充電模式下純電動(dòng)公交大巴退役電池性能分析

何睦，趙光金*，吳文龍，馮祥明

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州450052；2.國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)廢棄物資源化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450052；3.河南環(huán)宇賽爾新能源科技有限公司，河南新鄉(xiāng)453002)

充電模式下純電動(dòng)公交大巴退役電池性能分析

何睦1，2，趙光金1，2*，吳文龍1，2，馮祥明3

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州450052；2.國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)廢棄物資源化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450052；3.河南環(huán)宇賽爾新能源科技有限公司，河南新鄉(xiāng)453002)

對共計(jì)5輛純電動(dòng)公交大巴車上的退役動(dòng)力電池進(jìn)行性能測試分析，主要研究充電模式下退役動(dòng)力電池模塊及電芯的容量、內(nèi)阻、電壓等主要性能參數(shù)的衰變特性，并與電池出廠前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。此外，還研究了退役電芯的外觀、容量、內(nèi)阻及電壓的分布特性和一致性。研究結(jié)果顯示退役電池模塊及電芯的容量明顯下降，內(nèi)阻明顯增加，容量和內(nèi)阻的一致性明顯下降。退役電池剩余容量可觀，可以進(jìn)行梯次利用。

充電模式；退役動(dòng)力電池；梯次利用

國家“十二五”規(guī)劃提出：“開展插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車研發(fā)及大規(guī)模商業(yè)化示范工程，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”。目前，以新能源汽車為代表的新能源產(chǎn)業(yè)在快速地從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化、市場化邁進(jìn)。其中，以鋰離子電池為代表的動(dòng)力電池被廣泛地應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車上。

考慮到電池自身使用過程中電性能逐漸衰退的特點(diǎn)，目前對于動(dòng)力鋰電池的使用提出了梯次利用的理想模式：即新電池出廠后，首先用于對安全性有著更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)要求的電動(dòng)汽車上；當(dāng)電池容量為標(biāo)稱容量的70%～80%時(shí)，或滿足一定的使用年限后(一般是3年)，電池從電動(dòng)汽車上退役，根據(jù)對容量的不同需求，在儲能系統(tǒng)、UPS等方面進(jìn)行梯次利用；完全報(bào)廢的電池進(jìn)行材料的回收處理，使電池在全壽命周期內(nèi)都能得到充分利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保及降低成本的目的。無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是一個(gè)良好的解決方案[1]。

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的能量補(bǔ)充方式現(xiàn)階段主要分為：充電模式和換電模式兩大類，由于這兩種方式的充放電管理方式不同，電池性能的變化也必然有所不同，會對電池的梯次利用造成影響。就全國電動(dòng)汽車的實(shí)際使用情況來看，除北京、青島、新鄉(xiāng)等地進(jìn)行的換電站示范外，全國大多數(shù)地區(qū)主要采用的還是充電模式。因此，通過研究充電模式下動(dòng)力電池的性能變化特性及一致性，對開展退役電池梯次利用可行性具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 退役電池及測試儀器

本論文以退役下來的HPPF70173248方形軟包動(dòng)力電池作為研究對象。電芯標(biāo)稱容量20 Ah，平臺電壓3.2 V，充放電范圍2.80～3.65 V。電池配組方式為：10只方形軟包磷酸鐵鋰電芯并聯(lián)組成電池模塊，再經(jīng)過2并180串組成400 Ah/576 V磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組與三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合，為車輛提供動(dòng)力。這些電池自2010年投運(yùn)至今有3年的運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行里程達(dá)14萬km，完全采用充電模式運(yùn)營。

電池測試可采用杭州可靠性儀器廠的LIT-05020電池測試儀，對電池進(jìn)行充放電及循環(huán)性能進(jìn)行測試；電池開路電壓(OCV)及內(nèi)阻測試采用HIOKIBT 3554型電池測試儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

