劉雨晴，李建林，張劍輝，馬速良

(1.北方工業(yè)大學，北京市 石景山區(qū) 100144；2.北京海博思創(chuàng)科技股份有限公司，北京市 海淀區(qū) 100080)

0 引言

隨著環(huán)境污染和資源緊缺問題的日益突出[1]，政府推出了多項新能源汽車鼓勵政策，大力呼吁使用新能源汽車。在推行環(huán)保理念的大環(huán)境以及國家政策幫扶的有利形勢下[2]，近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式增長，據(jù)公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年6月底，在新能源產(chǎn)業(yè)銷量統(tǒng)計中，純電動汽車占比超過 75%[1]。電動汽車銷量激增，使其成為汽車市場不可忽視的一份子。國家“十三五”規(guī)劃提出，2020年實現(xiàn)當年新能源汽車產(chǎn)銷200萬輛以上，累計產(chǎn)銷超過500萬輛[3]。但隨之而來的是動力電池性能隨充放電點次數(shù)增加而下降問題，當動力電池容量下降至80%時便無法供應電動汽車正常工作，需要及時退役。隨著電動汽車銷量的增加，從汽車上退役下來的動力電池保有量會持續(xù)升高，預計到2029年，全球新能源汽車每年將約有108 GW·h(300萬個電池包)動力電池退役，因此處理從電動汽車上淘汰下來的退役電池，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的關鍵問題[3]。

從電動汽車上退役下來的動力電池仍含有80%的電池容量，若直接對其進行拆解回收會大大消耗電池的應用壽命，減少相應的能源利用率。如若通過回收篩選重組可將其合理運用到相對溫和的應用場景下[4]，退役電池可以繼續(xù)工作，電池的性能得到充分的發(fā)揮，同時進一步提高能源的利用率，防止廢棄電池污染環(huán)境，因此，退役電池的梯次利用應運而生。

然而，動力電池使用之后內(nèi)部的結構會存在不同的變化，近年來退役電池所引發(fā)的安全事故接連發(fā)生，引起業(yè)界的強烈關注。國家發(fā)布多項規(guī)定嚴格要求電池梯次利用環(huán)節(jié)的規(guī)范安全，堅持退役電池的梯次利用必須把保證其安全性[5]。在經(jīng)過車載長期使用后，退役動力電池可能會存在內(nèi)部枝晶生長、內(nèi)部結構變化、阻抗增加等問題，其所存在的安全隱患增加；此外，各退役電池在電動汽車階段的使用環(huán)境、工作情況不同，所以各退役電池的安全問題不同，退役動力電池的梯次利用安全性評估也就變得更加困難[6]。因此，本文從國家政策、退役電池分選以及退役電池的梯次利用環(huán)節(jié)存在的安全問題進行分析，提出退役電池的檢測管理措施，明確未來電池的安全性研究方向，保證梯次利用項目的安全性，推動梯次利用環(huán)節(jié)的深入發(fā)展。

1 國內(nèi)外梯次利用及安全性政策

1.1 國外梯次利用相關法規(guī)

美國、德國和日本等很早便關注到動力電池的梯次利用模塊，目前也已經(jīng)頒布了較為完整全面的法律法規(guī)，廢舊動力電池的梯次利用和回收系統(tǒng)也已較為成熟，為其新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了關鍵的支撐條件。

美國采用消費者押金制度，督促消費者配合進行廢舊電池的回收工作。同時國家立法規(guī)定電池生產(chǎn)者需要承擔一定的電池回收費用，而動力電池回收企業(yè)會以相對優(yōu)惠的價格將提純的原料出售給生產(chǎn)方，形成良性合作的循環(huán)結構，促進廢舊動力電池回收體系的運轉[7]。

