崔樹輝，周賀，黃振興，王凱,4

(1.青島大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.威海創(chuàng)新研究院，山東 青島 266071；2.迪卡龍(青島)電子有限公司，山東 青島 266109；3.青島海爾洗滌電器有限公司，山東 青島 266101；4.電動(dòng)汽車智能化動(dòng)力集成技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(青島)，山東 青島 266071)

隨著汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)，當(dāng)今面臨的能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。近年來，為推進(jìn)我國(guó)“雙碳”的目標(biāo)，降低汽車對(duì)燃油的依賴性，降低汽車尾氣造成的環(huán)境污染，國(guó)家出臺(tái)了“電動(dòng)汽車稅收減免”等一系列激勵(lì)政策，積極促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展[1-2]。2021年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示[3]，我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)銷量達(dá)到352萬(wàn)輛，與2020年相比增加157%，占全球新能源汽車市場(chǎng)份額的52%。新能源電動(dòng)汽車的核心部件之一是動(dòng)力電池，新能源汽車的迅速發(fā)展必然推動(dòng)對(duì)動(dòng)力電池的需求。2021年我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到154.5 GWh，同樣占全球的52%。但是當(dāng)動(dòng)力電池的容量衰退至總?cè)萘康?0%，動(dòng)力電池將不再能夠滿足新能源汽車的要求，需要對(duì)其更換[4]。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的預(yù)測(cè)，到2025年，我國(guó)退役動(dòng)力電池的數(shù)量將達(dá)7×105t(約116 GWh)[5]。從新能源汽車上退役下來的動(dòng)力電池仍然具有很高的剩余價(jià)值，對(duì)其做直接報(bào)廢處理將會(huì)產(chǎn)生巨大的資源浪費(fèi)，如果采用梯次利用的方式，將退役動(dòng)力電池用于充電站、通信基站、移動(dòng)充電車、低速電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及其他性能要求低于電動(dòng)汽車的場(chǎng)景，可延長(zhǎng)其使用壽命。動(dòng)力電池的梯次利用可以有效減少鋰離子電池帶來的污染[6-7]，減少資源浪費(fèi)，還可以提高電池的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)全生命周期的價(jià)值最大化，降低電動(dòng)汽車、電能存儲(chǔ)等相關(guān)行業(yè)的成本，從而促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展。

為此從動(dòng)力電池梯次利用的現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)退役電池的性能檢測(cè)和梯次利用快速分選的方法、電池重組與均衡的策略等技術(shù)難題展開研究，并通過實(shí)例分析退役動(dòng)力電池的多種梯次利用場(chǎng)景，以及大規(guī)模退役動(dòng)力電池高效梯次利用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略。

1 動(dòng)力電池梯次利用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外梯次利用實(shí)例

1.1.1 國(guó)際應(yīng)用實(shí)例

在美國(guó)、日本、歐洲動(dòng)力電池的梯次利用研究開展較早，2009年，日本東芝公司在日本最早提出了動(dòng)力電池梯次利用的概念[1]。國(guó)外的梯次利用更加注重其經(jīng)濟(jì)效益，而且大多服務(wù)于用戶側(cè)，總體上還處于示范性應(yīng)用階段，以示范工程和理論研究為主，少數(shù)企業(yè)率先將其進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。典型的國(guó)外梯次利用項(xiàng)目見表1[8]。

