范茂松，金 翼，楊 凱，高 飛，李相俊，來小康

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退役LiFePO4電池性能測評及儲能應(yīng)用

范茂松，金 翼，楊 凱，高 飛，李相俊，來小康

（中國電力科學(xué)研究院有限公司新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，北京 100192）

針對某電動公交車退役LiFePO4動力電池，測試了電池的容量、直流內(nèi)阻、常溫下的儲存性能，進而測試電池的倍率充放電性能、高低溫特性和循環(huán)性能，分析了新舊電池相關(guān)參數(shù)的差異及變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，重組電池模組，測試其循環(huán)性能；最后集成了1MW·h梯次利用電池儲能系統(tǒng)并參與風(fēng)電平滑。結(jié)果顯示，該動力電池容量衰退初始容量75%左右時，直流內(nèi)阻只有小幅增加，電池常溫下的儲存性能、倍率性能、高低溫性能下降不顯著，電池單體和模塊的循環(huán)性能良好，顯示出該退役LiFePO4電池具有較好的梯次利用價值。

退役電池；磷酸鐵鋰；性能測評；梯次利用

儲能技術(shù)有助于解決太陽能、風(fēng)能發(fā)電的間歇性和波動性，提高電力供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量[1-3]。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)在儲能領(lǐng)域應(yīng)用上具有很好的技術(shù)優(yōu)勢，但其過高的成本成為電力儲能技術(shù)推廣應(yīng)用的最大障礙。退役動力電池的梯次利用為儲能系統(tǒng)的低成本化提供了一種途徑，我國2017年電動汽車汽車銷售77.7萬輛，這些電動汽車用鋰離子電池經(jīng)長期車載使用，當(dāng)其容量、功率、安全等性能無法滿足應(yīng)用需求時就會從電動汽車上退役，退役電池中大多數(shù)還具有較高的剩余容量（一般在初始容量的70%～80%），若梯次利用于儲能領(lǐng)域，可提高動力電池的全壽命周期價值，降低儲能工程造價，有利于電動汽車及儲能技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進節(jié)能減排，具有良好的經(jīng)濟與社會價值[4-5]。

隨著未來動力電池退役量的快速增加，近年來國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)在動力電池梯次利用可行性[5-9]、梯次利用電池性能評估[10-13]、梯次利用電池儲能應(yīng)用[14-17]、梯次利用的經(jīng)濟性評價[18-20]等方面上開展了很多研究工作。本研究將測評某退役磷酸鐵鋰動力電池的剩余容量、內(nèi)阻、儲存性能、倍率性能、高低溫性能、循環(huán)壽命等多項關(guān)鍵性能，在此基礎(chǔ)上重組電池模塊，測試電池模塊循環(huán)壽命，集成1 MW·h電池儲能系統(tǒng)并參與風(fēng)電平滑，該研究將為梯次利用電池儲能應(yīng)用提供有益的參考。

1 電池單體性能測評

本研究采用的電池為某電動公交車退役的動力電池，該電池正極為磷酸鐵鋰、負極為石墨，電解液為LiPF6（EC∶DEC∶EMC體積比為1∶1∶1），新電池的額定容量為200 A·h，直流內(nèi)阻在0.38～0.40 mΩ之間。

1.1 電池容量

在室溫下(25±2)℃，以0.5C（100 A）對電池進行3次充放電，電壓范圍2.0～3.8V，最后保持滿電狀態(tài)，最后一次放電容量記為電池的容量0。

對抽樣36支電池放電容量進行了統(tǒng)計，其中最大放電容量162.51 A·h，最小放電容量147.39 A·h，容量極差為15.12 A·h，為額定容量的7.56%。圖1為電池容量的分布圖，由圖可見，放電容量大于150 A·h的電池占總數(shù)的80.56%，大于160A·h的占11.11%。該電池成組時的容量范圍為(200±3)A·h，經(jīng)過幾年車載使用后，大部分電池的剩余容量在額定容量的75%以上。退役后雖然電池之間的容量差異有所增大，但容量極差在10%以內(nèi)，仍具有較好的一致性。

