退役動力電池梯次利用技術(shù)及應(yīng)用課程案例教學(xué)創(chuàng)新研究

孟高軍 劉海濤

摘??要：“雙碳”目標(biāo)推動可再生清潔能源快速發(fā)展，儲能具有源-荷雙向調(diào)節(jié)特性，是促進(jìn)清潔能源消納和構(gòu)建未來電網(wǎng)的關(guān)鍵，其發(fā)展與應(yīng)用需要大量的專業(yè)人才作為支撐。近年教育部頒布了儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計(jì)劃，支撐產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。其中所屬儲能學(xué)科領(lǐng)域的退役動力電池梯級利用技術(shù)涉及國際民生、能源安全、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)鏈延伸等諸多方面，本文重點(diǎn)介紹在梯次利用電池壽命預(yù)判、健康狀態(tài)檢測、應(yīng)用工況及其適用性分析、集成相關(guān)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性評估等五個方向的案例建設(shè)方案，進(jìn)而強(qiáng)化儲能學(xué)科教學(xué)資源建設(shè)，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：退役動力電池；案例庫建設(shè)；儲能學(xué)科；研究生培養(yǎng)

一、概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源枯竭的危險進(jìn)一步逼近，然后全球能源消耗正在以驚人的速度增長，供需矛盾突出[1-2]。在我國，黨的十八大報(bào)告首次提出“推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命”以來，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源本系，力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，已成為我國能源革命的主要目標(biāo)[3]。

儲能可彌補(bǔ)風(fēng)、光等新能源發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)與可調(diào)度性低的先天缺陷，促進(jìn)新能源汽車與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在生產(chǎn)側(cè)與消費(fèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)主體能源由化石能源向新能源的更替，被認(rèn)為是支撐能源革命、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”與“碳中和”最核心的物理手段。新能源汽車作為儲能應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其迅速發(fā)展必然推動對動力電池的需求，當(dāng)動力電池的容量衰退至總?cè)萘康?0%，需要進(jìn)行更換，而從新能源汽車上退役下來的動力電池仍然具有很高的剩余價值，若采用梯次利用的方式，通過對廢舊動力電池進(jìn)行拆解、檢測、分類和重組，可以將這些電池的剩余價值充分發(fā)揮出來應(yīng)于新能源場站、通信基站、移動電源充電車及其他性能要求低于電動汽車的場景，可延長其使用壽命。因此，動力電池的梯次利用可以有效地減少鋰離子電池帶來的污染，減少資源浪費(fèi)，還可以提高電池的利用價值，實(shí)現(xiàn)全生命周期的價值最大化，提升資源綜合利用水平，從而促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-5]。

為加強(qiáng)儲能人才的培養(yǎng)，教育部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合制定了《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計(jì)劃（2020-2024年）》[6]，擬經(jīng)過5年的努力，增設(shè)若干儲能相關(guān)專業(yè)、二級學(xué)科和交叉學(xué)科，建設(shè)若干儲能技術(shù)學(xué)院（研究院），建設(shè)一批儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺。西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等一大批高校積極響應(yīng)國家的召喚，獲準(zhǔn)增設(shè)了儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)。我校作為傳統(tǒng)電力行業(yè)院校，面向能源結(jié)構(gòu)變革給電能生產(chǎn)與電力系統(tǒng)帶來的新挑戰(zhàn)與新機(jī)遇，充分利用校內(nèi)及行業(yè)資源優(yōu)勢，積極籌建及申報(bào)儲能科學(xué)與工程專業(yè)，并于2021年成功獲批，其中所屬儲能學(xué)科領(lǐng)域的退役動力電池梯級利用技術(shù)涉及國際民生、能源安全、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)鏈延伸等諸多方面，2022年2月工信部等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推動工業(yè)資源綜合利用實(shí)施方案》，其中提出完善廢舊動力電池回收利用體系，推進(jìn)廢舊動力電池安全梯次應(yīng)用，為這一技術(shù)路徑的實(shí)用推廣開辟道路[7]。

