退役電池初始容量性能及其離散性

退役電池存在先天的一致性差，表現(xiàn)在電池間存在比新電池更為明顯的電壓差、內(nèi)阻差及容量差，還表現(xiàn)為電池間前述外特性參數(shù)分布特性不均一。

本文選取了兩組研究樣本。第一個研究樣本來自公交大巴換電模式運行5年后的退役電池。電池為軟包磷酸鐵鋰，單體額定容量22Ah，電池模塊由單體電池以2串12并組成(模塊規(guī)格：6.4V，額定容量264Ah)。

從中選取了56個電池模塊，對其放電容量進行了測試，測試方法參考國家標準GB/T743-2016《電動汽車用鋰子蓄電池》。本實驗中采用的電池容量測試方法如下：在20±5℃條件下，先將電池殘余電量放完，靜置15min，以0.3C對電池恒流充電至3.65V轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.05C，認為電池充滿電。靜置0.5h后，以0.5C恒流放電至電壓降到2.8V，記錄放電電量作為電池的容量。

第二個研究樣本來自出租車投運4年后的退役電池。電池為鋁殼磷酸鐵鋰，單體電池額定容量200Ah，單個模塊由單體電池以8串1并組成(模塊規(guī)格：25.6V，額定容量200Ah)。

從中選取了132個電池模塊，對其放電容量進行了測試，測試方法與前述樣本1的相同。測試結(jié)果見圖2，從圖中可以看出，模塊最大容量為182.854Ah，最小容量為150.139Ah，最大、最小容量差值為32.715Ah，剩余容量分布在75%～92.5%，均分布在75%及以上區(qū)間。

綜上所述，大巴車和出租車退役電池模塊剩余容量均表現(xiàn)出明顯的離散性。但是，本文中樣本2的剩余容量百分數(shù)及剩余容量一致性明顯優(yōu)于樣本1。

新電池配組時通常按容量差不大于±3%的標準執(zhí)行，若退役電池梯次利用配組時執(zhí)行該標準，將有很大比例的電池無法配組再利用。鑒于退役電池離散性明顯的特點，其電池模塊不可能處于同一容量差區(qū)間內(nèi)，而只有處于同一容量差區(qū)間的電池模塊才可配組使用。以研究樣本1為例，當配組標準定為±3%時，有66個模塊(50%比例)處于同一容量差區(qū)間內(nèi)，其余66個模塊則分別分布于5個不同的容量區(qū)間。即若配組標準按容量差不大于±3%的標準執(zhí)行時，分布于6個不同容量差區(qū)間內(nèi)的電池模塊無法配組成1組電池以梯次利用，詳見表1。

因此，關于批量退役電池梯次利用，一種技術路線是通過電池管理技術彌補電池間的不一致性，另一種技術路線是在儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設計時采用更多的并聯(lián)支路，使每一支路電池(或電池模塊)數(shù)量較少，有較小的容量差和較好的一致性。

之前的研究已發(fā)現(xiàn)，退役電池在壽命結(jié)束前衰減呈加速特點。如圖3所示，退役軟包磷酸鐵鋰單體電池在1C充放電條件下循環(huán)700次，剩余容量為80%左右，循環(huán)700次以后電池容量下降非常明顯，到780次時剩余容量僅剩2Ah左右。

1、實驗方法及條件

以前述電池樣本1為研究對象，從近200個退役電池模塊中隨機抽取5個模塊，將這5個退役電池模塊拆成單體電池，共計120支單體電池，從中隨機抽取12支(#1～#12)，開展性能循環(huán)測試，共計循環(huán)2000次左右。

容量測試參考國家標準GB/T743-2016，結(jié)合所選用電池樣本的基本參數(shù)和出廠技術測試要求進行。實驗中采用的電池容量測試方法如下：在20±5℃條件下，先將電池殘余電量放完，靜置15min，以0.3C對電池恒流充電至3.65V轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.05C，認為電池充滿電。靜置0.5h后，以0.5C恒流放電至電壓降到2.8V，記錄放電電量作為電池的容量。

2、退役電池衰減特性

以#2～#4電池的容量循環(huán)測試數(shù)據(jù)為樣本，研究分析了其衰減特性，初始放電容量分別為17.7、17.6Ah及17.9Ah。與新電池比，剩余容量分別為80.5%、80%、81.4%。經(jīng)過近2000次循環(huán)后，其放電容量分別下降至16.4、16.5Ah及16.7Ah，與新電池比，剩余容量分別為74.5%、75%及75.9%。#2～#4退役單體電池的容量循環(huán)曲線見圖4、圖5及圖6。

由圖可見，在退役電池循環(huán)衰減過程中，其充放電容量與循環(huán)次數(shù)總體呈線性關系，但每發(fā)生一次容量衰減突變(即容量循環(huán)曲線的尖峰處)，都會伴隨有較為明顯的容量下降趨勢(雖然經(jīng)歷衰減突變后，其充放電容量都會有小幅上升)。直至下一次的容量衰減突變發(fā)生，電池充放電容量將開始下一階段的明顯下降趨勢，如此往復循環(huán)。

綜上所述，在循環(huán)過程中，雖然退役電池不可防止存在性能衰減的現(xiàn)象，但是從其衰減后的剩余容量及容量衰減率看，退役電池具有較為理想的梯次利用價值。

3、退役電池容量衰減突變現(xiàn)象

在隨機循環(huán)測試的12支退役單體電池中，#1電池在循環(huán)過程中出現(xiàn)容量衰減突變?yōu)?mAh的現(xiàn)象。#1電池的初始放電容量為17.7Ah，與新電池比，剩余容量為80.5%。在1243次循環(huán)之前，電池充放電容量與循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)很好的線性關系，與#2～#4電池相同，每發(fā)生一次容量衰減突變，都會伴隨有較為明顯的容量下降趨勢。在循環(huán)至1243次時，放電容量突然降至0.12Ah，與新電池比，剩余容量為0.55%。此后繼續(xù)衰減至接近0Ah，如圖8所示。

#1退役電池的容量衰減率曲線見圖9，在循環(huán)至1242次之前，其衰減率平均為4.4%，且在1242次之前，容量衰減率與循環(huán)次數(shù)間保持較好的線性關系。循環(huán)至1243次及以后，容量衰減率突然增大近100%。

在本次抽樣實驗研究中，12支單體電池循環(huán)2000次左右后，僅#1電池出現(xiàn)了上述衰減突變現(xiàn)象，發(fā)生概率為8.3%。由此可見，退役電池性能衰減在2000次內(nèi)突變是不可預測的現(xiàn)象，但存在發(fā)生可能性，且發(fā)生概率不低。這種容量衰減突變現(xiàn)象對梯次利用儲能系統(tǒng)可靠運行是較大的挑戰(zhàn)，一方面要研究電池容量跳水等性能衰減、突變預警技術，另一方面應設計靈活的儲能系統(tǒng)電氣拓撲結(jié)構(gòu)，以便可以隔離突然失效電池所在支路，保證尚未失效支路可以正常工作。