測試方法參考國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 743-2006[2]，結(jié)合所選用電池樣本的基本參數(shù)和出廠技術(shù)測試要求進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中采用的電池容量測試方法如下：在(20±5)℃條件下，先將電池殘余電量放完，靜置15m in，以0.3 C對電池恒流充電至3.65 V轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.05 C，認(rèn)為電池充滿電。靜置0.5 h后，以0.5 C恒流放電至電壓降到2.8 V，記錄放電電量作為電池的容量。電池電壓及內(nèi)阻測試方法如下：在(20± 5)℃條件下，將電池按上述充電方式充滿電后，靜置半小時(shí)，直接用電池測試儀測量其電壓和內(nèi)阻讀數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力電池容量變化及其分布規(guī)律

研究退役電池性能的變化，容量是最核心的參數(shù)之一。為研究充電模式下電池容量的變化，選取了電動(dòng)大巴上已經(jīng)運(yùn)行了3年的電池組，經(jīng)過剔除斷路、完全鼓脹、漏液等無法進(jìn)行充放電循環(huán)測試的電池后，對剩余得到的2 163只電池重新進(jìn)行容量檢測。并通過電池編號溯源當(dāng)初電池出廠時(shí)的容量測試數(shù)據(jù)。電池容量及容量分布相對比例如圖1所示。

圖1 電池出廠容量和重檢容量分布對比

從圖1中可見，電池容量的相對比例分布曲線符合正態(tài)分布特征，尤其是當(dāng)樣本容量年n>2 000的情況下。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，已有人做了K-S檢驗(yàn)和S-W檢驗(yàn)論證[3]，通過對以上兩條曲線進(jìn)行正態(tài)分布擬合，得式(1)：

在式(1)中f(x)表示電池?cái)?shù)目的相對比例，x表示各電池組的實(shí)際容量，μ表示電池的平均容量，σ表示分布的離散性。

出廠容量：μ=221.15，σ=1.23

重檢容量：μ=187.45，σ=31.33

電池出廠時(shí)容量基本集中在220 Ah左右。這是由于軟包磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱容量為200 Ah，根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電池出廠的實(shí)際放電容量應(yīng)為標(biāo)稱容量的110%，即220Ah。同時(shí)，容量偏差為1～5 Ah，主要由于生產(chǎn)一致性要求所致(采用相同的生產(chǎn)人員、設(shè)備、原材料、工藝、加工環(huán)境)，電池容量的一致性也保持較好，再加上經(jīng)過分容、配組、組裝后容量嚴(yán)重偏差的電池被從體系中剔除了，所以電池出廠時(shí)容量分布更為集中。

而使用后退役下來的電池，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的改變，并隨使用時(shí)間和使用頻次不斷累積，導(dǎo)致電池容量整體下降。容量衰減到最小134 Ah，最大217 Ah，平均容量剩余下降了約10%～17.5%，最大容量偏差更是達(dá)到了62 Ah。綜上所述，充電模式下，電池容量明顯降低，容量分布離散性十分明顯。

2.2 動(dòng)力電池內(nèi)阻變化及其分布規(guī)律

反映電池性能的另一個(gè)重要指標(biāo)就是電池的內(nèi)阻。對于上述電池樣本的2 163只電池重新進(jìn)行內(nèi)阻檢測。同樣通過電池編號溯源當(dāng)初電池出廠時(shí)的內(nèi)阻測試數(shù)據(jù)。電池內(nèi)阻及內(nèi)阻分布相對比例如圖2所示。

圖2 電池出廠內(nèi)阻和重檢內(nèi)阻分布對比

從圖2中可見，電池內(nèi)阻的分布同容量一樣，也呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢。同樣做正態(tài)分布擬合。