表1 國(guó)外典型梯次利用項(xiàng)目Tab.1 Typical echelon utilization projects at abroad

1.1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例

國(guó)內(nèi)的梯次利用主要以示范工程為主，以國(guó)家電網(wǎng)有限公司、中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司、中國(guó)鐵塔股份有限公司、比亞迪股份有限公司為代表，主要將電池梯次利用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，在通信行業(yè)和新能源汽車充電行業(yè)也有應(yīng)用。2019年國(guó)內(nèi)第一個(gè)電池梯次利用的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站在南京開始建設(shè)，利用電池的剩余可用容量為變電站等設(shè)備供電；2016年比亞迪股份有限公司在深圳龍崗比亞迪工業(yè)園建設(shè)10 MW、20 MWh梯次利用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目；2017年中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司和國(guó)網(wǎng)青海省電力公司在青海西寧風(fēng)光水儲(chǔ)微電網(wǎng)基地建設(shè)250 kW、500 kWh梯次利用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目[9]；中國(guó)鐵塔股份有限公司在全國(guó)30多個(gè)省共計(jì)12萬(wàn)個(gè)通信基站中布局電池梯次利用示范項(xiàng)目，累計(jì)容量達(dá)到了GWh規(guī)模?？傮w來講，國(guó)內(nèi)的梯次利用研究仍處于探索階段，應(yīng)用主要是儲(chǔ)能領(lǐng)域的示范工程，還未形成完整的商業(yè)模式。

1.2 梯次利用相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)

梯次利用能夠發(fā)揮動(dòng)力電池的更大價(jià)值，擁有廣闊的應(yīng)用前景，但是由于行業(yè)起步不久，關(guān)鍵技術(shù)仍在探索階段，實(shí)踐過程阻力較大，這就需要國(guó)家制訂相關(guān)政策與標(biāo)準(zhǔn)[10]，鼓勵(lì)更多的企業(yè)參與到梯次利用機(jī)制中來。

1.2.1 動(dòng)力電池退役標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)動(dòng)力電池的性能不再能滿足電動(dòng)汽車的需要時(shí)，就要更換新電池，退役舊電池，現(xiàn)行動(dòng)力電池的退役標(biāo)準(zhǔn)各有其特點(diǎn)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在2010年發(fā)布的IEC 62660-1規(guī)定動(dòng)力電池實(shí)際容量小于初始容量的80%時(shí)就要退役；2014年愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的HEV實(shí)驗(yàn)手冊(cè)和2015年美國(guó)高級(jí)電池聯(lián)盟發(fā)布的電動(dòng)汽車蓄電池測(cè)試手冊(cè)則規(guī)定，電池當(dāng)其功率和能量不能滿足實(shí)際功率需求時(shí)退役；GB/T 31484—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》同樣以實(shí)際容量小于初始容量的80%作為電池退役的標(biāo)準(zhǔn)[11]。由此可見，動(dòng)力電池的退役標(biāo)準(zhǔn)主要分為實(shí)際容量的定量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際功率的定性標(biāo)準(zhǔn)，而目前的研究認(rèn)為容量較之功率能更好地反映電池的性能退化，然而隨著容量衰退，安全問題隨之而來；因此，研究制訂合理統(tǒng)一的動(dòng)力電池退役標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于梯次利用的安全性和效率具有重要意義。

1.2.2 梯次利用的國(guó)內(nèi)外政策

國(guó)外對(duì)動(dòng)力電池梯次利用的研究開展得比較早，一些國(guó)家已經(jīng)有了很完善的電池回收利用管理措施：日本自1994年以來就開始回收廢舊電池，建立了“電池生產(chǎn)和銷售、回收和再利用”的體系，日本企業(yè)借助國(guó)家立法和補(bǔ)貼進(jìn)行制度建設(shè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的高效回收；美國(guó)先后成立了可充電電池回收公司和便攜式可充電電池協(xié)會(huì)，引導(dǎo)公眾積極配合廢舊電池的回收，推動(dòng)工業(yè)電池的回收；德國(guó)通過完善的法規(guī)政策，建立了一套完整的廢舊電池回收體系，經(jīng)銷商需要配合生產(chǎn)企業(yè)組織建立回收機(jī)制，而且用戶有義務(wù)將廢舊電池上交給指定機(jī)構(gòu)，法規(guī)明確了生產(chǎn)者責(zé)任制，在政策的激勵(lì)下德國(guó)大眾、寶馬等汽車公司已經(jīng)開始進(jìn)行動(dòng)力電池梯次利用的研究。

