退役鋰電池梯次利用主動均衡方法研究

楊 揚， 謝長君， 朱文超

(1. 武漢理工大學自動化學院， 湖北 武漢 430070； 2. 武漢理工大學汽車工程學院， 湖北 武漢 430070)

1 引言

退役鋰電池容量通常為額定容量的70%～80%，經過分選后，仍具有良好的放電能力，可以梯次利用于儲能系統[1，2]。出廠差異、環境因素、過充電和過放電以及長期使用等原因，造成退役鋰電池單體之間存在嚴重差異。電池組“木桶效應”會造成電池組放電容量降低和電池壽命縮短，電池過充或過放甚至會引起安全事故[3]。退役電池組梯次利用前進行均衡，是改善退役電池組不一致性、延長使用壽命的有效方法。

目前，均衡方法分為主動均衡和被動均衡。被動均衡是能量耗散型均衡，存在均衡效率低和均衡散熱問題。主動均衡方法研究主要包括均衡電路和均衡策略兩方面。國內外學者提出的一些均衡拓撲，涉及開關電容法、開關電感法、DC-DC變換器法、變壓器法等。開關電容均衡方法的缺點是均衡時間長、成本高。文獻[4]提出基于多繞組變壓器的單體電池間均衡方法，文獻[5]提出基于雙向反激式DC-DC變換器的充電均衡器，它們的優點是均衡速度較快，均衡效率較高，但是存在開關時序復雜和磁飽和的問題。文獻[6]提出基于多開關電感的均衡電路，只能實現相鄰電池單體間均衡。文獻[7]提出一種單電感雙向均衡電路，可以實現任意單體電池間均衡，但是當電池數量多時，均衡時間較長。目前，均衡策略主要包括基于電壓差的均衡[8]、基于SOC的均衡[9，10]、基于容量差的均衡[11]和基于剩余可用能量的均衡[12]等。

集中式均衡電路具有結構簡單、成本低的特點，分布式均衡電路易于實現獨立控制、可擴展性強且易于維護。結合兩種均衡電路的優點，本文提出基于Buck-Boost電路的分組雙向主動均衡拓撲結構，電池小組內和電池小組間分別采用基于電感的集中式雙向均衡拓撲和分布式均衡拓撲。荷電狀態(State of Charge, SOC)SOC作為均衡變量，以從某電動環衛車上退役的12個電池為例進行靜置均衡和充電均衡實驗驗證。

2 退役電池分選

本文的退役鋰電池來源于東風汽車有限公司生產的電動環衛車。退役鋰電池的出廠參數為：額定容量40 A·h，標稱電壓3.2 V，內阻1 mΩ，充電截止電壓3.6 V，放電截止電壓2.5 V，標準充放電電流為0.3 C。整個退役電池組共有106個電池，在對退役電池進行均衡前，需要對退役電池進行分選，過程如下：

(1)從106個退役電池中篩選出50個外觀較好的退役電池。

(2)進行電壓分選。①測量50個退役電池的開路電壓(OCV)，從中選出電壓在2.4～3.2 V之間的退役電池36個。②為了防止過充，將36個退役電池以10 A恒流充電2 h，測量每個電池的電壓。充電后電壓大于3 V的退役電池有30個，它們具有梯次利用價值。

(3)進行容量分選。由于退役電池的容量遠低于出廠電池的容量，在對其進行均衡前，需要重新標定額定容量。容量試驗依據國家標準GB/T 34015—2017《電動汽車用牽引電池回收剩余容量試驗》，步驟如下：①常溫下，放掉退役電池的剩余能量并靜置15 min；②以1 C恒流充電至充電截止電壓3.6 V，然后轉恒壓充電至電流為0.05 C；③靜置0.5 h；④以1C恒流放電至放電截止電壓2.5 V，記錄放電容量；⑤重復步驟①～④共3次，以3次放電容量的平均值作為退役電池新的額定容量。30個退役電池的新的額定容量分布如圖1所示，可以看出，大多數退役電池的容量在24～32 A·h之間，從中選取了12個額定容量較大的退役電池作為本文的研究對象，編號為B1、B2、…、B12，新標定的額定容量依次為33.4 A·h、31.6 A·h、32.3 A·h、32.4 A·h、30.7 A·h、31.1 A·h、31.2 A·h、30.9 A·h、30.6 A·h、30.7 A·h、30.5 A·h、29.8 A·h。

