劉仕強， 王 芳， 柳東威， 樊 彬， 任 山

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

磷酸鐵鋰動力電池梯次利用可行性分析研究

劉仕強， 王 芳， 柳東威， 樊 彬， 任 山

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

隨著電動汽車保有量的增加，從電動汽車上淘汰下的動力電池將大量出現(xiàn)。車用動力電池直接進入材料回收模式將造成資源的嚴(yán)重浪費。將淘汰的車用動力電池用于其他工況，實現(xiàn)動力電池的梯次利用，可以有效延長動力電池的全壽命周期，降低動力電池的使用成本，提高資源的有效利用率。以磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，通過常規(guī)循環(huán)和典型電網(wǎng)儲能工況循環(huán)，分析動力電池放電容量、直流內(nèi)阻、可用功率等特性參數(shù)的變化規(guī)律，研究磷酸鐵鋰動力電池電網(wǎng)儲能工況梯次利用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下，動力電池放電容量衰減速率不同。常規(guī)循環(huán)衰減較快，電網(wǎng)儲能工況衰減緩慢，但均遵循的線性關(guān)系衰減。淘汰的車用動力電池用于電網(wǎng)儲能工況，可有效增加約3年使用周期，大幅延長動力電池的壽命周期。

梯次利用；電動汽車；動力電池；電網(wǎng)儲能；磷酸鐵鋰

在電動汽車行業(yè)高速發(fā)展的幾年內(nèi)，磷酸鐵鋰動力電池是車用動力電池領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。隨著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，動力電池的車用壽命即將終結(jié)。因此，這些電池均面臨被處理的情況。

通常情況下，普遍認(rèn)為在電動汽車工況下，動力電池的放電容量衰減至初始容量的80%時即無法滿足車用要求，必須予以更換，以維持電動汽車的性能。隨著電動汽車保有量的增加，無法滿足電動汽車性能要求的動力電池將大量出現(xiàn)。在這種情況下，如果將動力電池直接進行拆解回收，勢必導(dǎo)致動力電池的絕大部分壽命未得到充分利用，造成資源的極大浪費，增加動力電池的使用成本[1-2]。

實際上，容量衰減至80%的動力電池仍然有較好的性能和較長的壽命，可以滿足一些對性能要求不苛刻的領(lǐng)域，例如電網(wǎng)儲能、削峰填谷、低速電動車、場地車等使用環(huán)境[3-4]。

本文依據(jù)QC/T743《電動汽車用鋰離子動力電池》及某典型電網(wǎng)儲能工況對磷酸鐵鋰動力電池進行常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲能工況模擬實驗，分析放電容量、直流內(nèi)阻、可用功率等表征動力電池壽命的性能指標(biāo)，研究動力電池的性能衰減規(guī)律，以實際實驗數(shù)據(jù)驗證磷酸鐵鋰動力電池電網(wǎng)儲能工況梯次利用的可行性。

1 測試方法及技術(shù)參數(shù)

實驗中首先根據(jù)QC/T 743《電動汽車用鋰離子動力電池》[5]進行常規(guī)循環(huán)，每隔100次循環(huán)測定動力電池的直流內(nèi)阻、可用功率等特性參數(shù)，直至動力電池的放電容量低于初始容量的80%時，認(rèn)定動力電池?zé)o法滿足電動汽車工況運行。完成1C常規(guī)循環(huán)后，根據(jù)電網(wǎng)儲能模擬工況進行儲能工況循環(huán)，每周測定動力電池的特性參數(shù)。

常規(guī)循環(huán)實驗的具體實驗方法為：(1)1C倍率充電至充電截止條件；(2)靜置30 min；(3)1C倍率放電至放電截止條件；(4)靜置30 min。

電網(wǎng)儲能模擬工況參照電網(wǎng)某處實際用電功率工況，經(jīng)整理擬合而得，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)儲能模擬工況

特性測試依據(jù)FreedomCAR的《功率輔助型混合動力汽車用動力電池測試手冊》中的混合功率脈沖測試(HPPC)進行，具體測試脈沖如圖2所示。

圖2 混合功率脈沖測試(HPPC)測試脈沖示意圖

測試過程中記錄各個時間點的電壓和電流值，根據(jù)手冊中的公式分別計算放電直流內(nèi)阻、充電直流內(nèi)阻、放電可用功率和充電可用功率。

2 實驗與分析

2.1 常規(guī)循環(huán)

實驗樣品首先進行常規(guī)循環(huán)。常規(guī)循環(huán)中動力電池進行滿充滿放，在每個循環(huán)中均可獲取實驗樣品的放電容量。動力電池樣品的初始容量為61.32 Ah，經(jīng)過2 529次循環(huán)，電池樣品的放電容量衰減至47.67 Ah，具體實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在循環(huán)過程中，動力電池的放電容量不斷變小。通過對結(jié)果進行擬合發(fā)現(xiàn)，循環(huán)過程中，動力電池樣品放電容量與循環(huán)次數(shù)呈高度線性關(guān)系。圖3中顯示的R2值說明曲線擬合度較高，符合放電容量衰減的趨勢。

