廢舊動力電池梯次利用之應(yīng)急儲能設(shè)備技術(shù)研究

1、    廢舊動力電池梯次利用之應(yīng)急儲能設(shè)備技術(shù)研究    史甲森 李海鴿 邱煥益摘 要：研究首先從廢舊動力電池梯次利用的現(xiàn)狀展開闡述，利用比亞迪秦80廢舊磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，以其儲能能力方面的價(jià)值為思路展開，根據(jù)已有動力電池衰減特性及查閱大量資料，對選用回收的廢舊電池包進(jìn)行徹底充放電、檢驗(yàn)、外部結(jié)構(gòu)拆解、電芯檢測、電芯的利用和分級重組、內(nèi)阻匹配、篩選分類、重新封裝等試驗(yàn)過程，期間采取資料法、比較法、替代法、累積法、控制法、轉(zhuǎn)換法、模型法、數(shù)學(xué)歸納法、實(shí)驗(yàn)推理法等實(shí)驗(yàn)方法，完成應(yīng)急儲能設(shè)備的制作和測試，達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的目的。關(guān)鍵詞：電動汽車;廢舊動力

2、電池;梯次利用;篩選重組;儲能設(shè)備：u469.7  ：a  文章編號：1671-7988（2020）10-04-04research on emergency energy storage equipment technology forwaste power battery ladder utilization*shi jiasen， li haige， qiu huanyi（ xian vocational university of automobile， shaanxi xian 710605 ）abstract： the research begins

3、with the current situation of the ladders utilization of waste power battery. taking byd qin 80 waste lithium iron phosphate power battery as the research object， and the value of its energy storage capacity is developed. according to the attenuation characteristics of existing power batteries

4、and consulting a large amount of data， the battery packs used for recycling have been completely charged and discharged， inspection， external structure disassembly， cell detection， cell utilization and recombination， internal resistance matching， screening classification and 

5、;repackaging and so on. during the period， the data method， comparison method， substitution method， accumulation method， control method， conversion method， model method， mathematical induction method， experimental reasoning method and other experimental methods were adopted to complete the prod

6、uction and testing of emergency energy storage equipment to achieve the purpose of experimental research.keywords： electric vehicles; waste power battery; ladder utilization; screening and reorganization; energy storage equipmentclc no.： u469.7  document code： a  article id： 1671

7、-7988（2020）10-04-04引言隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)和電池技術(shù)的不斷完善，人們對電動汽車的認(rèn)可度明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年1-4月，全球電動汽車?yán)塾?jì)銷量662，000輛，同比增幅超過52%，比亞迪、特斯拉、上汽、寶馬、日產(chǎn)等品牌的電動汽車銷量遙遙領(lǐng)先，隨著國內(nèi)鼓勵政策和相關(guān)制度的日趨完善，國產(chǎn)電動汽車企業(yè)已經(jīng)覺醒，在材料、工藝、電芯、pack、bms等方面都不斷突破，并通過推進(jìn)自身研發(fā)水平，助力我國汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車。動力電池是電動汽車的核心部件，目前所使用的動力電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池、鎳鎘電池、燃料電池等，其中鋰離子電池以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能被

8、廣泛采用。近年來，動力電池的續(xù)航里程和安全性能明顯改善。據(jù)分析，影響動力電池續(xù)航里程的原因大致分為兩類：一是內(nèi)因，包括產(chǎn)品廠商、制造工藝、原材料、品控、配組等;二是外因，包括溫度、充電電流、放電電流、充電電壓、放電電壓、充電倍率、放電倍率等;研究顯示，外因可控性較差，因而對動力電池衰減程度的影響更大。隨著動力電池的投入使用，電池組在電壓、電阻、充放電時(shí)間、負(fù)荷能力、溫升、外形等方面都發(fā)生了不同程度的變化，這些變化直接導(dǎo)致電池的容量、內(nèi)阻、電壓等發(fā)生損耗，一致性較差。1 實(shí)驗(yàn)過程“動力電池組一般由成百千只單體電池組成，一般采用先串后并的方式配組”。1例如秦80，其首先將數(shù)十只單體電池串聯(lián)組成一個(gè)