在“十三五”期間，我國(guó)就對(duì)動(dòng)力電池梯次利用開始了頂層設(shè)計(jì)[12]：2016年，五部委聯(lián)合發(fā)布《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策》，明確了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池設(shè)計(jì)、制造、回收主體、梯次利用等方面的具體要求，是國(guó)家開始鼓勵(lì)動(dòng)力電池梯次利用的重要標(biāo)志；2020年，工信部發(fā)布《新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件(征求意見稿)》，旨在對(duì)梯次利用的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行革新；同年工信部節(jié)能與綜合利用司又發(fā)布了《新能源汽車動(dòng)力蓄電池梯次利用管理辦法(征求意見稿)》，鼓勵(lì)采用先進(jìn)技術(shù)和裝備對(duì)廢舊動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用。2021年8月正式印發(fā)的《新能源汽車動(dòng)力蓄電池梯次利用管理辦法》要求梯次利用企業(yè)保障生產(chǎn)梯次產(chǎn)品的可靠性，規(guī)定梯次產(chǎn)品統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，建立梯次產(chǎn)品認(rèn)證制度，并明確指出動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采用易于梯次利用和有助于高效梯次利用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13]。此管理辦法的發(fā)布，對(duì)于促進(jìn)動(dòng)力蓄電池的回收和梯次利用具有重要意義，同時(shí)有助于推動(dòng)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展[14]。

2 退役動(dòng)力電池的性能檢測(cè)

一般來說，可以將動(dòng)力電池看作一個(gè)非線性的系統(tǒng)，電池在使用過程中的性能變化是一個(gè)受多種因素影響的長(zhǎng)期過程，因此退役時(shí)的性能預(yù)測(cè)是動(dòng)力電池梯次利用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。而電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)和健康狀態(tài)(state of health，SOH)是評(píng)判電池當(dāng)前性能最為關(guān)鍵的因素。

2.1 SOC估算

SOC是評(píng)估電池狀態(tài)的重要指標(biāo)。準(zhǔn)確估算電池的SOC值，可以有效判斷電池目前的狀態(tài)，是電池管理系統(tǒng)中不可或缺的一部分。SOC反映電池剩余電量的情況，是在同一工況、特定的放電條件(恒溫、恒流)下，電池剩余電量Qr與相同條件下電池額定電量QN的比值，即SOC值kSOC=Qr/QN。

SOC估計(jì)方法可以分為傳統(tǒng)估計(jì)方法、模型驅(qū)動(dòng)方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法3類。其中傳統(tǒng)估算方法原理最簡(jiǎn)單，包括負(fù)載放電法、安時(shí)積分法、開路電壓法等，各方法優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 SOC傳統(tǒng)估計(jì)法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of traditional SOC estimation method

常見的模型驅(qū)動(dòng)方法估算SOC大多是建立在等效電路模型的基礎(chǔ)上，利用電池等效電路構(gòu)造空間狀態(tài)方程，采用卡爾曼濾波等方法觀測(cè)SOC。卡爾曼濾波法的流程如圖1所示。其中的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法是比較經(jīng)典的一種算法，從最小誤差方差的角度出發(fā)，可以減小誤差，抑制噪聲，適用于非線性系統(tǒng)[15]；但該方法的主要缺點(diǎn)有系統(tǒng)非線性化和觀測(cè)噪聲僅適用于高斯分布?；诖藛栴}，有大量的研究提出了改進(jìn)的卡爾曼濾波法，包括雙卡爾曼濾波、無(wú)跡卡爾曼濾波、自適應(yīng)卡爾曼濾波等[16-18]。

圖1 卡爾曼濾波法流程Fig.1 Flow chart of Kalman filter method

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法不需要深入研究電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，依靠歷史數(shù)據(jù)分析和模型訓(xùn)練即可獲取高精度的SOC值，反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是其中比較簡(jiǎn)單、最常用的估算模型。圖2展示了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本結(jié)構(gòu)和流程。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與流程Fig.2 Neural network model and process

