用于梯次利用的退役动力电池性能评估外文翻译资料

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用于梯次利用的退役动力电池性能评估

Youlang Zhang^a,Yan Li^b,Yibin Tao^c,d,Jilei Ye^c,e,Aiqiang Pan^f,Xinzhou Li^a, Qiangqiang Liao^{a, *}, Zhiqin Wang^a

a 上海电力大学上海电能转化工程研究中心，上海电力材料保护与先进材料重点实验室，上海200090，中国

b 上海工程技术大学材料工程学院，上海201620，中国

c 中国电力科学研究院南京分院，江苏南京210003，中国

d 华南理工大学电力学院，广州510640，中国

e 南京工业大学能源科学与工程学院，南京，211816，中国

f 国家电网上海市政电力公司，上海，200122，中国

2019年4月19日收到文章，2019年10月26日收到修订后的文章，2019年11月14日通过审核，2019年11月15日网上发表

摘要：通过对已退役电动汽车电池模块的性能测试，了解其衰减状态,比较不同的已退役电池模块的容量测试协议，在校准精度和测试时间之间取得平衡。结果表明，大部分模块没有严重的容量衰减，少数容量小于80% SOH的模块会导致整个电池系统的容量下降到80% SOH以下。模块层面的梯队式使用比模块层面的梯队式使用更有价值。由于冷空气从Pack 1侧面进入，并从Pack 2侧面退出，温度升高，Pack 2的容量衰减大于Pack 1。高容量并不总是与小电阻相关，这表明不同的模块经历了不同的老化过程。在额定功率25% ~ 200%的情况下，已退役电池储能系统仍具有良好的放电能力，可以满足电网的电能需求。针对退役模块，提出了1/3 C恒流无恒压过程的容量测试方案。

关键词：电动汽车；退役电池；梯次利用；功率特性；容量测试协议

1. 引言

化石能源资源的稀缺性和污染物排放的增加是对交通运输领域[1]的挑战。可再生能源驱动的电动汽车(EV)是解决这些挑战的一个可能的解决方案。尽管电动汽车是燃油汽车的替代品，但是电动汽车昂贵的电池仍然是阻碍电动汽车广泛使用的主要障碍之一。人们正在尝试解决负担得起的电动汽车的问题，如建立更高效的电池生产工厂[3]，开发新的低成本的高能量密度电池材料[4]和通过向网格(V2G)[5]提供车辆网络来增加电动汽车的附加价值。此外，梯级使用的退役电动汽车电池被认为是最有希望的方法之一，以降低电池成本，延长其使用寿命。早在2010年，Neubauer等人[6]就认为二次使用策略有可能成为未来汽车电车生命周期的一个常见部分。文献中有许多关于废旧电动汽车电池二次利用的研究。Tong et al.[7]验证了在离网光伏车辆充电系统中使用退役车辆电池的可行性，阐明了电池容量衰减的趋势。结果表明，在1C充放电和80%放电深度(DOD)条件下，试验细胞具有1400个循环寿命。Casals等人认为，电池重复使用将电池寿命延长了40%，在二次电力市场[8]中，电池参与储能服务是有利可图的。虽然通常认为decom的应用程序——使命电网储能电池是一个好主意,有很多需要解决的关键技术问题,如退休的精确和快速估算电池剩余容量、降解行为在二次利用率。Jiang等通过三种类型的回归方法对二次电池剩余容量进行估计，得出基于相关特征选择方法是可行的，估计误差在3%[9]以内。Omar等人在实验室环境中研究了两种LiFePO4 (LFP)细胞的降解性能。