常規(guī)循環(huán)過程中，每隔100次循環(huán)，測定動力電池的直流內(nèi)阻及可用功率等特性參數(shù)，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 動力電池常規(guī)循環(huán)直流內(nèi)阻變化

圖5 動力電池常規(guī)循環(huán)可用功率變化

圖4中是動力電池不同SOC狀態(tài)下的直流內(nèi)阻變化曲線。從圖4中可以看出，除SOC為10%以外，其他SOC下動力電池直流內(nèi)阻變化的趨勢基本相同。在實驗初期，測試樣品的直流內(nèi)阻上升較快，在500次循環(huán)之后，測試樣品的直流內(nèi)阻值波動較大，并且有小幅增大趨勢。由于動力電池的直流內(nèi)阻受溫度影響較大，而該實驗在室溫下進行，并且持續(xù)時間較長，因此直流內(nèi)阻值波動的原因可能是環(huán)境溫度變化。

從圖5中可以看出，10%SOC時的可用功率呈不斷衰減趨勢，在整個循環(huán)過程中變化較為明顯。20%SOC時的可用功率在循環(huán)次數(shù)超過2 000次后，亦不斷衰減，變化較大。但是其他SOC下的可用功率在經(jīng)過循環(huán)初期的快速衰減后，一直處于不斷波動，小幅下降的狀態(tài)。

在該動力電池的放電容量低于初始容量的80%時，認(rèn)為單次充電的續(xù)駛里程不能滿足電動汽車的要求，判定該動力電池的車載壽命終結(jié)。課題組將該動力電池進行電網(wǎng)儲能工況下的模擬實驗，研究該廢舊動力電池應(yīng)用于電網(wǎng)儲能工況的可行性。

2.2 電網(wǎng)儲能工況循環(huán)

動力電池用于儲能系統(tǒng)的主要作用是對電網(wǎng)負(fù)荷進行峰谷調(diào)節(jié)，為局域網(wǎng)提供緊急功率和峰荷的電力支持，平抑電網(wǎng)充電行為的隨機性，控制電網(wǎng)負(fù)荷波動，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

動力電池依據(jù)圖1所示的儲能模擬工況進行電網(wǎng)儲能工況模擬實驗。該工況持續(xù)實驗為6 h，相當(dāng)于電網(wǎng)儲能系統(tǒng)運行24 h。從圖1中可以看出，該工況的強度遠(yuǎn)低于電動汽車模擬工況(新的標(biāo)準(zhǔn))，主要體現(xiàn)在電流倍率小，而且充放電轉(zhuǎn)換時間長。在實驗過程中，每天運行4次電網(wǎng)模擬工況，然后測定電池的1C放電容量。完成一周測試后，測定動力電池的特性參數(shù)。圖6顯示的是電網(wǎng)儲能模擬工況測試中動力電池放電容量的衰減曲線。

圖6 動力電池電網(wǎng)儲能工況放電容量變化

圖6中的擬合曲線顯示，動力電池在儲能工況運行過程中放電容量與實驗時間呈線性關(guān)系衰減。與常規(guī)循環(huán)相比，初始容量不同，而且兩個擬合曲線的斜率也不同，電網(wǎng)儲能工況的斜率絕對值更小，說明在電網(wǎng)儲能工況下運行時，動力電池放電容量衰減速率更慢。圖7和圖8分別是動力電池儲能工況下直流內(nèi)阻和可用功率的變化。

圖7 動力電池電網(wǎng)儲能工況直流內(nèi)阻變化

圖8 動力電池電網(wǎng)儲能工況可用功率變化

從圖7中直流內(nèi)阻的變化情況可以看出，在儲能工況實驗中，動力電池的直流內(nèi)阻受到實驗環(huán)境溫度的影響，在1.5 mΩ附近波動。在常規(guī)循環(huán)末期，動力電池的直流內(nèi)阻值在2.0～2.5 mΩ，而儲能工況中動力電池的直流內(nèi)阻一直處于1.5 mΩ附近，說明儲能工況的負(fù)荷強度要小于常規(guī)循環(huán)。

圖8中動力電池可用功率變化更加明顯地說明，相比于1 C倍率循環(huán)，儲能工況實驗中，實驗負(fù)荷強度降低。常規(guī)循環(huán)末期，動力電池的可用功率不斷下降。10%SOC時，最低值約為300 W，相當(dāng)于初始可用功率的23%左右。但是經(jīng)過一段時間的儲能工況實驗，動力電池的可用功率明顯回升，所有SOC下的可用功率均為1 000 W左右。10%SOC時，最低值約為900 W。由此可見，由于實驗的負(fù)荷強度降低，動力電池的性能有一定程度的反彈，各特性參數(shù)有一定程度的回升。

