基于庫侖效率的退役鋰離子動力電池儲能梯次利用篩選

時間:2019-09-16 09:50來源:電工技術(shù)學(xué)報 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、趙智興、高金峰，在2019年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1上撰文指出，用于電動汽車的鋰離子動力電池退役后，具備在儲能系統(tǒng)等場合繼續(xù)使用的潛力，其健康狀態(tài)的準確預(yù)測對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)測指標估算精度上的不足，本文從電化學(xué)角度出發(fā)，分析庫侖效率與電池容量衰減之間的內(nèi)在關(guān)系。
 
       針對鋰離子電池充放電循環(huán)中可逆鋰源的消耗機理，在庫侖效率的基礎(chǔ)上引入了庫侖非效率的定義。在相同實驗條件下分別獲得兩塊退役鋰離子動力電池充放電容量、庫侖效率、庫侖非效率三者與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。最后，在庫侖非效率測試結(jié)果對比中，創(chuàng)造性地采用對數(shù)坐標系，就此提出基于庫侖效率對退役鋰離子動力電池儲能梯次利用進行篩選的方法，并通過實驗驗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)象之一是電動汽車技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)量不斷增長。鋰離子電池作為電動汽車用動力電池，具有性能優(yōu)越、比能量高的優(yōu)點，然而當(dāng)它的容量衰減至初始容量的70%～80%時，電動汽車的續(xù)航里程已經(jīng)不能滿足要求，達不到使用標準的電池組件將會退役，但退役的動力鋰離子電池對于儲能系統(tǒng)，尤其是小規(guī)模的分散儲能系統(tǒng)來說，仍然具有較大的使用價值。
 
       對于退役鋰離子動力電池的梯次利用，實現(xiàn)了物盡其用，避免資源浪費，更能延長電池使用壽命，降低動力電池全壽命周期成本，因此擁有巨大的市場需求和應(yīng)用前景。
 
       為篩選出可繼續(xù)用于電網(wǎng)和新能源發(fā)電儲能裝置的退役電池，需要對其健康狀況有一個直觀了解。目前廣泛采用的是電池健康狀態(tài)（State of Health, SOH）評估方法，它對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，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)和峰值功率幾個方面。通常，鋰離子電池的SOH由模型評估得到，現(xiàn)有文獻研究的鋰電池健康狀態(tài)評估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗?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)方程涉及面廣且計算復(fù)雜，實用性不強。
 
       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，進而得到電池SOH的估計值。等效電路模型雖然復(fù)雜度不高，但它應(yīng)用于SOH估算時并未對多耦合參數(shù)變量的影響進行分析，因此估算精度并不高。
 
       所謂經(jīng)驗?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?zāi)Ｐ汀＠杌鹆值韧ㄟ^大量電池充放電實驗，采用數(shù)值分析方法，最終得到了鋰電池SOH估計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅磉_式，實時輸入變量參數(shù)，從而得到實時電池容量衰減率，但該方法估算SOH的準確度受到數(shù)據(jù)量大小的影響。
 
       如上所述，模型評估方法用于鋰離子電池SOH的估算，實際受到各種因素的耦合影響，很難準確監(jiān)控和分析電池內(nèi)部狀態(tài)；一些評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)雜模型和方程計算帶來的預(yù)測精度誤差，本文從電化學(xué)角度闡述了庫侖效率的物理意義，得出庫侖效率與電池壽命及容量衰減的關(guān)系，基于庫侖效率引入了庫侖非效率的概念。
 
       對兩塊退役鋰離子動力電池進行電化學(xué)測試并進行性能曲線對比分析，特別采用對數(shù)坐標系來描述庫侖非效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。最后，提出基于庫侖效率對退役鋰離子動力電池梯次利用進行篩選的新方法，并在后續(xù)實驗中證明了結(jié)論的正確性。
圖1 全電池體系在90%庫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，分析介紹了庫侖效率與電池容量的內(nèi)在關(guān)系，基于庫侖效率引入了庫侖非效率的概念，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力電池的電化學(xué)測試對比以及后續(xù)的驗證實驗，發(fā)現(xiàn)不同于基于復(fù)雜評估模型和方程計算的SOH預(yù)測指標，庫侖非效率可以更加直觀可靠地作為退役鋰離子動力電池儲能梯次利用篩選的指標，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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