9、電池模組，再將數(shù)十個(gè)電池模組串聯(lián)組成電池包，實(shí)質(zhì)上是將幾十乃至上百個(gè)電池單體串聯(lián)組成電池組，如圖1所示動力電池組成。1.1 實(shí)驗(yàn)方法在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，主要從廢舊動力電池梯次利用的儲能設(shè)備方面進(jìn)行探究，整個(gè)研究過程分為廢舊動力電池的徹底充放電、檢驗(yàn)、外部結(jié)構(gòu)拆解、電芯檢測、電芯的利用和分級重組、內(nèi)阻匹配、篩選分類、重新封裝等。實(shí)驗(yàn)方法采取資料法、比較法、替代法、累積法、控制法、轉(zhuǎn)換法、模型法等。1.2 設(shè)備和儀器實(shí)驗(yàn)研究共分解了1個(gè)電池包，共10串電池模組，均來自比亞迪秦80拆卸的廢舊動力電池，該電池隸屬于比亞迪電池廠商，每個(gè)電池單體均是標(biāo)稱為3.2v，終止充電電壓3.6v，終止放電壓2.0v的

10、磷酸鐵鋰電池，原設(shè)計(jì)容量標(biāo)稱25ah，阻抗為2.2m，重量為0.78kg，能量密度為103wh/kg，功率密度為2800w/kg，尺寸為173×120×20mm，如表1所示。根據(jù)比亞迪內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)放電至5%時(shí)，某個(gè)單體電壓降到2v或充電至100%時(shí)，單體實(shí)際容量小于原容量的80%（即就是每個(gè)單體為20ah），所在的電池模組就會被淘汰。試驗(yàn)所用儀器有電壓測量裝置、電流測量裝置、溫度測量裝置、時(shí)間測量裝置、尺寸測量裝置、質(zhì)量測量裝置等。主要設(shè)備采用順達(dá)電子生產(chǎn)的tec-06電池容量測試儀，可測量電流范圍0.1a3.5a，最大功率可達(dá)16w，最大檢測容量為500000mah（

11、500ah），電流最大誤差<0.5%，該設(shè)備可實(shí)時(shí)測量容量、實(shí)測電壓、關(guān)斷電壓、電流、內(nèi)阻，其測量數(shù)值均與tec-06面板顯示狀態(tài)相對應(yīng)。tec-06電池容量測試儀通過專用的上位軟件和四線方式聯(lián)機(jī)與電腦連接，可自動完成設(shè)備外觀如圖2所示。1.3 徹底放電據(jù)研究表明，全容量放電測試法為測試動力電池組實(shí)際容量最為準(zhǔn)確有效的方法，在線放電時(shí)，首先將放電導(dǎo)線的快速接頭端按顏色對應(yīng)插入測試儀的快速插座中 （一黑為負(fù)、一紅為電池正極、一紅為系統(tǒng)正極），然后利用電池夾將放電導(dǎo)線的另一端分別與電池組兩端及系統(tǒng)正極連接（紅正黑負(fù)）。該實(shí)驗(yàn)為廢舊動力電池進(jìn)行物理放電并實(shí)時(shí)測量電流和電壓，再利用計(jì)算機(jī)對測量數(shù)

12、據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，生成實(shí)時(shí)容量曲線圖，其中起始電壓為3.08v，電流為3.5a，如圖3所示為測量1#廢舊動力電池單體放電共28分39秒時(shí)的實(shí)時(shí)容量曲線圖，其中位于上方的紅色線條表示電壓遞減情況，下方的黃色線條表示電流遞減情況。從圖3中的測量得到該時(shí)間點(diǎn)的測出電流、最高電壓、均壓、最低電壓、能量、容量、內(nèi)阻和測量時(shí)間等數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2 1#廢舊動力電池單體放電28分39秒時(shí)的測量數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)通過以上方法完成廢舊動力電池的徹底放電及電容、內(nèi)阻的測量。1.4 篩選重組動力電池在使用一段時(shí)間后，其容量雖然有所減少，但對其繼續(xù)儲能的功能二次利用影響不大，在保證安全性的基礎(chǔ)上，研究參考統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用實(shí)

13、驗(yàn)室相同設(shè)備和工具對電池組進(jìn)行篩選完成重組，為其更好的完成儲能使命打下良好的基礎(chǔ)。測試方法參考工信部于2018年1月公布的gb 電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求征求意見稿中對電池測試的要求，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)用電池模塊的基本參數(shù)及出廠技術(shù)測試要求完成。1.4.1 電壓及內(nèi)阻測試溫度選擇室溫為20±5，相對濕度為1590%，大氣壓力為86 kpa106 kpa，根據(jù)被測磷酸鐵鋰電池的物理特性和化學(xué)特性，在不考慮電池內(nèi)部化學(xué)因素的情況下采用放電方法測量。由于電流在線路中會產(chǎn)生壓降，影響在線電壓測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，為了解決這一問題，試驗(yàn)采用四線方式連接tec-06電池容量測試儀連接被測電池組，用

