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基于庫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(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�?紤]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,在庫侖效率的基礎(chǔ)上引入了庫侖非效率的定義。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(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。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�。黎火林等通過大量電池充放電實(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(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(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(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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