雖然性能有所反彈，但是動力電池的放電容量不斷衰減，不過衰減速率不同。以同樣衰減至初始容量的40%為例，分別計算常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲能模擬工況所需時間，如表1所示。在1C常規(guī)循環(huán)中，每個循環(huán)周期約為3 h，一天可以完成8次循環(huán)。電網(wǎng)儲能工況中，每個循環(huán)6 h，一天可以完成4次循環(huán)。

表1 不同工況下動力電池放電容量衰減時間表

表1中列出在不同工況下，當(dāng)動力電池放電容量衰減至初始容量的40%(24.0 Ah)時，需要的循環(huán)次數(shù)、循環(huán)時間、剩余循環(huán)時間。

從表中可看出，按照擬合的規(guī)律計算動力電池放電容量衰減至80%的次數(shù)約為2 455.73次，與實際實驗得到的2 529次循環(huán)比較接近，說明擬合度較高。正常情況下，動力電池以預(yù)定規(guī)律衰減，繼續(xù)以1C倍率進行循環(huán)實驗，放電容量衰減至40%時約需要511.675天；如果將動力電池用于電網(wǎng)儲能領(lǐng)域，可以繼續(xù)使用850天左右。

在電動汽車領(lǐng)域，當(dāng)動力電池放電容量衰減至80%時，其續(xù)駛里程以及其他性能均無法滿足電動汽車工況要求，動力電池的車載壽命宣告終結(jié)。

在這種情況下，將電動汽車領(lǐng)域淘汰的動力電池用于儲能領(lǐng)域，可以繼續(xù)滿足電網(wǎng)儲能的要求，可以極大程度地延長動力電池的使用壽命，大幅度降低動力電池的全壽命周期的使用成本，提高資源的利用率。

3 結(jié)論

本文以磷酸鐵鋰動力電池為測試對象，依據(jù)QC/T743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》和某典型電網(wǎng)儲能模擬工況，通過常規(guī)循環(huán)和儲能工況實驗，分析實驗中測試樣品放電容量、直流內(nèi)阻及可用功率的變化規(guī)律，驗證磷酸鐵鋰動力電池進行梯次利用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)常規(guī)循環(huán)和儲能工況循環(huán)中，動力電池放電容量隨實驗時間呈線性衰減，符合的關(guān)系式。不同工況中，關(guān)系式的具體參數(shù)不同，放電容量的衰減速率不同。常規(guī)循環(huán)的衰減速率高于電網(wǎng)儲能工況循環(huán)；

(2)常規(guī)循環(huán)中放電容量衰減至初始容量的80%的動力電池可以繼續(xù)用于電網(wǎng)儲能領(lǐng)域，以初始容量的40%為壽命終結(jié)點時，可繼續(xù)使用約800天；

(3)磷酸鐵鋰動力電池可以進行常規(guī)循環(huán)和電網(wǎng)儲能工況梯次利用，有利于延長電池的使用壽命，降低電動汽車用磷酸鐵鋰動力電池的使用成本，節(jié)約資源，提高資源的利用率。

[1]馬偉強，張彩萍.梯次利用車用電池儲能系統(tǒng)初探[J].科技視界，2012，30：70-71.

[2]李香龍，陳強，關(guān)宇，等.梯次利用鋰離子動力電池實驗特性分析[J].電源技術(shù)，2013,37(11):1940-1943.

[3]徐晶.梯次利用鋰離子電池容量和內(nèi)阻變化特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4]王澤眾，李家輝.電池梯次利用儲能裝置在電動汽車充換電站中的應(yīng)用[J].電氣自動化，2012,34(6):49-50.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.QC/T743-2006.電動汽車用鋰離子蓄電池[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Analysis and research on feasibility using of LFP battery echelon

As the increasing of NEV holdings,there would be lots of batteries retiring from electric vehicles.It was great waste if these batteries were put into materials recycling phase.So making these batteries would be used in other fields,that could carry the battery echelon use out,extend the battery life,reduce the cost of batteries,and rise the resource utilization.LFP power battery was taken as example,via normal cycle and net grid energy storage cycle,and the attenuation rule of capacity,resistance,and available power were analyzed,research on the feasibility of battery echelon use was done.The rate of capacity decay in different situation was different,it was larger in normal cycle,but they all followed.And there was about 3 years when the batteries retired from EV were used in net grid energy storage situation,so it did great benefit to extend the battery life and reduce the cost.

echelon use;electric vehicle;LFP battery;Net Grid Energy Storage

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0521-04

2015-08-21

國家“863”高技術(shù)項目(2014AA052211)

劉仕強(1985—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向為動力電池及其測試評價技術(shù)。