在式(2)中f(x)表示電池?cái)?shù)目的相對比例，x表示各電池組的實(shí)際內(nèi)阻，μ表示電池的平均內(nèi)阻，σ表示分布的離散性。

出廠內(nèi)阻：μ=0.28，σ=0.086

重檢內(nèi)阻：μ=0.60，σ=0.27

出廠時(shí)電池內(nèi)阻主要集中在0.25～0.3mΩ，正負(fù)偏差約在0.05mΩ左右，使用后電池內(nèi)阻增加顯著，主要集中在0.5mΩ，增加量約1倍，一些電池甚至到了0.7mΩ，同時(shí)電池內(nèi)阻的差異性也顯著增加，正負(fù)偏差約在0.15mΩ左右，增加了約3倍。綜上所述，充電模式下，電池內(nèi)阻明顯增加，內(nèi)阻分布離散性十分明顯。

2.3 退役電池電壓特性變化

通過電池測試儀測到的電壓是靜態(tài)的開路電壓(OCV)，雖然單一的測量開路電壓意義并不大，因?yàn)殡妷簳S電池的荷電狀態(tài)不斷改變。但可以據(jù)此剔除掉電壓異常且已無法進(jìn)行充放電的電池，同時(shí)可以考量電池一致性的好壞。如圖3所示，退役電池的開路電壓仍絕大部分處在3.33～3.35 V的區(qū)間，同出廠時(shí)成組電池之間壓差＜10mV的要求比起來，一致性保持良好。這說明在充電模式下，電池的使用對于開路電壓的影響比較小。

圖3 退役電池開路電壓分布

2.4 退役電芯外觀篩選分析

以某一輛整車的退役電池為樣本，將其全部拆解，得到3 600只電芯進(jìn)行測試分析。拆解后的電芯，經(jīng)外觀目視檢測后進(jìn)行歸類。外觀完好的電芯占37.31%，發(fā)軟和氣脹電芯所占比例分別為50.86%和11.67%，其他為0.17%，主要是漏液和拆解過程中人為損傷的電芯，具體分布如圖4所示。

圖4 退役電池拆解后電芯外觀檢視比例

外觀不良的電芯主要存在發(fā)軟和氣脹現(xiàn)象，原因是電池在使用過程中內(nèi)部發(fā)生了如SEI膜損傷、電解液分解、電極材料結(jié)構(gòu)坍塌、嵌鋰無法脫出等副反應(yīng)。而物理損傷和電路損傷幾乎可以不計(jì)[4]。

2.5 退役電芯容量特性分析

對外觀良品電芯做0.5 C放電容量測試，剔除掉循環(huán)后發(fā)軟及因電壓、內(nèi)阻異常無法完成電性能循環(huán)測試的電芯，發(fā)現(xiàn)充電模式下退役電芯的容量特性存在如下特點(diǎn)：一方面絕大部分電芯能夠測量出容量，且還保有較多的電量，普遍在標(biāo)稱容量的90%以上，這部分電芯占整個(gè)外觀良好電芯總數(shù)的93.89%；另一方面，一小部分電芯幾乎無法完成充放電流程，進(jìn)行容量測試，個(gè)別能夠放出容量的電芯，放電容量也不足標(biāo)稱容量的30%，這部分電池芯約占整個(gè)外觀良好電芯的3.40%。退役電芯容量分布如圖5所示。

圖5 電性能良品容量測試

2.6 退役電芯內(nèi)阻特性分析

按照外觀檢視類別的不同，對退役電芯進(jìn)行內(nèi)阻測試，測試結(jié)果見圖6所示。

從圖6可見，電芯依良品→發(fā)軟→氣脹的順序，平均內(nèi)阻在不斷增大，同時(shí)一致性也在不斷下降。外觀良品電芯的內(nèi)阻基本保持在5mΩ左右(新出廠電芯內(nèi)阻在2mΩ以內(nèi))。而發(fā)軟和氣脹電芯的內(nèi)阻基本都在10mΩ以上，且離散性較大。從內(nèi)阻的數(shù)值分布來看，氣脹電芯的內(nèi)阻增大較發(fā)軟電芯更為顯著，意味著過充情況對電池的損傷更為嚴(yán)重。