近年來，作者團(tuán)隊(duì)測試并分析了國內(nèi)外多家鋰離子電池制造商所提供的鋰離子電池系統(tǒng)，包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料體系等類型的鋰離子動力電池組，積累了大量電池單體/電芯的測試數(shù)據(jù)，為對分析電池性能分化及安全隱患奠定了理論基礎(chǔ)，因此，本文在梯次利用電池壽命預(yù)判、健康狀態(tài)檢測、應(yīng)用工況及其適用性分析、集成相關(guān)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性評估等五個方向進(jìn)行退役動力電池梯次利用技術(shù)及應(yīng)用課程案例教學(xué)創(chuàng)新研究，進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)資源建設(shè)，提高研究生課程教學(xué)質(zhì)量。

二、建設(shè)方案

作者團(tuán)隊(duì)依托江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省先進(jìn)儲能技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心、南京儲能技術(shù)與工程研究中心建有退役動力電池梯次應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)室，該平臺配置有包括光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)在內(nèi)的多種分布式電源，鉛酸電池、鋰離子電池、超級電容、飛輪、壓縮空氣等多種儲能設(shè)備，以及模擬線路、模擬負(fù)荷等裝備，如圖1所示，可為案例庫的建設(shè)提供良好的測試驗(yàn)證手段與環(huán)境。

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（a）動力電池性能測試及分析平臺

（b）?電池儲能24H檢測數(shù)據(jù)和報(bào)表處理

圖?1?電池儲能測試平臺和數(shù)據(jù)處理

由于退役電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模組連接方式和工藝技術(shù)各不相同，在檢測實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作有限，且不確定因素較多，容易發(fā)生突發(fā)危險事故，出于安全考慮，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中無法將退役電池24H循環(huán)特性呈現(xiàn)給學(xué)生；其次，儲能電站中單體電池參數(shù)往往固定，強(qiáng)制修改可能造成設(shè)備損壞；再者，電池模組動態(tài)特性難以捕捉，例如充放電模式切換較快，學(xué)生難以詳細(xì)觀測其切換過程。針對上述物理實(shí)驗(yàn)不宜開展的內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了梯次利用電池循環(huán)性能測試與壽命評估軟件（登記號：2020SR0071691），并授權(quán)相關(guān)發(fā)明專利（專利號：ZL?202110544956.8）。該軟件對已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了擴(kuò)展和提升，可實(shí)現(xiàn)動力電池SOC、SOH等性能及充放電狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控及分析，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富全面，能夠適應(yīng)電氣專業(yè)研究生學(xué)習(xí)，切實(shí)服務(wù)退役動力電池梯次利用技術(shù)及應(yīng)用案例教學(xué)，具體案例庫如下：

案例庫一：退役動力電池梯次利用基本特性信息案例庫；

案例內(nèi)容：首先，通過拆解退役電動汽車動力電池系統(tǒng)單體電池，測量單體電池的電壓、內(nèi)阻，并觀測電池的外觀；其中，零電壓電池，內(nèi)阻嚴(yán)重超標(biāo)電池，嚴(yán)重脹氣電池、電池外殼嚴(yán)重腐蝕的電池以及不能再進(jìn)行連接的電池都不再考慮進(jìn)行梯次利用，滿足要求的電池進(jìn)入后續(xù)工序。其次，從電池生產(chǎn)廠家獲取退役動力電池制造過程及出廠時的信息，主要包括電池的生產(chǎn)日期、類型、尺寸、容量、內(nèi)阻、電壓、充放電曲線、功率和能量等。從電動汽車運(yùn)行方獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括電池的啟用與退役日期、類型、電池工作的SOC區(qū)間與DOD區(qū)間、充放電次數(shù)、充放電電流、溫度、充放電曲線、維護(hù)記錄信息等。完成上述電池信息的收集后，建立退役動力電池基本特性的電子檔案和綜合信息案例庫。