14、另外兩根線在電池根部引出，這樣檢測內(nèi)阻的原理最接近真實(shí)使用狀況，連接方法如圖4 tec-06電池容量測試儀內(nèi)阻檢測連接示意圖所示。測試預(yù)設(shè)關(guān)斷電壓為2.5v，放電過程中檢測儀會實(shí)時(shí)檢測在線電壓，并每隔幾秒鐘產(chǎn)生瞬間關(guān)斷脈沖，在脈沖期間測量出開路電壓，開路電壓與在線電壓的差值，再與放電電流的比值即被測單體的內(nèi)阻，計(jì)算方法見公式（1）。式中：uk開路電壓（v）;uz在線電壓（v）;if放電電流（a）;r內(nèi)阻（）。本次試驗(yàn)選用外觀無損傷的電池組樣本共20個(gè)電池單體進(jìn)行測量，電池單體所測內(nèi)阻介于0.61.0m之間，在數(shù)據(jù)比對的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)所測內(nèi)阻與電池組的初始內(nèi)阻均屬于正態(tài)分布，這與文獻(xiàn)資料研究成

15、果1具有相似的規(guī)律，符合擬合公式（2）。式中：f（x）電池?cái)?shù)目的相對比例;x各電池組的相對容量;電池的平均容量;分布的離散性。1.4.2 容量測試容量測試溫度、濕度、相對濕度、大氣壓力與內(nèi)阻測試條件相同，tec-06電池容量測試儀將自動計(jì)算放電電流與時(shí)間的乘積，來檢測電池的容量，如公式（3）所示。if×t= c                        

16、              （3）式中：if放電電流（a）;t放電時(shí)間（s）;c電池容量（ah）。tec-06電池容量測量儀通過聯(lián)機(jī)線與電腦相，再通過專用的上位軟件，就可以繪制出放電過程的的電壓和電流曲線。根據(jù)被測20組樣本所測數(shù)據(jù)分析，被測對象的電池容量屬于正態(tài)分布，其電池容量下降11%16.5%左右，容量偏差為1924.5ah。在充電模式下，電池容量明顯減少，容量分布的離散性明顯降低，這與公式（2）的試驗(yàn)結(jié)論基本保持一致。2 單體封裝通過對電池單體內(nèi)阻

17、和容量的測試，我們從樣本數(shù)據(jù)中挑選出內(nèi)阻為0.70.8m，容量介于1718ah的12個(gè)電池單體，利用鐵氟龍高溫線將電池單體利用頂端接線的方式進(jìn)行封裝，并配備中間繼電器、逆變器、磷酸鐵鋰電池保護(hù)板、led指示燈、插座、電源、風(fēng)扇等器件，用4個(gè)溫控開關(guān)連接電池保護(hù)板防止過熱保護(hù)、過沖保護(hù)和短路保護(hù)，外層加鋪青稞紙進(jìn)行絕緣處理，應(yīng)急儲能設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了美觀期間，應(yīng)急儲能設(shè)備的外部用黑色亞克力板進(jìn)行包裝，留有usb接口、三相電源插座、指示燈、顯示屏、散熱孔等，廢舊動力電池制作的應(yīng)急儲能設(shè)備外觀見圖6所示，該設(shè)備可利用220v電壓進(jìn)行充電，充電過程中外接顯示屏?xí)@示電壓、電流、功率和電量等數(shù)據(jù)信息，充電完成后指示燈由紅色變?yōu)榫G色。放電默認(rèn)配備60w照明燈，最大輸出功率可達(dá)500w。試驗(yàn)過程連接臺式計(jì)算機(jī)、筆記本、投影儀、音響、手機(jī)等用電器供電測試15次，充放電均正常。3 結(jié)論以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，動力電池的性能隨著電池使用的逐漸衰減，將達(dá)不到電動汽車的使用標(biāo)準(zhǔn)，由此引起電池的更新?lián)Q代將導(dǎo)致廢舊動力電池?cái)?shù)量的不斷增加，研究主要是以電動汽車使用量的與日俱增與廢舊動力電池不斷增