圖1 單體電池放電容量分布

1.2 電池直流內(nèi)阻

1.2.1 電池在不同荷電狀態(tài)（state of charge，簡稱SOC）下的直流內(nèi)阻

選擇6支電池進行不同SOC下（90%、75%、50%、25%和10%）的直流內(nèi)阻測試，測試方法如下：室溫下以100 A電流將電池調(diào)整至目標(biāo)荷電狀態(tài)，擱置120 min，記錄開路電壓1；電池以300 A恒流放電30 s，記錄末端電壓2。直流內(nèi)阻DCIR的計算見式(1)。

DCIR=(1-2)/300A （1）

圖2為不同SOC下電池的直流內(nèi)阻，電池在75%SOC下的DCIR最小，在90%和50%SOC下的DCIR有所增大，從25%SOC開始隨著SOC的下降DCIR快速增大，這種變化趨勢是由LiFePO4/人造石墨材料體系的放電特性決定的，在放電末期，石墨負極的嵌鋰阻抗顯著增大，導(dǎo)致在較低SOC時直流內(nèi)阻迅速升高?？紤]到梯次利用電池儲能應(yīng)用時，通常不是100%DOD充放電，因此選擇25%SOC狀態(tài)下，測試抽樣的36支電池直流內(nèi)阻。

1.2.2 電池在25%SOC下的直流內(nèi)阻

對電池在25%SOC下的直流內(nèi)阻進行了測試，圖3為36支電池的直流內(nèi)阻分布圖，最小直流內(nèi)阻值為0.442 mΩ，最大直流內(nèi)阻為0.503mΩ，電池直流內(nèi)阻極差為0.061mΩ。電池直流內(nèi)阻大部分在0.44～0.48 mΩ之間，占比83.33%。相比于電池的初始直流內(nèi)阻（0.38～0.40mΩ），該退役動力電池在經(jīng)過4年的車載使用后，直流內(nèi)阻增加了15%～20%左右，且直流內(nèi)阻也更加分散。電池直流內(nèi)阻的增加也直觀地反映了電池健康度的降低，這與電池界面SEI膜厚度增加、電解液消耗、材料接觸變差等都有關(guān)系。

圖2 電池在不同SOC下的直流內(nèi)阻

1.3 電池荷電保持能力

荷電保持能力測試參見動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)[21]，圖4為36支電池的容量保持率分布圖，圖5為36支電池容量恢復(fù)率分布圖。這些電池中，容量保持在96.00%以上的占94.44%；所有電池的容量恢復(fù)率都在98.00%以上，可見在測試的樣品中，不存在明顯微/內(nèi)短路的安全隱患，且該退役電池具有良好的荷電保持能力，體現(xiàn)出鋰離子電池低自放電率的特性。

圖3 電池在25%SOC下的直流內(nèi)阻分布圖

圖4 電池容量保持率分布圖

圖5 電池容量恢復(fù)率分布圖

1.4 電池倍率性能

在室溫下測試了電池在0.2 C、0.5 C、1.0 C和2.0 C倍率下的充放電性能，圖6為電池不同倍率下的充放電曲線，表1為電池倍率性能測試數(shù)據(jù)。電池2 C倍率下的充電容量為0.2 C倍率下的97.602%，2 C倍率下的放電容量為0.2 C倍率下的97.595%。該型號的新電池2 C倍率充電容量為0.2 C的98.98%，2 C倍率放電容量為0.2 C的99.57%，與新電池相比，該退役電池倍率充放電性能有所下降，這與其經(jīng)過長期使用后直流內(nèi)阻增大有關(guān)，但總體上衰減并不顯著。