培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)研究生利用綜合數(shù)據(jù)庫對退役電池在后續(xù)的測試以及梯次利用過程相關(guān)信息作記錄，并觀察與跟蹤電池的運(yùn)行狀況，更加直觀地了解退役電池初始特性。

案例庫二：退役動力電池梯次利用健康狀態(tài)評估案例庫

案例內(nèi)容：綜合動力電池在電池汽車上的運(yùn)行數(shù)據(jù)、電池參數(shù)測試結(jié)果、外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果、內(nèi)特性分析結(jié)果和應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示電池在使用過程中主要參量的變化規(guī)律，建立電池主要參量與電池健康度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，主要包括電池電壓平臺、內(nèi)阻、充放電曲線、倍率充放電曲線、能量與電池容量和電池健康度之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過開展典型模擬工況下的模塊壽命試驗(yàn)，分析容量、內(nèi)阻等模塊外特性參數(shù)的變化規(guī)律。分析充放電功率、溫度、充放電深度對模塊性能衰退影響，進(jìn)而考察容量、內(nèi)阻、自放電等電池外特性參數(shù)的變化規(guī)律，明確退役電池性能衰退機(jī)理及敏感因子，建立退役動力電池梯次利用健康狀態(tài)評估案例庫。

培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)研究生掌握不同參數(shù)對電池壽命的影響規(guī)律，通過選取不同的參量或多參數(shù)組合，對電池的全壽命周期進(jìn)行預(yù)測，加深對退役動力電池衰減特性的理解。

案例三：退役動力電池梯次利用場景及適用性案例

案例內(nèi)容：根據(jù)前述案例庫退役動力電池各項(xiàng)特性分析結(jié)果按照容量、內(nèi)阻、效率、自放電率等性能參數(shù)進(jìn)行分級。對于不同級別的退役動力電池，結(jié)合其健康狀態(tài)，分析其可能適用的應(yīng)用工況，除規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)外，梯次電池還可以應(yīng)用于移動電源、通信基站、光伏電站及家庭儲能等多種場景，分析退役動力電池在以上場合應(yīng)用時的具體工況，主要包括電池使用的環(huán)境溫度、充放電頻率、充放電電流、充放電電壓范圍、放電深度等，根據(jù)工況對退役動力電池進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，記錄電池在實(shí)驗(yàn)中的各個性能參量的變化情況，分析不同類別退役動力電池組合在多種應(yīng)用場景下的運(yùn)行狀況，建立退役動力電池梯次利用場景及適用性案例庫。

培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)研究生根據(jù)退役動力電池應(yīng)用工況的適用性，評估退役動力電池面向不同應(yīng)用場合的性能參數(shù)需求，掌握退役動力電池的典型配置原則。

案例四：退役動力電池梯次利用分選及重組案例庫

案例內(nèi)容：對于同一級別內(nèi)的電池，通過對比各單體電池在充放電過程中的電壓、容量、直流內(nèi)阻、充放電曲線、交流阻抗曲線、倍率放電曲線、自放電率等參量，根據(jù)不同的參量的組合，按照一定的偏差范圍將參數(shù)數(shù)值接近的電池進(jìn)行配組，對電池組進(jìn)行充放電24h循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)過前述案例庫退役電池外觀、電壓、電阻、容量的初篩，選出符合梯次利用標(biāo)準(zhǔn)的退役電池，然后通過電池測試的實(shí)時觀測數(shù)據(jù)得到退役電池的健康狀態(tài)，分析不同的分選參量組合對電池組壽命的影響，優(yōu)化出各分選參量應(yīng)該控制的偏差范圍，并根據(jù)電池組循環(huán)過程中各個參量的變化情況優(yōu)選合適的參量，通過聚類的方法，對不同健康狀態(tài)的電池進(jìn)行分選與重組，使重組電池的一致性得到提高，進(jìn)而建立退役動力電池分選與重組案例庫。