德國通過制定法規(guī)建立了一套完整的廢舊電池回收體系，明確規(guī)定了電池回收的責任。依據(jù)法規(guī)制度規(guī)定，動力電池的生產(chǎn)者以及進口商需要在政府完成登記，而銷售商的責任既是配合電池生產(chǎn)企業(yè)組織建立回收機制，又要幫助購買者明確免費回收電池的地方以及方法，同時用戶被賦予的責任是將廢舊電池上交給指定回收機構。由于法規(guī)表明了回收電池工作的主要責任交由電池的生產(chǎn)者承擔，因此各生產(chǎn)廠家積極參與到廢舊動力電池的回收工作中。例如，德國大眾、寶馬等汽車公司在生產(chǎn)電池的同時也已經(jīng)開始考慮廢舊電池梯次利用以及回收的相關工作研究[8]。

1.2 國內(nèi)梯次利用及安全性相關政策

關于新能源汽車退役電池的梯次利用，早在2010年國家便發(fā)布了《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》征求意見稿，計劃推進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術發(fā)展，制定了發(fā)展目標及主要任務，鼓勵新能源汽車行業(yè)全速發(fā)展。順應政府策略的部署，全國上下新能源汽車的產(chǎn)量快速增長，其中最受歡迎的便是電動汽車，電動汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步前進，持續(xù)向好。但同時，隨之持續(xù)增長的車用退役電池成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大難題，為此，2012年，國務院印發(fā)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》的通知，進一步明確了大力發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn)略部署，積極開展新能源汽車試點示范，同時提出要制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系。

針對車用退役電池的安全問題，2016年，政府為規(guī)范行業(yè)發(fā)展，推進資源綜合利用，發(fā)布了《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》，要求廢舊電池綜合利用企業(yè)在回收處理的各個流程中嚴格遵守國家的規(guī)定，構建質量監(jiān)管制度，保障回收利用的安全。2018年，各部門聯(lián)合印發(fā)了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》(下文簡稱辦法)。辦法規(guī)定了廢舊電池的回收要求，明確了回收相關方責任，在安全可控的前提下鼓勵先梯次利用后再生利用，推進廢舊動力電池的綜合利用。另一方面，辦法再次強調(diào)了梯次產(chǎn)品的質量和安全問題，要求建立完善的溯源信息系統(tǒng)。2020年發(fā)布的《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法(征求意見稿)》，致力于保障梯次利用產(chǎn)品的質量，對梯次利用環(huán)節(jié)進行詳細規(guī)定，確保梯次利用的安全性。此外，國家對于梯次回收利用相關的標準不斷修訂補充，包括電池余能檢測和拆解規(guī)范等，如表1所示。

圖1 車用退役電池梯次利用流程圖

表1 我國回收及梯次利用相關標準

上述政策分析表明國內(nèi)外愈發(fā)重視梯次利用及其安全性工作的開展，退役電池梯次利用的流程如下圖1所示，關于電池的拆解環(huán)節(jié)行業(yè)規(guī)范，國家給出了相對明確的規(guī)定，因此本文將主要從退役電池分選環(huán)節(jié)以及重組環(huán)節(jié)的安全性進行分析，指出目前梯次利用工程存在的安全隱患以及應當采取的檢測管控措施。

2 退役電池梯次利用分選環(huán)節(jié)

2.1 退役動力電池狀態(tài)評估

退役動力電池在進行梯次利用之前需要對其狀態(tài)進行評估，便于將其二次運用到適合的場景，主要包括檢測電池容量、內(nèi)阻等參量，判斷其所存在的安全隱患。目前退役電池狀態(tài)的評估主要包括電池健康狀態(tài)(state of health, SOH)評估和電池剩余容量的估算。

電池健康狀態(tài)衡量了電池的老化程度，電池剩余容量則描述了電池的續(xù)航性能，即可以通過電池剩余容量判斷其工作時間[9]。兩者均可以較為明確地顯示退役電池的性能指標，表征退役電池的老化程度，為后續(xù)電池的篩選重組提供參數(shù)依據(jù)。