圖6 電池倍率充放電曲線

表1 電池倍率性能

1.5 高低溫充放電性能

1.5.1 測試方法

由于石墨負極脫鋰過程的化學(xué)擴散系數(shù)高于擴散系數(shù)，因此其充電和放電的最低溫度不同，在本研究中，充電最低測試到-10 ℃，放電最低測試到-30 ℃，具體方法如下。①充電性能：電池常溫下0.5 C恒流放電至2.0 V；將電池放置在設(shè)定溫度環(huán)境下（25 ℃、45 ℃、60 ℃、0 ℃、-10 ℃）擱置12 h，之后以0.5 C恒流充電至3.6 V。②放電性能：電池常溫下0.5 C恒流充電至3.6 V；將電池放置在設(shè)定溫度環(huán)境下（25 ℃、45 ℃、60 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃）擱置12 h，之后以0.5 C恒流放電至2.0 V。

1.5.2 不同溫度下的充放電性能

圖7為電池在不同溫度下的充放電曲線，表2為電池在不同溫度下的充放電數(shù)據(jù)。在充放電時，隨著環(huán)境溫度的降低，電池的充放電容量也逐漸減小。0 ℃下充電容量為25 ℃時的91.73%，-10 ℃下充電容量只有25 ℃時的83.57%；在-30 ℃放電時，開始階段電壓迅速下降，然后出現(xiàn)了一個緩慢的電壓回升，這是因為在-30 ℃下，電池內(nèi)阻明顯增大，所以在開始階段，出現(xiàn)電壓的迅速下降，隨著放電的進行，電池內(nèi)部不斷產(chǎn)生熱量，使電池內(nèi)部溫度升高，內(nèi)阻下降，出現(xiàn)了電壓的回升現(xiàn)象。該電池在0 ℃時的放電能量為25 ℃下的94.92%，在-30 ℃下雖然放電容量大于25 ℃時的90%，但放電能量僅為25 ℃時的79.13%；因此，為充分發(fā)揮退役動力電池性能，使用時的環(huán)境溫度應(yīng)控制在0 ℃以上。

1.6 電池單體循環(huán)壽命

在36支電池容量占比最大的150～155A·h范圍內(nèi)，選取2支容量接近的電池，測試了其在室溫下0.5 C倍率100%DOD下的循環(huán)性能，圖8為電池容量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。在初期的200次循環(huán)過程中，電池放電容量隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)小幅上升，這可能由于電池在測試前長期放置，充放電過程中鋰的活性逐漸恢復(fù)有關(guān)，200次循環(huán)后電池容量隨循環(huán)次數(shù)的增加基本呈線性衰退。22#電池最大放電容量為150.86A·h，4000次循環(huán)后剩余容量為140.31A·h，容量保持率為93.01%；27#電池最大放電容量為151.12A·h，4000次循環(huán)后剩余容量為141.53A·h，容量保持率為93.65%；由此可見，該退役電池在室溫較低倍率下仍具有良好的循環(huán)特性。

圖7 電池不同溫度下充放電曲線

表2 電池在不同溫度下的充放電性能

2 電池模塊循環(huán)壽命

基于容量、直流內(nèi)阻、荷電保持能力等參數(shù)的一致性，篩選出8只退役電池串聯(lián)成一個電池模塊，室溫下測試了電池模塊在0.5 C、100%DOD的循環(huán)特性。圖9為電池模塊容量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，在最初50次循環(huán)模塊有小幅的上升，之后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低。電池模塊最大放電容量為151.53 A·h，循環(huán)1000次后，剩余容量145.59 A·h，容量保持率為96.08%，可見該退役電池成組后仍具有很好的循環(huán)性能。

圖8 電池單體在室溫下的循環(huán)性能

3 梯次利用電池儲能系統(tǒng)測試

采用該退役動力電池集成了1套250kW/ 1MW·h儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)拓撲如圖10所示。8支電池串聯(lián)構(gòu)成電池模組，30個模組串聯(lián)構(gòu)成電池簇，10簇并聯(lián)構(gòu)成電池系統(tǒng)，配置1臺250 kW的雙向變流器。圖11為該儲能系統(tǒng)中電池250 kW下的充放電曲線，電池充電能量為1093.6 kW·h，放電能量為1042.3 kW·h，電池能量效率為95.31%。

