退役電池梯次利用安全性分析

1、摘要為解決環(huán)境污染和資源緊缺問題，國家大力支持發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，隨著 電動汽車數(shù)量的增加，車用退役電池如何回收利用成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵問題。 從國內(nèi)外政策分析、梯次利用環(huán)節(jié)的安全問題剖析等方面考慮退役電池梯次 利用的安全性。梯次利用環(huán)節(jié)包括退役電池收集拆解、篩選、重組、應用等，著重從篩選重組環(huán)節(jié)入手，結(jié)合退役電池健康狀態(tài)和剩余容量的狀態(tài)評估， 進行一致性分選的安全分析；同時根據(jù)現(xiàn)有的重組技術改善電池一致性差的 問題，并對重組系統(tǒng)的安全性進行評估。依據(jù)上述分析，給出退役電池進行 梯次利用各環(huán)節(jié)所存在的安全隱患，提出相應的管理政策，保障電池梯次利 用的安全，為未來發(fā)展退役電池的梯次利用系統(tǒng)提供了參

2、考。關鍵詞：電池梯次利用；電池狀態(tài)評估；安全性；一致性分選；均衡結(jié) 構；柔性成組技術AbstractIn order to solve the problems of environmental pollution and resource shortage, our government strongly supports the development of the new energy vehicle industry. With the increase of the number of electric vehicles, how to recycle the retired bat

3、teries for automobile has become a key issue for the development of the industry. The safety of cascaded utilization of retired batteries was considered from the aspects of domestic and foreign policy analysis and safety analysis of the cascaded utilization process. Cascaded utilization includes dec

4、ommissioned batteries collection and disassembly, screening, recombination, application, etc., focusing on screening and recombination, combined with the health status of decommissioned batteries and the state evaluation of the remaining capacity, consistency sorting safety analysis. At the same tim

5、e, the problem of poor battery consistency was improved according to theexisting recombination technology, and the safety of the recombination system was evaluated. On the basis of the above analysis, the hidden safety risks in each link of the phased utilization of retired batteries are presented,

6、and the corresponding management policies are proposed to guarantee the safety of the cascaded utilization of batteries, which provides a reference for the future development of the cascaded utilization system of retired batteries.Keywords : cascaded utilization of battery ; battery status assessmen

7、t ; security ; consistent sorting ; equilibrium structure ; flexible group technology0引言隨著環(huán)境污染和資源緊缺問題的日益突出1，政府推出了多項新能源汽車 鼓勵政策，大力呼吁使用新能源汽車。在推行環(huán)保理念的大環(huán)境以及國家政策 幫扶的有利形勢下2，近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式增長，據(jù)公安部 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年6月底，在新能源產(chǎn)業(yè)銷量統(tǒng)計中，純電動汽車 占比超過75%門。電動汽車銷量激增，使其成為汽車市場不可忽視的一份子。 國家“十三五”規(guī)劃提出，2020年實現(xiàn)當年新能源汽車產(chǎn)銷200萬輛以上，累

8、 計產(chǎn)銷超過500萬輛3。但隨之而來的是動力電池性能隨充放電點次數(shù)增加而 下降問題，當動力電池容量下降至80%時便無法供應電動汽車正常工作，需要 及時退役。隨著電動汽車銷量的增加，從汽車上退役下來的動力電池保有量會 持續(xù)升高，預計到2029年，全球新能源汽車每年將約有108 GW- h（300萬個 電池包）動力電池退役，因此處理從電動汽車上淘汰下來的退役電池，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的關鍵問題3汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的關鍵問題3從電動汽車上退役下來的動力電池仍含有 80%的電池容量，若直接對其進 行拆解回收會大大消耗電池的應用壽命，減少相應的能源利用率。如若通過回 收篩選重組可將其合理運用到

9、相對溫和的應用場景下4，退役電池可以繼續(xù)工作，電池的性能得到充分的發(fā)揮，同時進一步提高能源的利用率，防止廢棄電 池污染環(huán)境，因此，退役電池的梯次利用應運而生。然而，動力電池使用之后內(nèi)部的結(jié)構會存在不同的變化，近年來退役電池 所引發(fā)的安全事故接連發(fā)生，引起業(yè)界的強烈關注。國家發(fā)布多項規(guī)定嚴格要 求電池梯次利用環(huán)節(jié)的規(guī)范安全，堅持退役電池的梯次利用必須把保證其安全 性回。在經(jīng)過車載長期使用后，退役動力電池可能會存在內(nèi)部枝晶生長、內(nèi)部 結(jié)構變化、阻抗增加等問題，其所存在的安全隱患增加；此外，各退役電池在 電動汽車階段的使用環(huán)境、工作情況不同，所以各退役電池的安全問題不同， 退役動力電池的梯次利用安全