但無論是電池健康狀態(tài)還是電池剩余容量都無法表征電池內(nèi)部的結構變化，退役電池內(nèi)部安全隱患的隱蔽性強[6]，目前并沒有系統(tǒng)成熟的技術可以準確判斷電池內(nèi)的結構變化，為后續(xù)梯次利用工作留下了一定的安全隱患。另一方面，退役電池評估環(huán)節(jié)耗時長，效率低，目前國內(nèi)外開始研究大數(shù)據(jù)進行電池篩選，無需進行充放電等一系列實驗測檢，降低時間成本，更為科學經(jīng)濟[10]。但是目前的退役電池缺乏歷史數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)開展工作受阻，若未來建立起完善的電池溯源體系，大數(shù)據(jù)篩選便暢通無阻，退役電池的篩選環(huán)節(jié)也更安全快速。

業(yè)內(nèi)學者也意識到電池檢測的不準確會引發(fā)后續(xù)工作的安全問題，因此提出了依據(jù)各場景下的電池參數(shù)檢測。例如，文獻[11]通過實驗定量分析容量曲線的差異，利用羅曼諾夫斯基準則證明了以單體的CD-OCV特性為篩選依據(jù)可以更為準確地判斷單體電池狀態(tài)，有利于后續(xù)電池的分選重組。

2.2 退役動力電池一致性分選

動力電池單體在制造過程中會由于生產(chǎn)工藝誤差而導致各單體間差異的存在，甚至同一型號電池間也會存在容量、內(nèi)阻等參數(shù)的不一致。此外，長期使用過程中，各單體連接結構、環(huán)境溫度等的不同也會導致各單體間的差異會加倍放大，梯次電池的不均衡現(xiàn)象更為明顯[12]。通常情況下，在工程實際中會以多個單體電池串并聯(lián)的形式進行使用[13]，所以退役動力電池中每個電池模組的離散程度會更大。

退役電池組的不一致性將會直接影響電池組的壽命和安全性：在電池組充放電的過程中，由于單體不一致性的存在，導致部分單體會有過充過放現(xiàn)象出現(xiàn)，破壞電池內(nèi)部的結構從而降低電池的壽命[14]；單體間內(nèi)阻不同也會導致工作過程中各電池產(chǎn)熱不同，內(nèi)阻大的電池會產(chǎn)生更多的熱量，單體電池溫度升高，從而造成電池組內(nèi)溫度分布不均，甚至導致局部溫度過高，造成熱失控現(xiàn)象[13]。

因此，在對退役動力電池進行重組梯次利用時，必須要考慮到不一致性帶來的弊端，對退役電池進行合格的電池篩檢，采取優(yōu)化分選技術，提高退役電池分選重組的一致性[14]。基于此，部分研究致力于改善單體以及電池組內(nèi)的不一致性，文獻[12]通過實驗研究提出，采用均衡電路拓撲結構及主動均衡技術可解決儲能系統(tǒng)支路電池一致性差的問題，提高電池組整體壽命和系統(tǒng)能源利用率，降低系統(tǒng)的安全隱患。

然而，在實際生產(chǎn)回收過程中，退役動力電池的拆解技術有限，將退役電池無損拆解到電池單體難度較大，難以避免拆解過程中出現(xiàn)安全問題[15]。此外，無損拆解耗時耗力，所需成本較大，將退役電池拆解到電池模組級別進行梯次利用是最合理的方式[16]。但是同時電池模組的一致性分析難度也隨之增大[15]，目前對于模組電池的檢測評估還只是沿用單體電池的檢測評估技術，無法準確檢測電池模組內(nèi)的參數(shù)，難于確保電池模組的一致性，需要根據(jù)模組電池的老化及不一致特性研究更適合其檢測評估的技術[16]。

