汽车上退役下来的动力电池仍然具有很高的剩余价值，若采用梯次利用的方式，通过对废旧动力电池进行拆解、检测、分类和重组，可以将这些电池的剩余价值充分发挥出来应于新能源场站、通信基站、移动电源充电车及其他性能要求低于电动汽车的场景，可延长其使用寿命。因此，动力电池的梯次利用可以有效地减少锂离子电池带来的污染，减少资源浪费，还可以提高电池的利用价值，实现全生命周期的价值最大化，提升资源综合利用水平，从而促进储能产业的发展[4-5]。

为加强储能人才的培养，教育部、国家发展改革委、国家能源局联合制定了《储能技术专业学科发展行动计划（2020-2024年）》[6]，拟经过5年的努力，增设若干储能相关专业、二级学科和交叉学科，建设若干储能技术学院（研究院），建设一批储能技术产教融合创新平台。西安交通大学、华中科技大学等一大批高校积极响应国家的召唤，获准增设了储能科学与工程本科专业。我校作为传统电力行业院校，面向能源结构变革给电能生产与电力系统带来的新挑战与新机遇，充分利用校内及行业资源优势，积极筹建及申报储能科学与工程专业，并于2021年成功获批，其中所属储能学科领域的退役动力电池梯级利用技术涉及国际民生、能源安全、节能减排、产业链延伸等诸多方面，2022年2月工信部等八部委联合印发《关于加快推动工业资源综合利用实施方案》，其中提出完善废旧动力电池回收利用体系，推进废旧动力电池安全梯次应用，为这一技术路径的实用推广开辟道路[7]。

近年来，作者团队测试并分析了国内外多家锂离子电池制造商所提供的锂离子电池系统，包括磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料体系等类型的锂离子动力电池组，积累了大量电池单体/电芯的测试数据，为对分析电池性能分化及安全隐患奠定了理论基础，因此，本文在梯次利用电池寿命预判、健康状态检测、应用工况及其适用性分析、集成相关技术及经济性评估等五个方向进行退役动力电池梯次利用技术及应用课程案例教学创新研究，进一步强化教学资源建设，提高研究生课程教学质量。

二、建设方案

作者团队依托江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心、江苏省先进储能技术与应用工程研究中心、南京储能技术与工程研究中心建有退役动力电池梯次应用及数据分析实验室，该平台配置有包括光伏、风机、燃料電池、微型燃气轮机在内的多种分布式电源，铅酸电池、锂离子电池、超级电容、飞轮、压缩空气等多种储能设备，以及模拟线路、模拟负荷等装备，如图1所示，可为案例库的建设提供良好的测试验证手段与环境。

 

（a）动力电池性能测试及分析平台

（b） 电池储能24H检测数据和报表处理

图 1 电池储能测试平台和数据处理

由于退役电池结构复杂，模组连接方式和工艺技术各不相同，在检测实验过程中，学生进行的实验操作有限，且不确定因素较多，容易发生突发危险事故，出于安全考虑，在实际实验过程中无法将退役电池24H循环特性呈现给学生；其次，储能电站中单体电池参数往往固定，强制修改可能造成设备损坏；再者，电池模组动态特性难以捕捉，例如充放电模式切换较快，学生难以详细观测其切换过程。针对上述物理实验不宜开展的内容，团队开发了梯次利用电池循环性能测试与寿命评估软件（登记号：2020SR0071691），并授权相关发明专利（专利号：ZL 202110544956.8）。该软件对已有实验进行了扩展和提升，可实现动力电池SOC、SOH等性能及充放电状态远程监控及分析，使实验内容更加丰富全面，能够适应电气专业研究生学习，切实服务退役动力电池梯次利用技术及应用案例教学，具体案例库如下：

