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摘 要： 随着新能源电动汽车应用越来越广泛，车载动力电池退役后用于储能等领域实现梯次利用，对缓解环境污染问题具有重要意义。本文以某纯电动环卫车上的退役动力电池组为研究对象，选择16节退役电池开展性能及不一致性测试。基于16节退役电池串联构成的储能用电池组，设计了一种基于超级电容储能的动态主动均衡系统，以单体电池的SOC值为均衡变量，建立系统仿真模型并进行仿真模拟，结果验证本文设计的动态均衡方案具有较好的均衡效果。
关键词： 退役电池；梯次利用；不一致性；主動均衡
0 .引言
据相关统计，2012年我国有15万吨左右的废电池是从电动汽车上更替下来的[1]-[3]。退役电池的有效回收和二次使用可以有效解决对电能容量要求较低的能源系统的电源问题，提升能源的使用率，延长电池使用时间，这也大大降低了电池的使用成本，有效的减轻了环境污染问题[4]-[6]；另一方面对退役电池进行有效的二次利用可以极大地降低锂电池在回收处理阶段给动作人员的工作强度[7]-[8]。因此，对新能源电动汽车退役电池的梯次回收再利用技术的研究十分重要[9]-[10]。
1.某电动环卫车车载退役电池测试
本文研究的退役电池是从XX公司生产的2103010-EV2301型2.5吨纯电动环卫车上退役下来的。退役电池包的初始电压达330V。这整个电池组是由上层52节电池与下层54节电池的双层框架构成。下面对这106节退役电池进行回收利用的实验。
为了提高退役电池的利用率，延长退役电池的循环寿命，降低成组使用后电池的一致性差异，在退役电池回收再次利用前，需要进行适当的筛选以剔除质量较差的废旧电池，这就要求有相对明确的一致性判定参照。进行了对实验室现有的电池不一致性的判定实验，从实验得出的数据分布的大致趋势可知，电池放电至电量为0时不一致性差异最大。
由于电池的不一致性一般通过电池放电实验末期电池电压的差异来表现。通常情况下，规定电池在完全放电后端电压的差值大于0.3V时，电池之间存在不一致性。在退役电池的回收利用过程中降低电池之间的不一致性，是使退役电池能够被充分利用的重要手段。
2.退役电池动态均衡系统设计
本文从实验室的实际情况与退役电池的性能特点出发，选用电池荷电状态SOC值为均衡变量的主动均衡方法。在对比分析了几种常用的均衡电路拓扑结构后，本文采用以储能电容作为能量传递媒介的电容式均衡拓扑结构对退役电池组进行均衡管理。
本文的研究对象是从电动环卫车上替换下来的退役电池组中经过筛选后所挑选的16节退役电池。串联的16节退役电池的两端分别连接一个电子开关，由两个MOSFET管、两个二极管、两个电子开关与公共的储能电容组成储能电容模块。对退役电池组进行均衡管理之前，利用放电实验法估测单体电池的荷电状态SOC，计算出电池组的平均SOC值。其次需设定相应的均衡差异阀值。由于退役电池内部差异较大，本文实验中设定的均衡开启SOC阀值为平均值的0.05，当退役电池组单体电池SOC值与平均值的差异小于0.05时，停止均衡。整个均衡过程分为高能量的电池给储能电容充电与储能电容给低能量的电池放电两个阶段。此均衡电路可以对电池组中的任意两个电池进行均衡操作，均衡过程容量利用率较高，整个过程较为简单，均衡效果较好。
3.退役电池均衡系统仿真验证
为了验证上文制定的均衡控制策略、均衡拓扑结构的可行性与最终效果，现在MATLAB/Simulink上进行仿真验证实验。主要由电源、均衡控制器、待测电池、均衡电路部分、采集与驱动电路等部分共同组成仿真模型系统。首先确定待测电池的SOC值并检测单体电池之间SOC值差异是否超过规定均衡阀值。如超过相关阀值，由控制器控制开关管的导通与关闭，平衡各个单体电池之间的SOC值，使16节退役电池SOC值差在规定阀值以内时停止均衡。由于此次实验电池为退役电池，又出于对电池组的保护，此次仿真实验设定在充电过程中当单体电池电压达到85%时，电池组停止充电。
下面测量从实验室里经过分选后的退役电池中挑选的16节退役电池的各个SOC值并输入仿真模型系统。分别测试单体电池在静置、恒流充电两种状态下SOC值。充电测试时，通过恒流源模块设置10A的恒定电流进行充电均衡，持续1小时，观察并记录SOC值变化，如图1，图2。
由图1、图2对比分析可知，所挑选的退役电池其初始荷电状态SOC主要分布在0.47-0.78之间，通过静置均衡之后，SOC主要集中在0.58-0.68之间，虽然仍存在一定差异，但均衡后的差异均衡控制在0.1左右；在充电状态下，均衡系统工作后SOC主要集中0.75-0.85之间。对于性能参数较为复杂的退役电池而言，此系统表现出了良好的均衡效果。
4.总结
