基于庫(kù)侖效率的退役鋰離子動(dòng)力電池儲(chǔ)能梯次利用篩選
時(shí)間:2019-09-16 09:50來源:電工技術(shù)學(xué)報(bào) 作者:鄭志坤、趙光金
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鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院、國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院的研究人員鄭志坤、趙光金、金陽(yáng)、趙智興、高金峰，在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文指出，用于電動(dòng)汽車的鋰離子動(dòng)力電池退役后，具備在儲(chǔ)能系統(tǒng)等場(chǎng)合繼續(xù)使用的潛力，其健康狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于退役電池的梯次利用具有重要意義。考慮到目前采用的電池性能預(yù)測(cè)指標(biāo)估算精度上的不足，本文從電化學(xué)角度出發(fā)，分析庫(kù)侖效率與電池容量衰減之間的內(nèi)在關(guān)系。
針對(duì)鋰離子電池充放電循環(huán)中可逆鋰源的消耗機(jī)理，在庫(kù)侖效率的基礎(chǔ)上引入了庫(kù)侖非效率的定義。在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別獲得兩塊退役鋰離子動(dòng)力電池充放電容量、庫(kù)侖效率、庫(kù)侖非效率三者與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。最后，在庫(kù)侖非效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比中，創(chuàng)造性地采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，就此提出基于庫(kù)侖效率對(duì)退役鋰離子動(dòng)力電池儲(chǔ)能梯次利用進(jìn)行篩選的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。
近年來，環(huán)保問題受到了日益廣泛的關(guān)注，隨之而來的現(xiàn)象之一是電動(dòng)汽車技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)量不斷增長(zhǎng)。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池，具有性能優(yōu)越、比能量高的優(yōu)點(diǎn)，然而當(dāng)它的容量衰減至初始容量的70%～80%時(shí)，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已經(jīng)不能滿足要求，達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)的電池組件將會(huì)退役，但退役的動(dòng)力鋰離子電池對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其是小規(guī)模的分散儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，仍然具有較大的使用價(jià)值。
對(duì)于退役鋰離子動(dòng)力電池的梯次利用，實(shí)現(xiàn)了物盡其用，避免資源浪費(fèi)，更能延長(zhǎng)電池使用壽命，降低動(dòng)力電池全壽命周期成本，因此擁有巨大的市場(chǎng)需求和應(yīng)用前景。
為篩選出可繼續(xù)用于電網(wǎng)和新能源發(fā)電儲(chǔ)能裝置的退役電池，需要對(duì)其健康狀況有一個(gè)直觀了解。目前廣泛采用的是電池健康狀態(tài)（State of Health, SOH）評(píng)估方法，它對(duì)退役電池的梯次利用具有重要意義。SOH是衡量電池性能的數(shù)據(jù)指標(biāo)，其定義在概念上缺乏統(tǒng)一，目前主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率幾個(gè)方面。通常，鋰離子電池的SOH由模型評(píng)估得到，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N。
最具代表性的電化學(xué)模型是Gang Ning模型。該模型從電池內(nèi)部著手，引入活性鋰離子的濃度因素，通過研究電池體平均容量損失、鋰離子濃度變化、SEI膜內(nèi)阻及膜厚度變化等，建立控制方程，從而得到電池容量損失，即能得到電池的SOH值。但該模型系統(tǒng)方程涉及面廣且計(jì)算復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。
RC等效電路模型由Bhangu等提出，該等效電路模型中特大電容Cbulk可以表征電池儲(chǔ)能能力，利用等效電路的數(shù)學(xué)方程和模型狀態(tài)矩陣方程，并與卡爾曼濾波算法結(jié)合，可估算出Cbulk值，進(jìn)而得到電池SOH的估計(jì)值。等效電路模型雖然復(fù)雜度不高，但它應(yīng)用于SOH估算時(shí)并未對(duì)多耦合參數(shù)變量的影響進(jìn)行分析，因此估算精度并不高。
所謂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ü浪汶姵豐OH，是通過總結(jié)各種參數(shù)變化規(guī)律與SOH變化規(guī)律的關(guān)系，利用數(shù)據(jù)擬合的方法，得到鋰離子電池的SOH經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠杌鹆值韧ㄟ^大量電池充放電實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)值分析方法，最終得到了鋰電池SOH估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式，實(shí)時(shí)輸入變量參數(shù)，從而得到實(shí)時(shí)電池容量衰減率，但該方法估算SOH的準(zhǔn)確度受到數(shù)據(jù)量大小的影響。
如上所述，模型評(píng)估方法用于鋰離子電池SOH的估算，實(shí)際受到各種因素的耦合影響，很難準(zhǔn)確監(jiān)控和分析電池內(nèi)部狀態(tài)；一些評(píng)估模型難以獲得高精度的電池參數(shù)，造成電池健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的精度和可靠性不足。
為尋求更加直觀有效的退役電池篩選方法，避免復(fù)雜模型和方程計(jì)算帶來的預(yù)測(cè)精度誤差，本文從電化學(xué)角度闡述了庫(kù)侖效率的物理意義，得出庫(kù)侖效率與電池壽命及容量衰減的關(guān)系，基于庫(kù)侖效率引入了庫(kù)侖非效率的概念。
對(duì)兩塊退役鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試并進(jìn)行性能曲線對(duì)比分析，特別采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系來描述庫(kù)侖非效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。最后，提出基于庫(kù)侖效率對(duì)退役鋰離子動(dòng)力電池梯次利用進(jìn)行篩選的新方法，并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中證明了結(jié)論的正確性。
圖1 全電池體系在90%庫(kù)侖效率下可逆鋰離子的消耗
總結(jié)
本文從電池的電化學(xué)層次，分析介紹了庫(kù)侖效率與電池容量的內(nèi)在關(guān)系，基于庫(kù)侖效率引入了庫(kù)侖非效率的概念，就其物理意義說明了它與電池容量衰減之間的重要關(guān)聯(lián)。通過兩例退役鋰離子動(dòng)力電池的電化學(xué)測(cè)試對(duì)比以及后續(xù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同于基于復(fù)雜評(píng)估模型和方程計(jì)算的SOH預(yù)測(cè)指標(biāo)，庫(kù)侖非效率可以更加直觀可靠地作為退役鋰離子動(dòng)力電池儲(chǔ)能梯次利用篩選的指標(biāo)，為退役電池的梯次利用篩選拓展了思路。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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