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于模擬人腦神經(jīng)，通過正向計(jì)算和反向傳播2個(gè)過程對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練[19]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，只需要提供內(nèi)阻、電壓、電流等數(shù)據(jù)就能完成評(píng)估；它的缺點(diǎn)則是需要大量的數(shù)據(jù)支持和反復(fù)的訓(xùn)練，這就使得動(dòng)力電池在缺少完善的歷史數(shù)據(jù)的情況下很難通過這種方式進(jìn)行SOC評(píng)估?；谝陨蠁栴}，近年來，結(jié)合多種方法的融合模型成為研究熱點(diǎn)：文獻(xiàn)[20]將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與擴(kuò)展卡爾曼濾波法相結(jié)合，有效解決傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法過于依賴電池模型的問題，同時(shí)減小誤差，有較好的收斂性和魯棒性；文獻(xiàn)[21]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替無(wú)跡卡爾曼濾波法中的多項(xiàng)式模型，有效提高估算精度，同時(shí)設(shè)計(jì)主從式自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波算法，對(duì)噪聲方差進(jìn)行了有效控制，較傳統(tǒng)的卡爾曼濾波法有著更高的精準(zhǔn)度和收斂速度。

2.2 SOH估算

SOH能反映電池的壽命狀態(tài)，一般指電池的老化程度。電池的老化會(huì)引起多種參數(shù)的變化，其中主要是內(nèi)阻增加和容量衰退，電池內(nèi)阻、自放電、電池容量等指標(biāo)是評(píng)估退役電池的健康狀態(tài)的主要指標(biāo)。常用的估測(cè)方法可分為實(shí)驗(yàn)估計(jì)法、自適應(yīng)濾波法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法3類，其中：實(shí)驗(yàn)估計(jì)法是在離線狀態(tài)下測(cè)得內(nèi)阻、容量等某一電池參數(shù)與SOH值的關(guān)系曲線，進(jìn)而推算出SOH，是最簡(jiǎn)單最直接的方法，但實(shí)用性太差，大多用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)；基于自適應(yīng)濾波和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的評(píng)估方法是當(dāng)今研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[22]以電池直流內(nèi)阻、放電倍率和表面溫度為輸入，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的收斂性，并且能比較準(zhǔn)確地對(duì)梯次利用電池健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[23]基于模型驅(qū)動(dòng)的方法，采用二階Thevenin等效電池模型，提出了一種雙自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波算法，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，估算出電池的內(nèi)阻，并通過電池內(nèi)阻估算SOH值，該方法估算精度保持在2%以內(nèi)，是一種精度較高的方法。各常用的SOH估算方法及其優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 各種SOH估算方法的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.3 Advantages and disadvantages of various SOH estimation methods

從各方法的對(duì)比中可以看出，估算精度越高的方法，其原理相對(duì)更復(fù)雜，計(jì)算量更大；因此，為了兼顧檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要融合多種算法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[24]將最小二乘法與聯(lián)合卡爾曼濾波方法相結(jié)合，在低倍率恒流充放電工況下提取出了電池的容量和內(nèi)阻特征參數(shù)，進(jìn)而運(yùn)用提取的特征估計(jì)SOH，但該提取方法僅限磷酸鐵鋰電池，在適用工況上具有一定的局限性；文獻(xiàn)[25]通過實(shí)驗(yàn)分析退役動(dòng)力電池的特征曲線，提出了一種三元鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池衰減加速評(píng)價(jià)方法，能夠快速無(wú)損地對(duì)三元鋰電池進(jìn)行性能評(píng)估，該測(cè)試方法簡(jiǎn)單高效，設(shè)備少，判斷結(jié)果較精確，但是同樣受到工況和電池種類的限制；文獻(xiàn)[26]在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出一種表示電池最大容量的健康因子，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立該健康因子與電池健康狀態(tài)之間的關(guān)系，該方法估測(cè)SOH的平均相對(duì)誤差能達(dá)到1%以內(nèi)，并且不受電池工況的限制，但該方法需要短時(shí)擱置電壓信息，因而如何選擇擱置時(shí)長(zhǎng)成為該方法的改進(jìn)方向；文獻(xiàn)[27]將自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波算法與擴(kuò)展卡爾曼算法相結(jié)合，建立循環(huán)迭代關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)電池狀態(tài)，具有不受電流工況限制的優(yōu)點(diǎn)，但2種卡爾曼濾波算法的優(yōu)化過程會(huì)加大計(jì)算量。