2.3 退役動力電池安全隱患

通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)退役電池的篩選環(huán)節(jié)確實存在一定的安全問題，使用之后的老化電池內(nèi)部結構物質會發(fā)生不同程度的變化，主要外在表現(xiàn)為其容量衰減、內(nèi)阻增大等，同時老化電池的耐過充能力以及熱穩(wěn)定性也會降低，甚至引發(fā)熱失控現(xiàn)象[17-18]。此外，老化鋰離子電池以及不合理電池設計會導致鋰離子電池內(nèi)短路的出現(xiàn)，電池內(nèi)短路往往會引起電池局部熱失控現(xiàn)象，非正常運行條件也是誘發(fā)鋰離子電池熱失控的一大因素；作為老化電池的另一特征，析鋰現(xiàn)象較為常見，輕微的析鋰現(xiàn)象可以加以控制，嚴重時可能會導致電池容量衰減，引發(fā)安全問題。另一方面，電池的析鋰現(xiàn)象一般需要拆解電池才能發(fā)現(xiàn)，是個較大的安全隱患[19]。

文獻[20]通過研究發(fā)現(xiàn)退役電池會出現(xiàn)容量突減現(xiàn)象，個別退役電池存在容量突變?yōu)榱愕那闆r，這對于梯次利用系統(tǒng)是極大的隱患。當一個單體電池容量突變?yōu)榱銜r，根據(jù)木桶定理，整個電池包的充放電性能將會崩壞，影響系統(tǒng)的運行，甚至引發(fā)安全事故。由以上可見，在退役電池的研究應用中，要充分考慮其易失效、一致性差等特點，加強退役電池熱穩(wěn)定性檢測及容量跳水現(xiàn)象的防控研究，同時在系統(tǒng)應用中也要靈活設計電路的結構，避免出現(xiàn)意外時系統(tǒng)發(fā)生安全問題。

3 退役電池梯次利用重組環(huán)節(jié)

3.1 退役電池重組技術安全分析

根據(jù)梯次利用回收流程，退役動力電池經(jīng)過分選之后，將一致性相差不大的電池進行重組集成，之后投入到二次利用中。目前電池重組技術主要包括退役電池單體和模組級別兩方面，通過不同重組技術的實驗研究削弱退役電池的不一致性，提高梯次利用系統(tǒng)的安全性能。

在退役電池單體重組方面，目前有很多的技術研究致力于通過重組技術改善電池一致性差的問題。例如，文獻[21]提出一種退役電池單體串并聯(lián)結構重組的方法，通過測量充電過程中各單體的端電壓，制定依次互補并聯(lián)的方案，實驗仿真驗證了該方法的可行性，實現(xiàn)了單體間的均衡充電，降低長期使用后不一致性的安全隱患；文獻[13]在已有的均衡電路拓撲結構的基礎上提出了雙層均衡拓撲的方法，將電池分組，并采用組內(nèi)集中式主動均衡拓撲，組間分布式均衡拓撲的方法，集合集中式和分布式均衡拓撲的優(yōu)勢，仿真結果達到了預期均衡效果。但以上方案僅驗證于退役電池數(shù)量較少的場合，隨著電池數(shù)的增長，該方法所達到均衡效果存疑。

另一方面，從退役電池利用的實際意義方面思考，電池模組重組技術的研究更為關鍵，因而模塊級聯(lián)型變流器也進入大家的視線，電池柔性成組技術得到了空前發(fā)展。借用電力電子裝置實現(xiàn)多電池級聯(lián)型拓撲結構成組，解決了傳統(tǒng)成組電池一致性差的問題，延長電池壽命，提高系統(tǒng)安全性[22]。此外，文獻[23]提出了半級聯(lián)型儲能系統(tǒng)的安全保護裝置，在級聯(lián)儲能組串中設計了安全互鎖裝置，加入冗余模塊，當某子模塊故障時，其他子模塊可據(jù)此裝置迅速獲取故障狀態(tài)并做出保護，冗余模塊保障系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的安全運行以及均衡控制。

目前已有學者針對傳統(tǒng)拓撲結構的不靈活性提出新的研究方案，文獻[24]著眼于固定連接的電池拓撲結構缺乏靈活性，甚至會存在過充過放等安全問題，提出了可重構電池網(wǎng)絡的概念，利用電路設計原理實現(xiàn)電池組和電池單體級別的分級管控，實現(xiàn)退役電池的充放電及電池組一致性的管理。另一方面，該方案針對電池的差異化實行均衡管理辦法，同時在網(wǎng)絡中加入溫度傳感器，設計短路拓撲實現(xiàn)電池單體的隔離，合理管控網(wǎng)絡的電-熱-安全，有效診治退役電池所存在的熱失控安全隱患。