10、性評估也就變得更加困難町因此，本文從國家政策、退役電池分選以及退役電池的梯次利用環(huán)節(jié)存在的安全問題進行分析， 提出退役電池的檢測管理措施，明確未來電池的安全性研究方向，保證梯次利 用項目的安全性，推動梯次利用環(huán)節(jié)的深入發(fā)展。1國內(nèi)外梯次利用及安全性政策1.1國外梯次利用相關法規(guī)美國、德國和日本等很早便關注到動力電池的梯次利用模塊，目前也已經(jīng) 頒布了較為完整全面的法律法規(guī)，廢舊動力電池的梯次利用和回收系統(tǒng)也已較 為成熟，為其新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了關鍵的支撐條件。美國采用消費者押金制度，督促消費者配合進行廢舊電池的回收工作。同 時國家立法規(guī)定電池生產(chǎn)者需要承擔一定的電池回收費用， 而動力電池回

11、收企 業(yè)會以相對優(yōu)惠的價格將提純的原料出售給生產(chǎn)方， 形成良性合作的循環(huán)結(jié)構， 促進廢舊動力電池回收體系的運轉(zhuǎn)7。德國通過制定法規(guī)建立了一套完整的廢舊電池回收體系，明確規(guī)定了電池回收的責任。依據(jù)法規(guī)制度規(guī)定，動力電池的生產(chǎn)者以及進口商需要在政府完 成登記，而銷售商的責任既是配合電池生產(chǎn)企業(yè)組織建立回收機制，又要幫助 購買者明確免費回收電池的地方以及方法，同時用戶被賦予的責任是將廢舊電 池上交給指定回收機構。由于法規(guī)表明了回收電池工作的主要責任交由電池的 生產(chǎn)者承擔，因此各生產(chǎn)廠家積極參與到廢舊動力電池的回收工作中。例如， 德國大眾、寶馬等汽車公司在生產(chǎn)電池的同時也已經(jīng)開始考慮廢舊電池梯次利用以

12、及回收的相關工作研究8用以及回收的相關工作研究81.2國內(nèi)梯次利用及安全性相關政策關于新能源汽車退役電池的梯次利用，早在 2010年國家便發(fā)布了節(jié)能 與新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃征求意見稿，計劃推進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術發(fā)展， 制定了發(fā)展目標及主要任務，鼓勵新能源汽車行業(yè)全速發(fā)展。順應政府策略的 部署，全國上下新能源汽車的產(chǎn)量快速增長，其中最受歡迎的便是電動汽車， 電動汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步前進，持續(xù)向好。但同時，隨之持續(xù)增長的車用退役電池成 為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大難題，為此，2012年，國務院印發(fā)了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn) 業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012 2020年)的通知，進一步明確了大力發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn) 略部署，積極開展新能源

13、汽車試點示范，同時提出要制定動力電池回收利用管 理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系。針對車用退役電池的安全問題，2016年，政府為規(guī)范行業(yè)發(fā)展，推進資源 綜合利用，發(fā)布了新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件，要 求廢舊電池綜合利用企業(yè)在回收處理的各個流程中嚴格遵守國家的規(guī)定，構建質(zhì)量監(jiān)管制度，保障回收利用的安全。2018年，各部門聯(lián)合印發(fā)了新能源汽 車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法（下文簡稱辦法）。辦法規(guī)定了廢舊電池 的回收要求，明確了回收相關方責任，在安全可控的前提下鼓勵先梯次利用后 再生利用，推進廢舊動力電池的綜合利用。另一方面，辦法再次強調(diào)了梯次產(chǎn) 品的質(zhì)量和安全問題，要