當(dāng)前退役動(dòng)力電池的規(guī)模日益增長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間的SOH離線估計(jì)法顯然無(wú)法滿足需求，因此通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估是較為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的方式；同時(shí)有研究表明，采用多個(gè)健康因子互補(bǔ)估計(jì)退役鋰離子電池SOH比單健康因子估計(jì)更加準(zhǔn)確[28]。隨著人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOH估算方法和基于融合模型的SOH估算的可實(shí)現(xiàn)性越來越高，如何同時(shí)提高估測(cè)精度和大規(guī)模退役電池的檢測(cè)效率，將成為需要研究解決的問題。

3 梯次利用的分選與重組技術(shù)

退役動(dòng)力電池梯次利用的流程如圖3所示，包括電池回收、拆解、檢測(cè)篩選、重組集成、均衡管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。回收的退役動(dòng)力電池的性能一致性較差，一般不能直接用于梯次利用，需要對(duì)其性能參數(shù)做出準(zhǔn)確檢測(cè)，確定分選指標(biāo)，篩選出適合用于某一場(chǎng)景的梯次利用電池，并進(jìn)行重組集成，構(gòu)建新的電池系統(tǒng)，應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)等梯次利用場(chǎng)景。

圖3 動(dòng)力電池梯次利用流程Fig.3 Echelon utilization process of power batteries

3.1 梯次利用電池的檢測(cè)和快速篩選

動(dòng)力電池在經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的使用后，隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，將退役動(dòng)力電池用于梯次利用前，必須對(duì)電池進(jìn)行全面的安全性檢測(cè)。首先可以在拆解前后檢查電池外觀，查看電池外觀是否完整；然后用電壓表測(cè)量電壓，用內(nèi)阻測(cè)試儀檢測(cè)內(nèi)阻，基本參量的安全性能達(dá)標(biāo)才能進(jìn)行下一步檢測(cè)。

電池的能量特性也會(huì)隨使用時(shí)間發(fā)生衰減，不同電池間的性能差異很大，電池單體的不一致性表現(xiàn)在容量、內(nèi)阻、自放電和SOH等方面，而這些參數(shù)的不一致性直接決定了退役的動(dòng)力電池能否進(jìn)行梯次利用；因此，為使退役動(dòng)力電池能達(dá)到梯次利用的性能要求，實(shí)現(xiàn)不同性能表現(xiàn)電池再利用價(jià)值的最大化，在梯次利用前，必須根據(jù)這些電池參數(shù)篩選出性能一致性較好的動(dòng)力電池，這是退役電池梯次利用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[29-30]。

近年來，針對(duì)退役動(dòng)力電池的篩選指標(biāo)已有大量研究：文獻(xiàn)[31]研究了單體電池的溫度和直流內(nèi)阻與電池狀態(tài)的關(guān)系，通過進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)和直流內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池參數(shù)，評(píng)估電池健康狀態(tài)，從而有效地快速篩選梯次利用動(dòng)力電池；文獻(xiàn)[32]研究了電池的放電特性與電池老化程度的關(guān)系，將單體電池的CD-OCV特性曲線作為篩選指標(biāo)，該方法能較為精確地篩選出性能一致性較好的退役動(dòng)力電池單體；文獻(xiàn)[33]基于電化學(xué)原理，研究了電池的庫(kù)倫效率與電池容量之間的關(guān)系，將庫(kù)侖效率作為退役動(dòng)力電池梯次利用的篩選指標(biāo)，這種方法可以比較直觀地篩選出可用作儲(chǔ)能梯次利用的動(dòng)力電池。

但是這幾種方法都是研究針對(duì)電池單體的篩選指標(biāo)，而將大規(guī)模的退役電池拆解成電池單體將耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。對(duì)于此問題，文獻(xiàn)[34]闡述通過考察不同拆解級(jí)別的容量特性，發(fā)現(xiàn)同一電池模組中單體的容量基本一致，提出可以直接以電池模組的形式進(jìn)行梯次利用；文獻(xiàn)[35]將模糊數(shù)學(xué)的聚類分析應(yīng)用在退役電池的篩選過程中，用歐式距離法對(duì)電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的分類，該方法在很大程度上提高了退役動(dòng)力電池梯次利用分類篩選的效率；文獻(xiàn)[36]闡述在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方法改進(jìn)，利用脈沖功率測(cè)試得到的特征，將因子分析與聚類算法有機(jī)結(jié)合，得到較好的分選效果。

