動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)是電動(dòng)汽車發(fā)展后時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。

以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，首先以偽二維電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型為基礎(chǔ)，仿真分析不同充放電倍率和工況實(shí)驗(yàn)環(huán)境下電池端電壓過電勢(shì)組分情況，得出在低倍率恒流充放電以及脈沖工況放電過程中，電池的過電勢(shì)均值近似恒定。以此現(xiàn)象為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了電池健康狀態(tài)特性參數(shù)提取方法。

首先，基于非線性最小二乘法實(shí)現(xiàn)了低倍率恒電流充放電的電池容量相關(guān)參數(shù)的提?。蝗缓?，將該方法與已有的電池開路電壓、阻抗參數(shù)提取方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在低平均倍率、脈沖工況下的電池容量特征和內(nèi)阻特征參數(shù)的提?。蛔詈?，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

該方法可為磷酸鐵鋰電池的健康評(píng)價(jià)、梯次利用再分類與再成組提供依據(jù)。

電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展有效地緩解了能源壓力和環(huán)境污染問題。隨著近年來國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的大力扶持，電動(dòng)汽車也逐漸得到了廣大消費(fèi)者的認(rèn)同，保有量逐年增加。然而，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池在經(jīng)過數(shù)年的使用之后，將不能滿足電動(dòng)汽車正常運(yùn)行的需求，此時(shí)會(huì)有大量的動(dòng)力電池從電動(dòng)汽車上退役下來，這些電池的出路成為亟待解決的問題。

在此背景下，我國(guó)在“十二五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃中首次將電池梯次利用技術(shù)納入示范應(yīng)用項(xiàng)目，要求對(duì)電池梯次利用的篩選原則、成組方法和系統(tǒng)方案進(jìn)行研究，并建立車用淘汰鋰離子電池準(zhǔn)入導(dǎo)則。另外，國(guó)務(wù)院2012年7月頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》明確提出要制定動(dòng)力電池回收利用管理辦法，建立電池梯級(jí)利用和回收管理體系。

電池梯次利用是指將在某一用途中淘汰的電池再次作為儲(chǔ)能元件應(yīng)用到其他適合使用的場(chǎng)合。例如將電動(dòng)汽車上退役的電池應(yīng)用于對(duì)體積和能量密度要求較弱的儲(chǔ)能電站、備用電源等領(lǐng)域，對(duì)無法使用的電池進(jìn)行回收、拆解與再生。實(shí)施梯次利用，一方面可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，另一方面也可以降低電池高昂的使用成本。

國(guó)內(nèi)外對(duì)電池梯次利用相關(guān)技術(shù)開展了廣泛的研究。我國(guó)“十二五”863課題“鋰離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈工藝技術(shù)與國(guó)產(chǎn)化裝備以及梯次利用與回收技術(shù)研究”、中國(guó)電科院、國(guó)網(wǎng)北京電力公司與北京交通大學(xué)共同承擔(dān)的“電動(dòng)汽車動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，北京市科技計(jì)劃課題“電動(dòng)汽車鋰離子電池系統(tǒng)全生命周期利用技術(shù)研究與示范”，江西省電力公司電動(dòng)汽車動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)“產(chǎn)學(xué)研”課題，河南省退役電池儲(chǔ)能示范工程項(xiàng)目，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司開展的“動(dòng)力電池梯級(jí)利用及回收技術(shù)開發(fā)”預(yù)先研究項(xiàng)目，***中山科學(xué)技術(shù)研究所以及***科學(xué)技術(shù)大學(xué)等針對(duì)電池梯次利用的技術(shù)挑戰(zhàn)、商業(yè)優(yōu)化、梯次利用系統(tǒng)優(yōu)化等問題展開了多方面的研究[1-4]。

美國(guó)國(guó)家能源部、可再生能源實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、NEC美國(guó)實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)馬爾凱理工大學(xué)、巴西南里奧格蘭德聯(lián)邦大學(xué)等機(jī)構(gòu)針對(duì)動(dòng)力電池梯次利用的可行性分析、環(huán)境價(jià)值、環(huán)境價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、電池評(píng)價(jià)流程、再成組系統(tǒng)優(yōu)化和管理等方面開展了研究。

可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)的研究非常廣泛。然而，目前針對(duì)廢舊動(dòng)力電池的健康特征參數(shù)提取方法的研究相對(duì)較少。

本文以容量狀態(tài)和內(nèi)阻狀態(tài)作為磷酸鐵鋰電池健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

首先以偽二維電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型為基礎(chǔ)，仿真分析電池在不同充放電倍率和工況實(shí)驗(yàn)環(huán)境下端電壓、過電勢(shì)組分情況。

隨后分析電池端電壓對(duì)模型參數(shù)的敏感程度，選出可以表征磷酸鐵鋰電池容量特性的參數(shù)作為待辨識(shí)參數(shù)；分析目標(biāo)函數(shù)的極值特性，采用列文伯格-馬夸爾特（Levenberg-Marquart）非線性最小二乘法提取1C/25充電曲線（稱為偽開路電壓或準(zhǔn)開路電壓曲線[9,10]）對(duì)應(yīng)的電池容量特征參數(shù)和內(nèi)阻值；進(jìn)一步針對(duì)低倍率脈沖工況，使用已有的簡(jiǎn)化電池阻抗模型與分?jǐn)?shù)階聯(lián)合卡爾曼濾波算法與本文的容量特征參數(shù)提取方法相結(jié)合，分步提取電池的健康狀態(tài)特征參數(shù)值。

最后，通過電池老化實(shí)驗(yàn)以及特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性。

圖1 P2D模型物理結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，著重研究了電池容量特征參數(shù)的提取方法。通過對(duì)電池在不同充放電倍率和工況條件下端電壓、過電勢(shì)的大小和組分情況的仿真分析，得出在低倍率恒流充放電以及低平均倍率脈沖工況放電過程中電池的過電勢(shì)均值近似恒定的結(jié)論。

在此基礎(chǔ)上，基于非線性最小二乘法實(shí)現(xiàn)了低倍率恒流充放電工況下容量特征參數(shù)的提取。將該方法與已有的聯(lián)合卡爾曼濾波方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在低平均倍率脈沖放電工況下的電池容量特征和內(nèi)阻特征參數(shù)的提取，最后通過電池老化實(shí)驗(yàn)和特性試驗(yàn)驗(yàn)證了本文磷酸鐵鋰電池健康狀態(tài)提取方法的有效性。

本文方法可以在磷酸鐵鋰電池的回收、分類再成組與再利用過程中應(yīng)用。