圖1 30個退役電池新標定的額定容量

3 均衡電路拓撲

為了提高均衡效率，提出如圖2所示的基于Buck-Boost電路的分組雙向主動均衡拓撲結構，具有均衡電路結構簡單、可擴展性強等優點。將n個退役電池分成m個小組，每組包含p個退役電池。每個退役電池小組包含1個組內均衡子電路，即共有m個組內均衡子電路；組間均衡電路共有m-1個。均衡結構中還包含采集電壓、電流等信號的檢測電路、均衡主控制器和驅動電路，以及均衡主控制器根據實時采集的退役電池相關參數，執行相應的均衡算法，對整個退役電池組進行均衡控制。在本文中，將分選之后的12個退役電池分成3個小組，每個電池小組由4個退役電池串聯，3個小組分別表示為P1、P2和P3。

圖2 基于Buck-Boost電路的主動均衡拓撲

電池組內采用基于單電感的集中式雙向主動均衡拓撲結構，如圖3所示，包含由p個退役電池串聯的電池小組、開關矩陣和儲能單元，其中儲能單元包括1個儲能電感L、4個MOSFET管和4個二極管。開關矩陣S1～S2p實際是MOSFET管，均衡電路只用到MOSFET管的正向導通特性，以消除MOSFET管的體二極管帶來的電池短路的危險。該均衡電路可以實現電池小組內任意單體電池間的能量轉移，具有能量傳輸效率高、電路結構簡單、成本較低的優點。

圖3 基于單電感的集中式主動均衡拓撲

電池組間采用基于電感的分布式均衡拓撲結構，可以實現相鄰電池小組間的能量轉移，如圖4所示。每兩個電池小組之間共用1個儲能電感，如電池小組Pm-1和電池小組Pm之間均配有電感Lm-1。由m個電池小組串聯的組間均衡電路包括2m-2個MOSFET管和m-1個儲能電感，具有控制簡單、可擴展性強和易于模塊化等優點。

圖4 組間分布式主動均衡拓撲

4 均衡電路原理

4.1 組內均衡電路

為了提高均衡電流和均衡能量利用效率，避免電池之間相互影響，將組內均衡電感電流工作于斷續(Discontinuous Current Mode, DCM)模式。為了分析簡便，不考慮二極管和MOSFET管壓降。假設在電池小組P1中，需要將電池B2的能量轉移到電池B1中，能量轉移路徑分別如圖5(a)和圖5(b)所示。組內均衡電路關鍵波形如圖6所示。

圖5 電池B1和B2能量轉移路徑

圖6 組內均衡電路關鍵波形

0～t1階段，S3、Sa1、Sb1、S4導通，如圖5(a)所示，電池B2經過S3、Sa1、VDa1、L、VDb1、Sb1和S4構成的均衡路徑將能量轉移到儲能電感L中。電感電流從0開始線性上升，有：

(1)

式中，iB2和iL分別為電池B2和電感L的電流；VB2為電池B2的端電壓。設占空比為D，高頻開關管周期為T，則電流最大值iL(max)為：

(2)

電池B2放電過程中釋放的電荷量QB2為：

(3)

t1～t2階段，S3、Sa1、Sb1、S4關斷，如圖5(b)所示，電感L經過VDb2、Sb2、S1、B1、S2、Sa2、VDa2組成的均衡路徑將電感L儲存的能量轉移到電池B1中。電感電流從最大值線性下降到0。

t2～t3階段，電感電流為0。

4.2 組間均衡電路

以電池小組P1、P2為例，假設電池小組P2向電池小組P1轉移能量。MOSFET管由PWM信號控制，設均衡占空比為D，使電感工作在DCM模式，均衡電路在一個均衡周期T內的工作原理如下。

第一階段，如圖7(a)所示，Q2導通，電池小組P2向電感L1轉移能量，電感電流從0開始線性上升到最大值，電感L1的電流為：

(4)

電感L1電流最大值為：

(5)

第二階段，如圖7(b)所示，Q2關斷，電感L1通過Q1的體二極管VDQ1給電池小組P1充電，電感電流從最大值線性下降到0，電感電流為：

圖7 電池小組P1和P2能量轉移路徑

(6)

第三階段，Q1和Q2關斷，電感電流為0。

5 均衡策略

本文選擇退役電池SOC作為均衡目標變量，可以很好地判定電池組一致性，且不用考慮單體電池額定容量的差異，使單體電池能同時達到其充、放電截止電壓，提高電池組容量利用率。采用本文提出的基于平方根無跡卡爾曼濾波的鋰電池荷電狀態估計方法[13]進行SOC估算。

綜合考慮均衡時間和均衡能量利用效率，取占空比D為45%，最大均衡電流約4 A，開關頻率為1 kHz，根據式(2)和式(5)，取組內均衡電路電感和組間均衡電路電感分別為0.35 mH和1.4 mH。采用先組內均衡、后組間均衡的策略實現整個退役電池小組均衡，即首先使各電池小組內部實現均衡，然后進行電池小組間的均衡控制。