细胞在1C充放电和100% DOD条件下先进行循环，直到其健康状态(SOH)低于80%。然后，这些电池被模拟第二次使用，他们的结果表明，这些低于80% SOH的电池在1C充电和在80% DOD范围内2C放电时，有超过1000个周期的寿命。Schuster等人评估了锂离子电池在日历寿命期间容量与阻抗的相关性，作为容量快速测试的基础，发现SOH快速测试必须参数化，且老化数据接近实际使用的[11]。Lai等人提出了一种基于神经网络的快速筛选方法，用于二次使用的大型退役锂离子电池，该方法的容量估计误差小于4%。Viswanathan等人[13]研究了电池在重复使用寿命中的性能，得出的结论是，这些退役电池的gird规定使用寿命还可以再延长15年，尽管在使用过程中需要更换一些电池。也有许多文献报道了废旧电池的经济效益。Han等人[14]认为二次电池储能系统的经济性与储能系统的购置、运行和维护费用有关。[15]认为，对所研究的风电场来说，电池的再利用是不值得的，但如果风能价格快速下降，则有可能是有利的。尽管如此，以往许多关于电池再利用的研究都集中在当电池上。电池在模块或封装方面的再利用研究相对较少，退役电池模块或封装的老化性能研究报道较少。此外，容量校准对于电动汽车电池的再利用也至关重要。国际标准化组织和协会为容量校准提供了基本的测试标准和分析方法，如ISO12405e4(2018)[16]、IEC62660e1（2018）[17]、和SAE-J1798（2008）[18]。为了测试和评估新电池的能量，已经做了大量的工作。然而，这些分析方法对废旧电池的有效性还有待验证。认为退役电池的再利用有事在于成文低，而退役电池的容量校准需要大量的时间。在校准精度和校准时间直接按可能村咋一个平衡。因此，废旧电池的容量测试方法值得未来的重复利用产业化探索。本文详细介绍了24个已退役的LFP电池模块在电动汽车上使用3年后的性能表征。此外，讨论了六种容量测试协议，以寻求校准精度与所需时间之间的平衡，并提出了一种最优的容量测试协议。本文的研究结果将为电动汽车蓄电池梯队化应用提供参考。

1. 实验
   1. 电池模块测试平台配置

退休的电池模块的测试平台是显示在图1中,它是由中央控制电脑(联想YangtianT4900v-00,中国),物理控制开关(牛电动gn - 216,中国),电池测试机(Bitrode ftv1 - 300 - 100,美国),电池模块(天津比克电池有限公司,中国),蝙蝠- tery管理体系(上海Qiansai电子有限公司,中国),数据线(Blekin有限公司,中国)和数据转换器ma -中国(Netgear JFS524,美国)。中央控制计算机用于充放电协议的编程和操作指令，测试数据的记录和存储。物理控制开关负责电源的开关状态。电池测试机(美国Bitrode FTV 1-300-100)用于电池模块的充放电。电池管理系统监控电池的状态，如温度、电压等。数据线和数据转换器控制数据传输。电池模块是研究对象。

• 1. 电池模块

奇瑞S18电动车的电池模块在使用三年后退役，这款车是2010年中国最大的汽车制造商之一生产的。电动汽车退役前总行驶里程不低于50000公里，电池系统循环次数不低于1000次。退役电池模块的研究工作从2017年开始。因此，退役电池模块至少有8年的日历寿命。首先将15个圆柱形的26650型LiFePO4单元并联成一个15P1S模块。然后将4个或6个15P1S模块串联成一个15P4S或15P6S模块，每个包由11个15P4S模块和一个15P6S模块串联组成。最后,整个电动汽车电池系统是由两包系列(显示在图2)。额定电压和容量的单细胞模块3.2 V and2.69 Ah,整个电动汽车电池系统的额定电压320 V,额定容量40啊。电动汽车电池系统的总能量容量为12.8 kWh。