目前比較精確的分選模型需要提供大量的退役電池?cái)?shù)據(jù)，分選方法的經(jīng)濟(jì)性和效率仍有待提高。電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedence spectroscopy，EIS)法是目前用于電池分選的一個(gè)熱門方向，文獻(xiàn)[37]利用充電過程中探測(cè)到的低頻阻抗譜提取所需特征來估測(cè)電池健康狀態(tài)，此方法有效避免了充放電曲線的不完整對(duì)特征提取造成的困難。這也為退役電池的分選提供了新的思路，即直接根據(jù)測(cè)量得到的EIS曲線，建立等效電路模型進(jìn)行參數(shù)的量化，并進(jìn)行退役動(dòng)力電池的狀態(tài)評(píng)估和分選，該方法可以有效減少能耗和節(jié)省時(shí)間，有較大的實(shí)用價(jià)值。需注意的是，等效模型的精確性是影響EIS法準(zhǔn)確性的因素。

退役動(dòng)力電池的檢測(cè)和篩選分類是梯次利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證梯次利用的安全性和效率，必須對(duì)退役的動(dòng)力電池進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)檢測(cè)，以確保分選環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)性。而對(duì)于分選環(huán)節(jié)，最重要的問題是提高該過程的速度、準(zhǔn)確性和合理性。面對(duì)大規(guī)模的退役動(dòng)力電池，采用傳統(tǒng)的方法逐個(gè)估計(jì)容量、內(nèi)阻等參數(shù)將很難提高分選效率，那么研究只需要簡(jiǎn)單測(cè)試數(shù)據(jù)就能快速準(zhǔn)確獲取篩選指標(biāo)的方法是一個(gè)迫切需要解決的問題。另一方面，充分利用大量退役動(dòng)力電池的歷史數(shù)據(jù)，加以對(duì)退役電池的狀態(tài)檢測(cè)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)模結(jié)合的方式，可以有效提高退役電池分選的效率和梯次利用的安全性。

3.2 梯次利用電池的成組與均衡

采用科學(xué)合理的動(dòng)力電池的配組方式可以在一定程度上改善各電池組之間的一致性。傳統(tǒng)的分選成組方案大都通過計(jì)算退役電池容量，按照退役電池剩余容量分?jǐn)?，但在?shí)際應(yīng)用中，這種方法精度不高。為了解決這一問題，有研究使用了K-means聚類方法，對(duì)相關(guān)的電池參數(shù)歸一化并加權(quán)處理后，對(duì)單體電池直接進(jìn)行分組，同一組的電池進(jìn)行重組后即可梯次利用[38]。文獻(xiàn)[39]提出通過計(jì)算動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離，結(jié)合梯次利用電池的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用K-means聚類算法設(shè)計(jì)重組方案，該方法有效提高了重組電池單體之間的一致性；其缺點(diǎn)在于要對(duì)全部電池單體進(jìn)行分類，而如果以電池單體級(jí)別進(jìn)行成組集成，則需要評(píng)估每個(gè)單體的參數(shù)，這會(huì)耗費(fèi)巨大的成本和時(shí)間。如果考慮以電池包級(jí)別進(jìn)行整包利用就會(huì)大大減少成本，文獻(xiàn)[40]提出運(yùn)用整包利用的思路，對(duì)退役動(dòng)力電池包進(jìn)行2次外觀檢測(cè)和充放電實(shí)驗(yàn)2次篩選后，將符合梯次利用標(biāo)準(zhǔn)的電池包重組后應(yīng)用于光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)。這說明退役電池在特定的梯次利用場(chǎng)景下可以直接以電池包的級(jí)別進(jìn)行梯次利用，那么這種低成本的方式是否還可以用于其他場(chǎng)景仍有待繼續(xù)研究。