由于組內均衡電路可實現任意單體與單體電池之間均衡，采用均值-差值法能提高均衡效率，均衡流程為：

步驟1)估算每個退役電池的剩余容量SOC(i)，并計算該電池小組內所有單體電池的SOC平均值SOCavg。

步驟2)設定組內均衡閾值ΔSOC。

步驟3)判斷|SOC(i) -SOCavg|是否大于ΔSOC，若是，則執行步驟4)；否則執行步驟6)。

步驟4)SOC最大的退役電池單體向SOC最小的退役電池單體轉移能量。

步驟5)循環執行步驟3)和步驟4)。

步驟6)組內均衡結束。

組間均衡電路實現相鄰電池小組間均衡，采用極差法與相鄰差值法相結合的混合均衡策略。既利用相鄰差值法控制簡單且均衡速度快的優點改善相鄰電池小組間的一致性，又可以使某個SOC最大或者最小的電池小組實現較快均衡，以減小整個電池組極差。均衡流程如下：

步驟1)設定相鄰差值法均衡閾值ΔSOCA和極差法均衡閾值ΔSOCJ。

步驟2)估算每個電池小組的SOC平均值SOCavg(m)。求SOCavg(m)之間的極差r和相鄰電池小組的最大差值rAmax。

步驟3)若r>ΔSOCJ且rAmax>ΔSOCA，執行步驟4)；若r>ΔSOCJ且rAmax≤ΔSOCA，執行步驟5)；若r≤ΔSOCJ，執行步驟6)。

步驟4)進行相鄰電池小組間能量轉移。循環執行步驟3)。

步驟5)SOC平均值最大的電池小組向SOC平均值最小的電池小組轉移能量，若這兩個電池小組不相鄰，則還需借助相鄰電池小組作為能量轉移媒介。循環執行步驟3)。

步驟6)組間均衡結束。

6 實驗與結果分析

將圖8(a)所示的ITECH ITS5300電池測試系統與圖8(b)所示的均衡測試臺架集成，用于退役電池均衡實驗。均衡測試臺架包括電池管理系統、均衡主控電路、開關陣列、電壓電流檢測電路、供電電源等。

圖8 實驗硬件實物圖

組內均衡閾值ΔSOC設定為0.5%，組間相鄰差值法均衡閾值ΔSOCA和極差法均衡閾值ΔSOCJ分別為0.5%和1%。

圖9所示為靜置均衡時退役電池SOC變化過程，均衡分為以下階段：

圖9 靜置均衡時電池SOC變化過程

(1)0～1 140 s，電池小組P1、P2和P3組內均衡，在1 140 s左右，電池小組P1組內均衡完成。

(2)1 140～2 220 s，只有電池小組P2和P3進行組內均衡，在2 220 s左右，電池小組P2組內均衡完成。

(3)2 220～2 280 s，只有電池小組P3進行組內均衡，在2 280 s左右，電池小組組內均衡全部完成。

(4)2 280～5 880 s，電池小組間均衡，整個退役電池組靜置均衡時間約98 min。退役電池均衡前后參數對比見表1，靜置均衡前后退役電池組單體電池SOC極差分別為10.2%和2%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差分別為5.2%和1%，均衡電荷轉移效率為70.06%。

表1 退役電池均衡前后參數對比

對退役電池組進行恒流充電，當任意單體電池電壓達到充電截止電壓3.6 V時，停止充電。均衡前退役電池組單體電池SOC極差為10.9%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差為5.62%。圖10(a)所示為退役電池組無均衡充電時SOC變化，充電87 min后退役電池組單體SOC極差為6.98%。僅對退役電池進行恒流充電并不能減小單體SOC差異，而本實驗中恒流充電使退役電池組SOC差異變小的原因是退役電池新標定的額定容量不同，導致不同退役電池在相同時間內恒流充電所增加的容量不同。圖10(b)所示為充電均衡時電池SOC變化過程，充電均衡時間約為87 min，達到均衡狀態時退役電池組單體電池SOC極差為1.94%，單體電池與退役電池組SOC平均值的最大偏差為0.98%，均衡電荷轉移效率為65.31%。

圖10 充電時電池SOC變化過程

7 結論

本文針對退役鋰電池數量多且存在嚴重不一致性的問題，結合集中式均衡拓撲和分布式均衡拓撲的優點，提出基于Buck-Boost電路的分組雙向主動均衡電路，以SOC為均衡判據，分別采用均值-差值法和極差法及相鄰差值法結合的均衡策略，可同時均衡多個退役電池，具有控制簡單、成本低、可擴展強等優點。

搭建均衡實驗臺架，以12節退役電池為例進行靜置均衡和充電均衡實驗。結果表明，本文提出的均衡方法能夠快速改善退役電池組的不一致性，均衡時間較短。雖然均衡電荷轉移效率不高，但是改善退役電池組的不一致性，以提高電池組容量利用率，對于退役電池梯次利用更為重要。