培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)研究生通過監(jiān)測并分析電池循環(huán)過程中各個參量的變化情況，確定電池一致性分選判據(jù)的多維參量，掌握退役動力電池分選及重組技術(shù)規(guī)范。

案例五：退役動力電池梯次利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全評估案例庫

案例內(nèi)容：分別對退役動力電池的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性能進(jìn)行分析，篩選相應(yīng)的性能表征參數(shù)，技術(shù)性方面，基于層次聚類算法計(jì)算不同表征參數(shù)在評價中的比重，以調(diào)頻服務(wù)、峰谷套利、平抑新能源波動、緊急事故支撐和通信基站備用等不同典型場景為例，基于場景需求揭示不同因素對表征參數(shù)的影響程度，進(jìn)而設(shè)置相應(yīng)的技術(shù)性評價系數(shù)。經(jīng)濟(jì)性方面，基于艾林方程建立壽命評價模型以預(yù)估不同類型電池的日歷壽命，同時基于凈收益模型和新電池購置價格，分析退役動力電池的綜合成本，最后，基于靈敏度設(shè)置相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性評價系數(shù)。安全性方面，根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用場景的不同來設(shè)置相應(yīng)的安全評價系數(shù)。最終，采用層次分析法并結(jié)合典型示范工程實(shí)例來驗(yàn)證評價規(guī)則的有效性，建立退役動力電池梯次利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全評估案例庫。

培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)研究生通過分析梯次利用退役電池性能和應(yīng)用場景需求，結(jié)合國內(nèi)退役電池梯次利用示范工程項(xiàng)目，掌握退役電池梯次利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全評價規(guī)則。

三、進(jìn)度安排

退役動力電池梯次利用技術(shù)及應(yīng)用課程案例建設(shè)的主要階段性內(nèi)容如下：

第一階段：開展各類退役動力電池信息的收集工作，經(jīng)過電池外觀、電壓、電阻、容量的初篩，建立退役動力電池基本特性的電子檔案和綜合信息案例庫。

第二階段：考察容量、內(nèi)阻、自放電等電池外特性參數(shù)的變化規(guī)律，明確退役電池性能衰退機(jī)理及敏感因子，建立基于工況的退役電池性能衰退經(jīng)驗(yàn)案例庫。

第三階段：?記錄電池在24h循環(huán)測試中的各個性能參量的變化情況，分析不同類別退役動力電池在多種應(yīng)用場景下的運(yùn)行狀況，建立退役動力電池梯次利用場景及適用性案例庫。

第四階段：通過監(jiān)測并分析退役電池循環(huán)過程中各個參量的變化情況，確定電池一致性分選判據(jù)的多維參量，建立退役動力電池梯次利用分選及重組案例庫。

第五階段：分析梯次利用退役電池性能和應(yīng)用場景需求，結(jié)合國內(nèi)退役電池梯次利用示范工程項(xiàng)目，建立退役動力電池梯次利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全評估案例庫。

四、結(jié)論

儲能學(xué)科的發(fā)展與完善，有賴于其課程體系及教材體系的建設(shè)。因此，結(jié)合南京工程學(xué)院專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)實(shí)際需求，以電氣工程專業(yè)研究生已開設(shè)的《電力電子技術(shù)》、《新能源發(fā)電》等相關(guān)課程與擬開設(shè)的專業(yè)課程《儲能科學(xué)與工程》為基礎(chǔ)，以研究生課程案例庫體系建設(shè)為抓手，開展退役動力電池儲能梯次利用技術(shù)及示范應(yīng)用案例教學(xué)法的具體實(shí)踐，將有助于培養(yǎng)電氣領(lǐng)域研究生的工程意識，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)模式從“碎片化”到“系統(tǒng)化”轉(zhuǎn)化升級，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力提升。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目：南京工程學(xué)院研究生課程案例庫建設(shè)項(xiàng)目資助

作者簡介：孟高軍（1987—??），男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源發(fā)電與儲能技術(shù)等。