由于退役動(dòng)力電池的一致性要遠(yuǎn)差于新電池，一般的電池管理系統(tǒng)內(nèi)的均衡功能已不能滿足需求，因此需要設(shè)計(jì)新的電池均衡方式[41]。均衡的目標(biāo)是要盡量保證電池SOC的一致性，實(shí)現(xiàn)容量利用率的最大化，均衡方式可分為被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡主要是指電阻式均衡，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制，在電動(dòng)汽車上應(yīng)用較普遍；主動(dòng)均衡包括電容式均衡、電感式均衡、變壓器式均衡，常用的拓?fù)潆娐啡鐖D4和圖5所示。文獻(xiàn)[42]采用了芯片級(jí)主動(dòng)均衡的電池管理系統(tǒng)，有效解決了退役動(dòng)力電池一致性差的問題，用于儲(chǔ)能系統(tǒng)可間接降低其成本，不過該方法采用的芯片級(jí)主動(dòng)均衡策略中，如何提高單電芯的SOC估計(jì)精度是需要繼續(xù)研究的問題；文獻(xiàn)[43]采用主動(dòng)被動(dòng)協(xié)同均衡的策略，同時(shí)對(duì)SOC的估計(jì)考慮了電池參數(shù)的相關(guān)性，有效彌補(bǔ)了單一均衡策略的不足。

圖4 電容式均衡電路拓?fù)銯ig.4 Capacitive equalization circuit topology

圖5 變壓器式均衡電路拓?fù)銯ig.5 Transformer equalization circuit topology

4 退役動(dòng)力電池的典型梯次利用場(chǎng)景

傳統(tǒng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一般以電化學(xué)蓄電池為基礎(chǔ)，而鋰離子電池具有容量大、能量密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是功率較高的儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想選擇[44]，但高昂的鋰離子電池成本成為傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要阻礙。梯次利用電池應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)大大降低這一成本。研究表明，退役動(dòng)力電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的梯次利用不僅可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，而且還可以改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性[45-46]。除儲(chǔ)能電站外，梯次利用電池還可以應(yīng)用于通信基站、光伏電站、家庭儲(chǔ)能等多種場(chǎng)景[47-48]。

在儲(chǔ)能電站領(lǐng)域，快速充電站對(duì)功率的要求持續(xù)增加，給電網(wǎng)帶來很大壓力，將梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于快速充電站，對(duì)負(fù)載進(jìn)行削峰填谷，可以有效緩解電網(wǎng)壓力[49]。文獻(xiàn)[50-51]致力于研究將梯次利用電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性問題，對(duì)動(dòng)力電池的全生命周期的成本進(jìn)行了平準(zhǔn)化分析，結(jié)論表明，在梯次利用技術(shù)尚不成熟的情況下，梯次利用電池用于儲(chǔ)能電站的成本較高，因此還需要著重研究動(dòng)力電池梯次利用的技術(shù)和政策；而文獻(xiàn)[52]則研究將梯次利用電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)方案，通過控制實(shí)現(xiàn)各退役電池組之間的“異構(gòu)兼容”，使退役電池可以以整包形式梯次利用于儲(chǔ)能電站，這種技術(shù)路線的應(yīng)用可以極大地減小拆解電池的成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；在通信領(lǐng)域，將梯次利用電池應(yīng)用于通信基站具有很好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還可以提高基站運(yùn)行的安全性，文獻(xiàn)[53]提出通信基站容量配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用梯次利用電池，有效解決傳統(tǒng)通信基站充放電率低的問題，但是這一方案尚未在實(shí)際應(yīng)用中得到檢驗(yàn)；在光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域，應(yīng)用梯次利用電池同樣有著比新電池更低的成本[54]；在用戶側(cè)儲(chǔ)能領(lǐng)域，梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與用戶側(cè)的削峰填谷也具有良好的經(jīng)濟(jì)性[55]。