14、求建立完善的溯源信息系統(tǒng)。2020年發(fā)布的新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法（征求意見稿），致力于保障梯次利用產(chǎn) 品的質(zhì)量，對梯次利用環(huán)節(jié)進行詳細規(guī)定，確保梯次利用的安全性。此外，國 家對于梯次回收利用相關的標準不斷修訂補充，包括電池余能檢測和拆解規(guī)范 等，如表1所示。表1我國回收及梯次利用相關標準Table 1 Chinas recycling and ladder utilization standards標準號（項目號）標準名稱發(fā)布單位GB/T 31485電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總2015方法局、國家標準化管理委員會GB/T 31486電動汽車用動力蓄電池

15、電性能要求及試國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總2015驗方法局、國家標準化管理委員會GB/T 34015車用動力電池回收利用 余能檢測國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總2017局、國家標準化管理委員會標準號（項目號）標準名稱發(fā)布單位GB/T 33598車用動力電池回收利用 拆解規(guī)范國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總2017局、國家標準化管理委員會GB/T 34015.2車用動力電池回收利用梯次利用第國家市場監(jiān)督管理總局、國20202部分：拆卸要求家標準化管理委員會GB/T34015.4車用動力電池回收利用 梯次利用 第國家市場監(jiān)督管理總局、國XXXX4部分：梯次利用產(chǎn)品標識（征求意見稿）家標準化管理委員會DB34_T 3077

16、車用鋰離子動力電池回收利用放電技術安徽省質(zhì)量技術監(jiān)督局2018規(guī)范DB34/T 3437車用動力電池回收利用低速動力車梯安徽省市場監(jiān)督管理局2019次利用要求新窗口打開|下,CSV上述政策分析表明國內(nèi)外愈發(fā)重視梯次利用及其安全性工作的開展，退役 電池梯次利用的流程如下 圖！所示，關于電池的拆解環(huán)節(jié)行業(yè)規(guī)范，國家給出 了相對明確的規(guī)定，因此本文將主要從退役電池分選環(huán)節(jié)以及重組環(huán)節(jié)的安全 性進行分析，指出目前梯次利用工程存在的安全隱患以及應當采取的檢測管控 措施。軍用退沒世池梯次利用流程生產(chǎn)伐業(yè) i電池械電,外鹿評估消賀用戶j i I菜性化配徂軍用退沒世池梯次利用流程生產(chǎn)伐業(yè) i電池械電,外鹿評估

17、消賀用戶j i I菜性化配徂i 1 充故電測試i乩泄粗us沮性能，即可以通過電池剩余容量判斷其工作時間兩者均可以較為明確地顯電哽都門成損拆解翔E制| I_1 1|潮怦倒尊性缺碰HI圖1軍用退役電池梯次利用流程圖Fig.1 Flowcharts for the use of decommissioned battery ladders forvehicles2退役電池梯次利用分選環(huán)節(jié)2.1退役動力電池狀態(tài)評估退役動力電池在進行梯次利用之前需要對其狀態(tài)進行評估，便于將其二次 運用到適合的場景，主要包括檢測電池容量、內(nèi)阻等參量，判斷其所存在的安 全隱患。目前退役電池狀態(tài)的評估主要包括電池健康狀態(tài)(s

18、tate of health, SOH) 評估和電池剩余容量的估算。電池健康狀態(tài)衡量了電池的老化程度，電池剩余容量則描述了電池的續(xù)航示退役電池的性能指標，表征退役電池的老化程度，為后續(xù)電池的篩選重組提 供參數(shù)依據(jù)。但無論是電池健康狀態(tài)還是電池剩余容量都無法表征電池內(nèi)部的結(jié)構變化，退役電池內(nèi)部安全隱患的隱蔽性強6，目前并沒有系統(tǒng)成熟的技術可以準 確判斷電池內(nèi)的結(jié)構變化，為后續(xù)梯次利用工作留下了一定的安全隱患。另一 方面，退役電池評估環(huán)節(jié)耗時長，效率低，目前國內(nèi)夕卜開始研究大數(shù)據(jù)進行電 池篩選，無需進行充放電等一系列實驗測檢，降低時間成本，更為科學經(jīng)濟。 但是目前的退役電池缺乏歷史數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)