案例库一：退役动力电池梯次利用基本特性信息案例库；

案例内容：首先，通过拆解退役电动汽车动力电池系统单体电池，测量单体电池的电压、内阻，并观测电池的外观；其中，零电压电池，内阻严重超标电池，严重胀气电池、电池外壳严重腐蚀的电池以及不能再进行连接的电池都不再考虑进行梯次利用，满足要求的电池进入后续工序。其次，从电池生产厂家获取退役动力电池制造过程及出厂时的信息，主要包括电池的生产日期、类型、尺寸、容量、内阻、电压、充放电曲线、功率和能量等。从电动汽车运行方获取的相关数据，主要包括电池的启用与退役日期、类型、电池工作的SOC区间与DOD区间、充放电次数、充放电电流、温度、充放电曲线、维护记录信息等。完成上述电池信息的收集后，建立退役动力电池基本特性的电子档案和综合信息案例库。

培养目标：培养研究生利用综合数据库对退役电池在后续的测试以及梯次利用过程相关信息作记录，并观察与跟踪电池的运行状况，更加直观地了解退役电池初始特性。

案例库二：退役动力电池梯次利用健康状态评估案例库

案例内容：综合动力电池在电池汽车上的运行数据、电池参数测试结果、外特性实验结果、内特性分析结果和应力实验结果，揭示电池在使用过程中主要参量的变化规律，建立电池主要参量与电池健康度之间的关系数据库，主要包括电池电压平台、内阻、充放电曲线、倍率充放电曲线、能量与电池容量和电池健康度之间的关系，在此基础上，通过开展典型模拟工况下的模块寿命试验，分析容量、内阻等模块外特性参数的变化规律。分析充放电功率、温度、充放电深度对模块性能衰退影响，进而考察容量、内阻、自放电等电池外特性参数的变化规律，明确退役电池性能衰退机理及敏感因子，建立退役动力电池梯次利用健康状态评估案例库。

培养目标：培养研究生掌握不同参数对电池寿命的影响规律，通过选取不同的参量或多参数组合，对电池的全寿命周期进行预测，加深对退役动力电池衰减特性的理解。

案例三：退役动力电池梯次利用场景及适用性案例

案例内容：根据前述案例库退役动力电池各项特性分析结果按照容量、内阻、效率、自放电率等性能参数进行分级。对于不同级别的退役动力电池，结合其健康状态，分析其可能适用的应用工况，除规模化储能系统外，梯次电池还可以应用于移动电源、通信基站、光伏电站及家庭储能等多种场景，分析退役动力电池在以上场合应用时的具体工况，主要包括电池使用的环境温度、充放电频率、充放电电流、充放电电压范围、放电深度等，根据工况对退役动力电池进行模拟实验，记录电池在实验中的各个性能参量的变化情况，分析不同类别退役动力电池组合在多种应用场景下的运行状况，建立退役动力电池梯次利用场景及适用性案例库。

培养目标：培养研究生根据退役动力电池应用工况的适用性，评估退役动力电池面向不同应用场合的性能参数需求，掌握退役动力电池的典型配置原则。

案例四：退役动力电池梯次利用分选及重组案例库

案例内容：对于同一级别内的电池，通过对比各单体电池在充放电过程中的电压、容量、直流内阻、充放电曲线、交流阻抗曲线、倍率放电曲线、自放电率等参量，根据不同的参量的组合，按照一定的偏差范围将参数数值接近的电池进行配组，对电池组进行充放电24h循环试验。经过前述案例库退役电池外观、电压、电阻、容量的初筛，选出符合梯次利用标准的退役电池，然后通过电池测试的实时观测数据得到退役电池的健康状态，分析不同的分选参量组合对电池组寿命的影响，优化出各分选参量应该控制的偏差范围，并根据电池组循环过程中各个参量的变化情况优选合适的参量，通过聚类的方法，对不同健康状态的电池进行分选与重组，使重组电池的一致性得到提高，进而建立退役动力电池分选与重组案例库。