圖9 電池模塊循環(huán)性能

圖10 梯次利用電池儲能系統(tǒng)拓撲圖

圖11 梯次利用系統(tǒng)中電池充放電曲線

以3 MW風(fēng)電發(fā)電機組歷史運行數(shù)據(jù)為輸入量，利用含梯次利用電池的多類型電池儲能系統(tǒng)，將風(fēng)儲聯(lián)合出力10 min波動率10%作為控制目標(biāo)，電池儲能系統(tǒng)的額定功率500 kW，總?cè)萘?.0 MW·h。其中，常規(guī)磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的額定功率250 kW，總?cè)萘? MW·h；梯次利用電池儲能系統(tǒng)額定功率250 kW，總?cè)萘? MW·h?？刂菩Ч鐖D12和13所示。

圖12 風(fēng)電和儲能出力曲線

在圖12中，藍色為風(fēng)電出力曲線，紅色為儲能出力曲線，綠色為風(fēng)儲聯(lián)合出力曲線。在儲能出力的作用下，風(fēng)儲聯(lián)合出力的波動要遠小于風(fēng)電出力的波動。如圖13所示，在沒有儲能的情況下，風(fēng)電波動率遠超過波動率限制值10%，且出現(xiàn)的頻率很高。在儲能系統(tǒng)的平滑作用下，風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電的波動率已全部控制在10%以內(nèi)。

圖13 風(fēng)電以及風(fēng)儲10分鐘波動率

4 結(jié) 論

本文測評了某退役磷酸鐵鋰動力電池的容量、內(nèi)阻、儲存性能、倍率性能、高低溫性能和循環(huán)性能等主要特性，重組電池模組，測試了電池模組的壽命特性；集成了1 MW·h儲能系統(tǒng)并參與風(fēng)電平滑，主要結(jié)論如下。

（1）退役電池間的容量差異相對于新電池顯著增加，直流內(nèi)阻增大15%～20%，電池仍具良好的荷電保持能力，檢測的電池樣品不存在微/內(nèi)短路的安全隱患。

（2）與新電池相比，該退役電池的倍率性能有所下降，高低溫放電性能衰減不大；電池單體和模組在室溫下仍具有良好的循環(huán)特性，且放電容量與循環(huán)次數(shù)基本呈線性關(guān)系，顯示出該退役LiFePO4電池具有較好的梯次利用價值。

（3）采用該電池集成1 MW·h電池儲能系統(tǒng)，聯(lián)合1 MW·h新電池儲能系統(tǒng)，參與風(fēng)電平滑，可實現(xiàn)將風(fēng)儲10 min波動率控制在10%以內(nèi)。

雖然不同廠家和型號的退役動力電池性能水平不盡相同，但本文相關(guān)測試項目及方法，可以為評價退役動力電池的性能及其梯次利用提供有益參考。

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Testing of the performance and energy-storage applied for retired LiFePO4batteries

,,,,,

(State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The capacity, DC internal resistance and storage performance at room temperature have been tested for LiFePO4batteries retired from electric bus. The charge/discharge rate performance, temperature performance, cycle performance have also been tested. The difference and change regulation of parameter between new batteries and retired batteries have also been analyzed. Then the batteries were recombined and the cycle performance of model have been tested. 1 MW·h secondary use batteried energy-storage system were integrated and participated in wind-power smoothing. The results show that DC internal resistance of battery increase a little, storage performance at room temperature, rate performance and temperature performance decrease slightly, the cycle performance of cell and model is still good, when the capacity of LiFePO4battery decreased to about 75% of the initial capacity. These results show that the retired EV batteries has good reuse value.

retired batteries; lithium iron phosphate; performance testing; secondary use

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0204

TM 912.1

A

2095-4239（2019）02-408-07

2018-10-11；

2018-11-20。

國家電網(wǎng)有限公司2016年科技項目（DG71-16-009）。

范茂松（1982—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為儲能技術(shù)，E-mail：fanmaosong3@epri.sgcc.com.cn。