19、開展工作受阻，若未來建立起 完善的電池溯源體系，大數(shù)據(jù)篩選便暢通無阻，退役電池的篩選環(huán)節(jié)也更安全 快速。業(yè)內(nèi)學者也意識到電池檢測的不準確會引發(fā)后續(xù)工作的安全問題，因此提 出了依據(jù)各場景下的電池參數(shù)檢測。例如，文獻11通過實驗定量分析容量曲 線的差異，利用羅曼諾夫斯基準則證明了以單體的 C D-OCV特性為篩選依據(jù)可 以更為準確地判斷單體電池狀態(tài)，有利于后續(xù)電池的分選重組。2.2退役動力電池一致性分選動力電池單體在制造過程中會由于生產(chǎn)工藝誤差而導致各單體間差異的 存在，甚至同一型號電池間也會存在容量、內(nèi)阻等參數(shù)的不一致。此外，長期 使用過程中，各單體連接結(jié)構、環(huán)境溫度等的不同也會導致各單體間的差

20、異會 加倍放大，梯次電池的不均衡現(xiàn)象更為明顯叼。通常情況下，在工程實際中會 以多個單體電池串并聯(lián)的形式進行使用向，所以退役動力電池中每個電池模組 的離散程度會更大。退役電池組的不一致性將會直接影響電池組的壽命和安全性：在電池組充 放電的過程中，由于單體不一致性的存在，導致部分單體會有過充過放現(xiàn)象出 現(xiàn)，破壞電池內(nèi)部的結(jié)構從而降低電池的壽命同；單體間內(nèi)阻不同也會導致工 作過程中各電池產(chǎn)熱不同，內(nèi)阻大的電池會產(chǎn)生更多的熱量，單體電池溫度升 高，從而造成電池組內(nèi)溫度分布不均，甚至導致局部溫度過高，造成熱失控現(xiàn) 象向。因此，在對退役動力電池進行重組梯次利用時，必須要考慮到不一致性帶 來的弊端，對退役電

21、池進行合格的電池篩檢，采取優(yōu)化分選技術，提高退役電 池分選重組的一致性網(wǎng)?；诖耍糠盅芯恐铝τ诟纳茊误w以及電池組內(nèi)的不 一致性，文獻12通過實驗研究提出，采用均衡電路拓撲結(jié)構及主動均衡技術 可解決儲能系統(tǒng)支路電池一致性差的問題，提高電池組整體壽命和系統(tǒng)能源利 用率，降低系統(tǒng)的安全隱患。然而，在實際生產(chǎn)回收過程中，退役動力電池的拆解技術有限，將退役電 池無損拆解到電池單體難度較大，難以避免拆解過程中出現(xiàn)安全問題 啊。此外， 無損拆解耗時耗力，所需成本較大，將退役電池拆解到電池模組級別進行梯次 利用是最合理的方式問。但是同時電池模組的一致性分析難度也隨之增大問， 目前對于模組電池的檢測評估還只是

22、沿用單體電池的檢測評估技術，無法準確 檢測電池模組內(nèi)的參數(shù)，難于確保電池模組的一致性，需要根據(jù)模組電池的老 化及不一致特性研究更適合其檢測評估的技術佝2.3退役動力電池安全隱患通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)退役電池的篩選環(huán)節(jié)確實存在一定的安全問題， 使用之后的老化電池內(nèi)部結(jié)構物質(zhì)會發(fā)生不同程度的變化，主要外在表現(xiàn)為其 容量衰減、內(nèi)阻增大等，同時老化電池的耐過充能力以及熱穩(wěn)定性也會降低， 甚至引發(fā)熱失控現(xiàn)象億間。此外，老化鋰離子電池以及不合理電池設計會導致 鋰離子電池內(nèi)短路的出現(xiàn)，電池內(nèi)短路往往會引起電池局部熱失控現(xiàn)象，非正 常運行條件也是誘發(fā)鋰離子電池熱失控的一大因素；作為老化電池的另一特征，析鋰現(xiàn)象