從以上的分析可以明顯看出，退役電池梯次利用的安全性引起學者的廣泛關注，無論是電池組還是電池單體的分選重組，都有相關的合理方案研究，對實際生產(chǎn)提供了重要的參考意義。

3.2 重組外圍系統(tǒng)的安全隱患分析

從上文重組技術分析可以得到，變流器及柔性成組技術可有效解決電池一致性問題，在目前梯次儲能系統(tǒng)中得到廣泛應用。然而，梯次利用系統(tǒng)的安全性問題值得考量。一方面，退役電池本體存在性能衰減、一致性差等實際問題，同時存在易燃、熱失控的風險[25-26]。另一方面，在實際運用中，環(huán)境因素不可忽略。電池柔性成組技術的應用也意味著大量的變流器進入梯次利用系統(tǒng)中，在梯次儲能系統(tǒng)中，變流器是微電網(wǎng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)之一，其中超過50%的變流器故障是由功率器件失效造成的[27]。在惡劣天氣下，變流器的可靠性低[28]，易引發(fā)不必要的安全事故，因此對于退役電池重組的外圍系統(tǒng)也需要加強安全監(jiān)管，防止安全事故的發(fā)生。

4 結論

車用退役電池的梯次利用既保證了電池內(nèi)各資源的利用率，又避免了廢舊電池帶來的環(huán)境危害，契合當前環(huán)保綠色的理念，是未來的大勢所趨。本文從車用退役電池進行梯次利用的回收流程開始，主要針對電池篩選以及重組環(huán)節(jié)的各技術方案進行剖析，并發(fā)現(xiàn)其中存在的一些安全隱患，提出未來退役電池梯次利用產(chǎn)業(yè)需要注意的方面：

(1) 在對退役電池進行參數(shù)檢測篩選的過程中，可以根據(jù)實際應用情景選擇合適參數(shù)特性進行檢測，保證更為準確地掌握電池的狀態(tài)；另一方面，大數(shù)據(jù)技術的推廣使用可以幫助更為準確地掌握電池之前的工作場景，建立規(guī)范完整的電池追溯體系也就變得十分關鍵，我們通過建立完善的大數(shù)據(jù)庫追溯各電池的使用記錄，據(jù)此判斷其充放電次數(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)+合理預測電池的剩余容量等參數(shù)，從而根據(jù)充放電極限估算其剩余次數(shù)，準確安排其后續(xù)的重組梯次利用，降低因退役電池突發(fā)狀況導致系統(tǒng)出錯的可能性。

(2) 退役電池的參數(shù)情況參差不齊，一致性難以保證，在后續(xù)的梯次利用過程中需要注意建立完善的電池監(jiān)管體系，實時觀察電池性能，避免出現(xiàn)退役電池性能突然崩壞從而影響整個系統(tǒng)的現(xiàn)象發(fā)生，保障系統(tǒng)的安全運行；另一方面針對突發(fā)電池性能崩壞的情況，可設計保護電路與備用電路兼顧，采用互補的電路結構，利用備用支路進行系統(tǒng)保護，當突發(fā)狀況出現(xiàn)時，可及時切換電路運行，防止系統(tǒng)運行出現(xiàn)安全事故。

(3) 加強退役電池梯次利用系統(tǒng)的安全監(jiān)管。隨著各項重組技術的提出，相應的電路拓撲結構也逐漸增多，不同電路結構的安全管理也有差異。針對電力電子裝置需要加強安全檢測，尤其天氣惡劣情況下各變流器的保護措施；同時，梯次利用系統(tǒng)運行時，注意溫度檢測器的安裝，實時檢測系統(tǒng)及電池的溫度情況，做好系統(tǒng)的熱管理工作。