大規(guī)模的梯次利用電池應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，也會(huì)存在性能一致性差的問題，那么如何高效安全地實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用成為亟待解決的問題[56]。這需要在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中根據(jù)電池性能的差異和變化可能帶來的問題制訂有效控制策略。針對(duì)這一問題：文獻(xiàn)[57]從電池PACK特性的角度出發(fā)，研究一種以電池包剩余電量為基礎(chǔ)的控制策略，為集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一種良好的調(diào)整方案；文獻(xiàn)[58]從電池的SOC角度出發(fā)，通過調(diào)整充放電功率最大限度地利用電池組的電能；文獻(xiàn)[59]提出了一種多分支拓?fù)涞膮f(xié)同控制策略，能夠通過正反饋調(diào)節(jié)，根據(jù)電池的實(shí)際電量調(diào)整各電池的出力情況，剩余電量多的電池優(yōu)先出力，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)使各電池的剩余電量保持在同一水平，最終達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)中各動(dòng)力電池同期退役的目的；文獻(xiàn)[60]通過容量配置的方法對(duì)梯次利用電池用于儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃，同時(shí)還延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。

研究表明，動(dòng)力電池梯次利用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中已經(jīng)具備很好的可行性和經(jīng)濟(jì)性；但受成本和梯次利用技術(shù)的限制，梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還沒有廣泛普及，因此繼續(xù)對(duì)梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)展開研究是當(dāng)務(wù)之急。

5 總結(jié)與展望

在新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，退役動(dòng)力電池的梯次利用成為大勢(shì)所趨。近年來，在梯次利用電池性能檢測(cè)和分選等關(guān)鍵技術(shù)的研究上已經(jīng)取得了很多成果，梯次利用電池主要用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的多種場(chǎng)景，很好地緩解了傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本高等問題，擁有廣闊的發(fā)展前景；然而隨著應(yīng)用場(chǎng)景越來越廣泛，電池的梯次利用仍存在很多需要解決的問題。

a)狀態(tài)評(píng)估算法研究方面：通過數(shù)模結(jié)合，對(duì)電池的特征參量和歷史數(shù)據(jù)的融合進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估是較為科學(xué)的方式。從最近的研究成果來看，以卡爾曼濾波為代表的模型驅(qū)動(dòng)方法和以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的有機(jī)結(jié)合，可以進(jìn)一步減小SOC和SOH估計(jì)的誤差，提高效率。同時(shí)，針對(duì)不同的電池工況，使檢測(cè)方法準(zhǔn)確化、多樣化也是需要繼續(xù)研究的問題。

b)快速篩選技術(shù)研究方面：檢測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確的方法大都操作比較復(fù)雜，需要將電池包拆解為電池單體或者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，成本較高，準(zhǔn)確性和效率往往不能兼得；因此，兼顧準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性的梯次利用分選技術(shù)成為研究的難題，同時(shí)還應(yīng)基于不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)合理的分選方法。

c)梯次利用級(jí)別方面：退役動(dòng)力電池最合理的梯次利用級(jí)別是模組級(jí)，但現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)大多是對(duì)電池單體的研究，不能滿足大規(guī)模退役電池投入梯次利用的要求；因此，對(duì)于電池模組級(jí)別的檢測(cè)、分選方法的研究將成為今后的研究方向。

d)標(biāo)準(zhǔn)化程度方面：造成不一致的根本原因是起初流入市場(chǎng)的新能源電池的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，致使梯次利用時(shí)要對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行拆解檢測(cè)才能評(píng)估其狀態(tài)。如果能在制造新能源電池時(shí)就為以后的梯次利用打好基礎(chǔ)，從源頭上制訂規(guī)范，從電池單體級(jí)別到系統(tǒng)級(jí)別采用統(tǒng)一的電池規(guī)格，完善電池管理系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式使電池退役時(shí)能留有較為系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，那么梯次利用的效率一定會(huì)有大幅度提高。

e)回收體系方面：我國(guó)的廢舊鋰電池回收體系尚不完善，回收技術(shù)和商業(yè)模式尚未形成成熟的標(biāo)準(zhǔn)?？梢越梃b國(guó)內(nèi)外梯次利用成功實(shí)例，從電池生產(chǎn)商、零售商以及電池用戶等多個(gè)角度考慮，構(gòu)建完整的電池回收梯次利用體系及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。