本文从退役电池的回收利用出发，分析了退役电池回收利用过程中的一些主要问题。从退役电池的利用趋势出发，对国内外退役电池回收利用现状的分析。分析了电池不一致性产生的原因，通过实验对比退役电池与新电池的不一致性差异，以及退役电池不一致性的影响。另外，从退役电池与新电池放电过程电池电压的变化差异出发，提出退役电池不一致性的判定标准。分析了退役电池回收利用之前的筛选分级方法。提出了一种基于电容作为能量传递媒介的主动均衡电路，并进行了仿真验证实验。
参考文献
[1]马泽宇，姜久春.用于储能系统的梯次利用锂电池组均衡策略设计[J]. 电力系统自动化，2014， 28 （3）：106-117.
[2]JiuChun Jiang， Feng Wen， JiaPeng Wen， CaiPing Zhang， Battery Management System Used in Electric Vehicles [J]. Power Electronics， 2011， 12： 2-10.
[3]周向阳.退役动力电池寿命预测与匹配检验[J]. 中国有色金属学报（英文版），2013，10：1003-6326.
[4]IEA. World Energy Outlook 2017 International Energy Agency[R/OL]. 2017 http：//www.iea.org/publications.
[5]Neubauerj，Pesaran A. The ability of battery second use strategies to impact Plug-in electric vehicle prices and serve utility energy storage applications [J]. Journal of Power Sources，2011，196：10351一10358.
[6]何睦.充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析[J]. 电源技术，2016 07.
[7]孙冬.锂离子电池梯次利用关键技术研究[D]. 上海：上海大学，2016.
[8]韩江洪，王龙飞，刘征宇，毕翔. 基于剩余容量的锂离子电池组均衡策略[J]. 电子测量与仪器学报，2014，10： 1047-1052.
[9]Li Z， Huang J， Liaw B Y， et al. On state-of-charge determination for lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2017， 348：281-301.
[10]李哲， 卢兰光， 欧阳明高. 提高安时积分法估算电池SOC精度的方法比较[J]. 清华大学学报（自然科学版）， 2010（8）：1293-1296.
关键词： 退役电池；梯次利用；不一致性；主動均衡
0 .引言
据相关统计，2012年我国有15万吨左右的废电池是从电动汽车上更替下来的[1]-[3]。退役电池的有效回收和二次使用可以有效解决对电能容量要求较低的能源系统的电源问题，提升能源的使用率，延长电池使用时间，这也大大降低了电池的使用成本，有效的减轻了环境污染问题[4]-[6]；另一方面对退役电池进行有效的二次利用可以极大地降低锂电池在回收处理阶段给动作人员的工作强度[7]-[8]。因此，对新能源电动汽车退役电池的梯次回收再利用技术的研究十分重要[9]-[10]。
1.某电动环卫车车载退役电池测试
本文研究的退役电池是从XX公司生产的2103010-EV2301型2.5吨纯电动环卫车上退役下来的。退役电池包的初始电压达330V。这整个电池组是由上层52节电池与下层54节电池的双层框架构成。下面对这106节退役电池进行回收利用的实验。
为了提高退役电池的利用率，延长退役电池的循环寿命，降低成组使用后电池的一致性差异，在退役电池回收再次利用前，需要进行适当的筛选以剔除质量较差的废旧电池，这就要求有相对明确的一致性判定参照。进行了对实验室现有的电池不一致性的判定实验，从实验得出的数据分布的大致趋势可知，电池放电至电量为0时不一致性差异最大。
由于电池的不一致性一般通过电池放电实验末期电池电压的差异来表现。通常情况下，规定电池在完全放电后端电压的差值大于0.3V时，电池之间存在不一致性。在退役电池的回收利用过程中降低电池之间的不一致性，是使退役电池能够被充分利用的重要手段。
2.退役电池动态均衡系统设计
本文从实验室的实际情况与退役电池的性能特点出发，选用电池荷电状态SOC值为均衡变量的主动均衡方法。在对比分析了几种常用的均衡电路拓扑结构后，本文采用以储能电容作为能量传递媒介的电容式均衡拓扑结构对退役电池组进行均衡管理。