23、較為常見，輕微的析鋰現(xiàn)象可以加以控制，嚴重時可能會導致電池容 量衰減，引發(fā)安全問題。另一方面，電池的析鋰現(xiàn)象一般需要拆解電池才能發(fā) 現(xiàn)，是個較大的安全隱患。文獻爽通過研究發(fā)現(xiàn)退役電池會出現(xiàn)容量突減現(xiàn)象，個別退役電池存在 容量突變?yōu)榱愕那闆r，這對于梯次利用系統(tǒng)是極大的隱患。當一個單體電池容 量突變?yōu)榱銜r，根據(jù)木桶定理，整個電池包的充放電性能將會崩壞，影響系統(tǒng) 的運行，甚至引發(fā)安全事故。由以上可見，在退役電池的研究應用中，要充分 考慮其易失效、一致性差等特點，加強退役電池熱穩(wěn)定性檢測及容量跳水現(xiàn)象 的防控研究，同時在系統(tǒng)應用中也要靈活設計電路的結(jié)構，避免出現(xiàn)意外時系 統(tǒng)發(fā)生安全問題。3退役電池梯次

24、利用重組環(huán)節(jié)3.1退役電池重組技術安全分析根據(jù)梯次利用回收流程，退役動力電池經(jīng)過分選之后，將一致性相差不大 的電池進行重組集成，之后投入到二次利用中。目前電池重組技術主要包括退 役電池單體和模組級別兩方面，通過不同重組技術的實驗研究削弱退役電池的 不一致性，提高梯次利用系統(tǒng)的安全性能。在退役電池單體重組方面，目前有很多的技術研究致力于通過重組技術改 善電池一致性差的問題。例如，文獻理提出一種退役電池單體串并聯(lián)結(jié)構重 組的方法，通過測量充電過程中各單體的端電壓，制定依次互補并聯(lián)的方案， 實驗仿真驗證了該方法的可行性，實現(xiàn)了單體間的均衡充電，降低長期使用后 不一致性的安全隱患；文獻13在已有的均衡

25、電路拓撲結(jié)構的基礎上提出了雙 層均衡拓撲的方法，將電池分組，并采用組內(nèi)集中式主動均衡拓撲，組間分布 式均衡拓撲的方法，集合集中式和分布式均衡拓撲的優(yōu)勢，仿真結(jié)果達到了預 期均衡效果。但以上方案僅驗證于退役電池數(shù)量較少的場合，隨著電池數(shù)的增 長，該方法所達到均衡效果存疑。另一方面，從退役電池利用的實際意義方面思考，電池模組重組技術的研 究更為關鍵，因而模塊級聯(lián)型變流器也進入大家的視線，電池柔性成組技術得 到了空前發(fā)展。借用電力電子裝置實現(xiàn)多電池級聯(lián)型拓撲結(jié)構成組，解決了傳 統(tǒng)成組電池一致性差的問題，延長電池壽命，提高系統(tǒng)安全性22此外，文獻23提出了半級聯(lián)型儲能系統(tǒng)的安全保護裝置，在級聯(lián)儲能組串

26、中設計了安全 互鎖裝置，加入冗余模塊，當某子模塊故障時，其他子模塊可據(jù)此裝置迅速獲 取故障狀態(tài)并做出保護，冗余模塊保障系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的安 全運行以及均衡控制。目前已有學者針對傳統(tǒng)拓撲結(jié)構的不靈活性提出新的研究方案，文獻 24 著眼于固定連接的電池拓撲結(jié)構缺乏靈活性，甚至會存在過充過放等安全問題， 提出了可重構電池網(wǎng)絡的概念，利用電路設計原理實現(xiàn)電池組和電池單體級別 的分級管控，實現(xiàn)退役電池的充放電及電池組一致性的管理。另一方面，該方 案針對電池的差異化實行均衡管理辦法，同時在網(wǎng)絡中加入溫度傳感器，設計 短路拓撲實現(xiàn)電池單體的隔離，合理管控網(wǎng)絡的電-熱-安全，有效診治退役 電池所存在的熱失控安全隱患。從以上的分析可以明顯看出，退役電池梯次利用的安全性引起學者的廣泛 關注，無論是電池組還是電池單體的分選重組，都有相關的合理方案研究，對 實際生產(chǎn)提供了重要的參考意義。3.2重組外圍系統(tǒng)的安全隱患分析從上文重組技術分析可以得到，變流器及柔性成組技術可有效解決電池一 致性問題，在目前梯次儲能系統(tǒng)中得到廣泛應用。然而，梯次利用系統(tǒng)的安全 性問題值得考量。一方面，退役電池本體存在性能衰減、一致性差等實際問題， 同時存在易燃、熱失控的風險 阪珂。另一方面，在實際