• 1. 实验方法

使用模块电池测试仪对退役电池模块的容量进行表征，其程序参照标准《智能电网储能电池性能测试技术规范》(DB31/T817-2014，中国)[19]。退休与恒流模块出院(CC)的1/3 C (C3),直到整个模块的工作电压下降到2.7 n V或模块中的一个细胞的工作电压降至2.5 V, n的象征代表的系列。休息1小时后，与C3充电，直到整个模块的工作电压上升到3.65 n V，然后切换到恒压(CV)相，直到电流小于1/ 20 C (C20)。如果模块中一个电池的工作电压上升到3.75 V，则应立即停止充电并进入下一个步骤。断开1小时后，与C3一起放电，直至整个模块的工作电压降至2.7 n V，或模块内一个电池的工作电压降至2.5 V。还考虑了容量试验的其他充放电方案。第一种方案包括CC和CV程序，但充放电率分别为1 C (C1)[20]、1/5 C (C5)[21]和1/10 C (C10)[22]。第二种方案的充放电速率与C3相同，上下限截止电压相同，其中一种方案采用CC程序，而不采用CV程序，直到整个模块或一个细胞的上下限截止电压;另一种协议仅在整个模块的上、下截止电压下完成CC和CV过程。通过对不同的容量测试协议的比较，找出适用于已退役电池的容量测试协议，以平衡测试容量的准确性和测试的持续时间。直流内阻是指混合脉冲功率特性(HPPC)在标准中称为“电力辅助混合动力汽车的FreedomCAR电池测试手册”(DOE/ID -11069，美国)[23]。测试模块第一次收取50%电荷状态(SOC)然后休息2 h。之后,脉冲电流的测试模块被C1 10年代,休息了40年代,然后充电脉冲电流的1/2 C (C2) 10年代。关于直流内阻的计算，参考文献[24]。

图1奇瑞S18电动车电池模块测试平台

图2奇瑞S18电动汽车电池模块的布置

图3电动汽车电池系统所有退役模块的实际容量散点图

废旧电池作为一种电池储能系统，在为电力市场提供配套服务时，其功率特性是一个非常重要的参数。为了检测退役电池模块的连续放电能力，进行了不同恒功率下的功率特性试验。将退役电池模块的额定容量设定为额定容量的90%新的电池模块，即36Ah。的额定功率公关退役电池模块设置为0.461千瓦(Pr frac14; 36 Ah times; 3.2 V times; 4/1000 frac14; 0.461 kW)。退役电池模块先以33.3% Pr (0.154 kW)的恒功率充电至整个模块的工作电压上升到3.65 n V或一个细胞的工作电压模块中攀升至3.75 V,休息1 h,然后在不同的恒功率放电。

比如：50%,75%,100%,125%,150%,175%和200%的额定功率退役电池模块,分别,直到整个模块的工作电压下降到2.7 n V或模块中的一个细胞的工作电压降至2.5 V。

所有拆下的电池模块在25plusmn;2℃的条件下，在实验室进行了性能测试和评定。

1. 结果和分析

3.1 退役电池

3.1.1 能力特性

所有退役的模块从包装上拆卸下来后，都进行了基本的容量校准。图3为电动汽车电池系统各退役模块的实际容量散点图，表1为电池模块容量统计结果。图3中，红色条表示Pack 1模块的容量，蓝色条表示Pack 2模块的容量。从图3可以看出，Pack 1中的12个模块的容量均大于36ah (90% SOH)，其中10个模块的容量大于38ah，说明Pack 1中的模块的容量衰减较小。通过比较，Pack 2中的模块具有更大的容量衰落。有两个模块的容量是36至38啊(SOH超过90%),八个模块的容量是32到36啊(80% e90% SOH)和两个模块有能力28 e32啊(70% e80% SOH),这表明只有两个模块的包2 SOH小于80%。虽然电动汽车电池系统中的大部分模块整体上没有严重的容量衰减，但是一两个容量小于80% SOH的模块会导致整个电池系统的容量下降到80% SOH以下。由此可见，模块层面的梯队式电动汽车电池的使用价值大于模块层面的梯队式电动汽车电池的使用价值。此外，奇瑞S18电动汽车电池系统采用串行通风方式风冷。冷空气从包1的一侧进入并从包2的一侧流出。电池组的温度提升反过来从Pack 1包2,因为热空气在流动过程中,空气的冷却效果,包2不如Pack 1,导致更多的容量衰减的包2比1。为了降低电池的衰减，对电池组的风冷方式进行优化是非常必要的。

表1电池模块容量统计结果

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