圖6 不同類型電芯內(nèi)阻分布對比

2.7 拆解后配組情況分析

對于外觀檢測通過的1 343只良品電芯，為了進(jìn)一步檢測其梯次利用的可能性，對其進(jìn)行了電壓、內(nèi)阻、容量和循環(huán)性能等電性能的測試[5]。發(fā)現(xiàn)最終通過所有檢測能夠重新配組進(jìn)行再利用的電芯僅有296只，占所有外觀良品的22.04%，見圖7。而考慮到一致性問題[6]，按照實(shí)際目標(biāo)應(yīng)用場合的要求，配組率更低，只有260只電芯能夠配組成功進(jìn)行梯次利用，這就是說整車電池的重新配組率只有7.22%。

圖7 外觀良品電芯電性能測試

3 總結(jié)

本文研究了純電動(dòng)大巴退役電池及其電芯的容量、內(nèi)阻及電壓分布特性，并與出廠前電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)論：(1)充電模式下動(dòng)力電池隨著使用性能下降，突出表現(xiàn)為容量減小內(nèi)阻增大，特別是電池間一致性顯著降低；(2)制造工藝缺陷造成的容量衰減相對來說并不是引起退役電池性能衰退的主要原因，電池的濫用及復(fù)雜應(yīng)用工況對電池的損傷才是主要因素。特別是使用過程中的過放電會造成出現(xiàn)大量發(fā)軟、氣脹等不可逆損害；(3)退役電池梯次利用分選及配組必須按照新電池配組要求和實(shí)際目標(biāo)應(yīng)用場合要求進(jìn)行，而從實(shí)際拆解后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，重組成功的可電池梯次利用的實(shí)際配組率還比較低，要提高配組率，必須要有大量的退役電池做基礎(chǔ)。這也進(jìn)一步說明退役電池梯次利用產(chǎn)業(yè)要想做好，未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)化規(guī)模是關(guān)鍵。

[1]仝志明.退役鈦酸鋰電池梯次用于儲能的可行性研究[J].人民公交，2013(3)：104-105.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池[S].北京：國家發(fā)展和改革委員會，2006.

[3]李香龍，陳強(qiáng)，關(guān)宇，等.梯次利用鋰離子動(dòng)力電池試驗(yàn)特性分析[J].電源技術(shù)，2013(11)：1940-1943.

[4]ANDERSSON A S，THOMAS JO.The source of first-cycle capacity loss in LiFePO4[J].Journalof Power Sources，2001(97/98)：498-502.

[5]河南環(huán)宇賽爾新能源有限公司.鋰離子電池分容配組操作作業(yè)指導(dǎo)書[S].新鄉(xiāng)：環(huán)宇集團(tuán)有限公司，2008.

[6]單毅.鋰離子電池一致性研究[D].上海：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2008.

Characteristic analysisof retired power batteries from EV busunder chargingmode

HEMu1，2，ZHAO Guang-jin1，2*，WUWen-long1，2，F(xiàn)ENG Xiang-ming3
(1.State Grid Henan Electric PowerResearch Institute，Zhengzhou Henan 450052，China;2.Laboratory forGrid Waste Treatmentand Resource Recycle Technology，State Grid Corporation ofChina，Zhengzhou Henan 450052，China;3.Henan Huanyu Group，Xinxiang Henan 453002，China)

For the purpose of investigating the degradation of retired power lithium ion batteries，the capacity，voltage and resistance ofbatteries，the cells from 5 EV buses were studied and com pared w ith those of new batteries.The experimental results show that capacities of batteries and cells decrease significantly，while the resistance obviously increases.Both of these induce to the un-uniform ity ofbatteries.

chargingmode;retired power batteries;second-use

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1412-04

2015-12-05

何睦(1985—），男，河南省人，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡姵丶皟δ芗夹g(shù)。