本文的研究对象是从电动环卫车上替换下来的退役电池组中经过筛选后所挑选的16节退役电池。串联的16节退役电池的两端分别连接一个电子开关，由两个MOSFET管、两个二极管、两个电子开关与公共的储能电容组成储能电容模块。对退役电池组进行均衡管理之前，利用放电实验法估测单体电池的荷电状态SOC，计算出电池组的平均SOC值。其次需设定相应的均衡差异阀值。由于退役电池内部差异较大，本文实验中设定的均衡开启SOC阀值为平均值的0.05，当退役电池组单体电池SOC值与平均值的差异小于0.05时，停止均衡。整个均衡过程分为高能量的电池给储能电容充电与储能电容给低能量的电池放电两个阶段。此均衡电路可以对电池组中的任意两个电池进行均衡操作，均衡过程容量利用率较高，整个过程较为简单，均衡效果较好。
3.退役电池均衡系统仿真验证
为了验证上文制定的均衡控制策略、均衡拓扑结构的可行性与最终效果，现在MATLAB/Simulink上进行仿真验证实验。主要由电源、均衡控制器、待测电池、均衡电路部分、采集与驱动电路等部分共同组成仿真模型系统。首先确定待测电池的SOC值并检测单体电池之间SOC值差异是否超过规定均衡阀值。如超过相关阀值，由控制器控制开关管的导通与关闭，平衡各个单体电池之间的SOC值，使16节退役电池SOC值差在规定阀值以内时停止均衡。由于此次实验电池为退役电池，又出于对电池组的保护，此次仿真实验设定在充电过程中当单体电池电压达到85%时，电池组停止充电。
下面测量从实验室里经过分选后的退役电池中挑选的16节退役电池的各个SOC值并输入仿真模型系统。分别测试单体电池在静置、恒流充电两种状态下SOC值。充电测试时，通过恒流源模块设置10A的恒定电流进行充电均衡，持续1小时，观察并记录SOC值变化，如图1，图2。
由图1、图2对比分析可知，所挑选的退役电池其初始荷电状态SOC主要分布在0.47-0.78之间，通过静置均衡之后，SOC主要集中在0.58-0.68之间，虽然仍存在一定差异，但均衡后的差异均衡控制在0.1左右；在充电状态下，均衡系统工作后SOC主要集中0.75-0.85之间。对于性能参数较为复杂的退役电池而言，此系统表现出了良好的均衡效果。
4.总结
本文从退役电池的回收利用出发，分析了退役电池回收利用过程中的一些主要问题。从退役电池的利用趋势出发，对国内外退役电池回收利用现状的分析。分析了电池不一致性产生的原因，通过实验对比退役电池与新电池的不一致性差异，以及退役电池不一致性的影响。另外，从退役电池与新电池放电过程电池电压的变化差异出发，提出退役电池不一致性的判定标准。分析了退役电池回收利用之前的筛选分级方法。提出了一种基于电容作为能量传递媒介的主动均衡电路，并进行了仿真验证实验。
参考文献
[1]马泽宇，姜久春.用于储能系统的梯次利用锂电池组均衡策略设计[J]. 电力系统自动化，2014， 28 （3）：106-117.
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[3]周向阳.退役动力电池寿命预测与匹配检验[J]. 中国有色金属学报（英文版），2013，10：1003-6326.
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[5]Neubauerj，Pesaran A. The ability of battery second use strategies to impact Plug-in electric vehicle prices and serve utility energy storage applications [J]. Journal of Power Sources，2011，196：10351一10358.
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[7]孙冬.锂离子电池梯次利用关键技术研究[D]. 上海：上海大学，2016.
[8]韩江洪，王龙飞，刘征宇，毕翔. 基于剩余容量的锂离子电池组均衡策略[J]. 电子测量与仪器学报，2014，10： 1047-1052.
[9]Li Z， Huang J， Liaw B Y， et al. On state-of-charge determination for lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2017， 348：281-301.
[10]李哲， 卢兰光， 欧阳明高. 提高安时积分法估算电池SOC精度的方法比较[J]. 清华大学学报（自然科学版）， 2010（8）：1293-1296.