培養目标：培养研究生通过监测并分析电池循环过程中各个参量的变化情况，确定电池一致性分选判据的多维参量，掌握退役动力电池分选及重组技术规范。

案例五：退役动力电池梯次利用技术、经济及安全评估案例库

案例内容：分别对退役动力电池的技术、经济和安全性能进行分析，筛选相应的性能表征参数，技术性方面，基于层次聚类算法计算不同表征参数在评价中的比重，以调频服务、峰谷套利、平抑新能源波动、紧急事故支撑和通信基站备用等不同典型场景为例，基于场景需求揭示不同因素对表征参数的影响程度，进而设置相应的技术性评价系数。经济性方面，基于艾林方程建立寿命评价模型以预估不同类型电池的日历寿命，同时基于净收益模型和新电池购置价格，分析退役动力电池的综合成本，最后，基于灵敏度设置相应的经济性评价系数。安全性方面，根据运行环境和应用场景的不同来设置相应的安全评价系数。最终，采用层次分析法并结合典型示范工程实例来验证评价规则的有效性，建立退役动力电池梯次利用技术、经济及安全评估案例库。

培养目标：培养研究生通过分析梯次利用退役电池性能和应用场景需求，结合国内退役电池梯次利用示范工程项目，掌握退役电池梯次利用技术、经济和安全评价规则。

三、进度安排

退役动力电池梯次利用技术及应用课程案例建设的主要阶段性内容如下：

第一阶段：开展各类退役动力电池信息的收集工作，经过电池外观、电压、电阻、容量的初筛，建立退役动力电池基本特性的电子档案和综合信息案例库。

第二阶段：考察容量、内阻、自放电等电池外特性参数的变化规律，明确退役电池性能衰退机理及敏感因子，建立基于工况的退役电池性能衰退经验案例库。

第三阶段： 记录电池在24h循环测试中的各个性能参量的变化情况，分析不同类别退役动力电池在多种应用场景下的运行状况，建立退役动力电池梯次利用场景及适用性案例库。

第四阶段：通过监测并分析退役电池循环过程中各个参量的变化情况，确定电池一致性分选判据的多维参量，建立退役动力电池梯次利用分选及重组案例库。

第五階段：分析梯次利用退役电池性能和应用场景需求，结合国内退役电池梯次利用示范工程项目，建立退役动力电池梯次利用技术、经济及安全评估案例库。

四、结论

储能学科的发展与完善，有赖于其课程体系及教材体系的建设。因此，结合南京工程学院专业学位研究生培养实际需求，以电气工程专业研究生已开设的《电力电子技术》、《新能源发电》等相关课程与拟开设的专业课程《储能科学与工程》为基础，以研究生课程案例库体系建设为抓手，开展退役动力电池储能梯次利用技术及示范应用案例教学法的具体实践，将有助于培养电气领域研究生的工程意识，实现实践能力培养模式从“碎片化”到“系统化”转化升级，促进学生工程实践与创新能力提升。

参考文献：

[1] 林卫斌， 王煜萍. 双轮驱动促进新时代新能源高质量发展[J]. 中国经济评论， 2022（09）： 58-64.

[2] 董春阳， 尹少武， 冯妍卉，等. 能源革命背景下能源与动力工程专业人才培养模式探究与实践[J]. 高等工程教育研究， 2023（S1）： 72-75.

[3] 张奇. 中国新一轮能源革命的重要使命和推进战略[J].国家治治理， 2022（18）：27-33.

[4] 赵光金， 李博文， 胡玉霞，等. 退役动力电池梯次利用技术及工程应用概述[J]. 储能科学与技术， 2023， 12（07）： 2319-2332.

[5] 孟高军， 苏令， 孙玉坤，等. 退役电池梯次利用的一致性管理研究综述[J]. 电源技术， 2021， 45（10）： 1376-1379.

[6] 教育部 国家发展改革委 国家能源局关于印发《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》的通知[J]. 中华人民共和国教育部公报， 2020（1）： 55-58.

[7] 《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》解读[J].表面工程与再制造， 2022， 22（03）： 7-8.

项目：南京工程学院研究生课程案例库建设项目资助

作者简介：孟高军（1987—  ），男，博士，硕士生导师，副教授，研究方向为电力系统运行与控制、新能源发电与储能技术等。