充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析

何睦，赵光金*，吴文龙，冯祥明

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052；2.国家电网公司电网废弃物资源化处理技术实验室，河南郑州450052；3.河南环宇赛尔新能源科技有限公司，河南新乡453002)

充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析

何睦1，2，赵光金1，2*，吴文龙1，2，冯祥明3

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052；2.国家电网公司电网废弃物资源化处理技术实验室，河南郑州450052；3.河南环宇赛尔新能源科技有限公司，河南新乡453002)

对共计5辆纯电动公交大巴车上的退役动力电池进行性能测试分析，主要研究充电模式下退役动力电池模块及电芯的容量、内阻、电压等主要性能参数的衰变特性，并与电池出厂前数据进行比较分析。此外，还研究了退役电芯的外观、容量、内阻及电压的分布特性和一致性。研究结果显示退役电池模块及电芯的容量明显下降，内阻明显增加，容量和内阻的一致性明显下降。退役电池剩余容量可观，可以进行梯次利用。

充电模式；退役动力电池；梯次利用

国家“十二五”规划提出：“开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程，推进产业化应用”。目前，以新能源汽车为代表的新能源产业在快速地从实验室向产业化、市场化迈进。其中，以锂离子电池为代表的动力电池被广泛地应用于混合动力汽车及纯电动汽车上。

考虑到电池自身使用过程中电性能逐渐衰退的特点，目前对于动力锂电池的使用提出了梯次利用的理想模式：即新电池出厂后，首先用于对安全性有着更高标准和更严要求的电动汽车上；当电池容量为标称容量的70%～80%时，或满足一定的使用年限后(一般是3年)，电池从电动汽车上退役，根据对容量的不同需求，在储能系统、UPS等方面进行梯次利用；完全报废的电池进行材料的回收处理，使电池在全寿命周期内都能得到充分利用，达到节能环保及降低成本的目的。无论从技术上还是经济上都是一个良好的解决方案[1]。

电动汽车动力电池的能量补充方式现阶段主要分为：充电模式和换电模式两大类，由于这两种方式的充放电管理方式不同，电池性能的变化也必然有所不同，会对电池的梯次利用造成影响。就全国电动汽车的实际使用情况来看，除北京、青岛、新乡等地进行的换电站示范外，全国大多数地区主要采用的还是充电模式。因此，通过研究充电模式下动力电池的性能变化特性及一致性，对开展退役电池梯次利用可行性具有十分重要的指导意义。

1 实验

1.1 退役电池及测试仪器

本论文以退役下来的HPPF70173248方形软包动力电池作为研究对象。电芯标称容量20 Ah，平台电压3.2 V，充放电范围2.80～3.65 V。电池配组方式为：10只方形软包磷酸铁锂电芯并联组成电池模块，再经过2并180串组成400 Ah/576 V磷酸铁锂动力电池组与三相异步电机驱动系统配合，为车辆提供动力。这些电池自2010年投运至今有3年的运行时间，运行里程达14万km，完全采用充电模式运营。

电池测试可采用杭州可靠性仪器厂的LIT-05020电池测试仪，对电池进行充放电及循环性能进行测试；电池开路电压(OCV)及内阻测试采用HIOKIBT 3554型电池测试仪。

1.2 实验过程

测试方法参考国家行业标准GB/T 743-2006[2]，结合所选用电池样本的基本参数和出厂技术测试要求进行。实验中采用的电池容量测试方法如下：在(20±5)℃条件下，先将电池残余电量放完，静置15m in，以0.3 C对电池恒流充电至3.65 V转为恒压充电，至充电电流降至0.05 C，认为电池充满电。静置0.5 h后，以0.5 C恒流放电至电压降到2.8 V，记录放电电量作为电池的容量。电池电压及内阻测试方法如下：在(20± 5)℃条件下，将电池按上述充电方式充满电后，静置半小时，直接用电池测试仪测量其电压和内阻读数。

2 结果与讨论

2.1 动力电池容量变化及其分布规律

研究退役电池性能的变化，容量是最核心的参数之一。为研究充电模式下电池容量的变化，选取了电动大巴上已经运行了3年的电池组，经过剔除断路、完全鼓胀、漏液等无法进行充放电循环测试的电池后，对剩余得到的2 163只电池重新进行容量检测。并通过电池编号溯源当初电池出厂时的容量测试数据。电池容量及容量分布相对比例如图1所示。

图1 电池出厂容量和重检容量分布对比

从图1中可见，电池容量的相对比例分布曲线符合正态分布特征，尤其是当样本容量年n>2 000的情况下。根据文献报道，已有人做了K-S检验和S-W检验论证[3]，通过对以上两条曲线进行正态分布拟合，得式(1)：

在式(1)中f(x)表示电池数目的相对比例，x表示各电池组的实际容量，μ表示电池的平均容量，σ表示分布的离散性。

出厂容量：μ=221.15，σ=1.23

重检容量：μ=187.45，σ=31.33

电池出厂时容量基本集中在220 Ah左右。这是由于软包磷酸铁锂电池的标称容量为200 Ah，根据国家行业标准电池出厂的实际放电容量应为标称容量的110%，即220Ah。同时，容量偏差为1～5 Ah，主要由于生产一致性要求所致(采用相同的生产人员、设备、原材料、工艺、加工环境)，电池容量的一致性也保持较好，再加上经过分容、配组、组装后容量严重偏差的电池被从体系中剔除了，所以电池出厂时容量分布更为集中。

而使用后退役下来的电池，电池内部结构发生了不可逆的改变，并随使用时间和使用频次不断累积，导致电池容量整体下降。容量衰减到最小134 Ah，最大217 Ah，平均容量剩余下降了约10%～17.5%，最大容量偏差更是达到了62 Ah。综上所述，充电模式下，电池容量明显降低，容量分布离散性十分明显。

2.2 动力电池内阻变化及其分布规律

反映电池性能的另一个重要指标就是电池的内阻。对于上述电池样本的2 163只电池重新进行内阻检测。同样通过电池编号溯源当初电池出厂时的内阻测试数据。电池内阻及内阻分布相对比例如图2所示。

图2 电池出厂内阻和重检内阻分布对比

从图2中可见，电池内阻的分布同容量一样，也呈现正态分布趋势。同样做正态分布拟合。

在式(2)中f(x)表示电池数目的相对比例，x表示各电池组的实际内阻，μ表示电池的平均内阻，σ表示分布的离散性。

出厂内阻：μ=0.28，σ=0.086

重检内阻：μ=0.60，σ=0.27

出厂时电池内阻主要集中在0.25～0.3mΩ，正负偏差约在0.05mΩ左右，使用后电池内阻增加显著，主要集中在0.5mΩ，增加量约1倍，一些电池甚至到了0.7mΩ，同时电池内阻的差异性也显著增加，正负偏差约在0.15mΩ左右，增加了约3倍。综上所述，充电模式下，电池内阻明显增加，内阻分布离散性十分明显。

2.3 退役电池电压特性变化

通过电池测试仪测到的电压是静态的开路电压(OCV)，虽然单一的测量开路电压意义并不大，因为电压会随电池的荷电状态不断改变。但可以据此剔除掉电压异常且已无法进行充放电的电池，同时可以考量电池一致性的好坏。如图3所示，退役电池的开路电压仍绝大部分处在3.33～3.35 V的区间，同出厂时成组电池之间压差＜10mV的要求比起来，一致性保持良好。这说明在充电模式下，电池的使用对于开路电压的影响比较小。

图3 退役电池开路电压分布

2.4 退役电芯外观筛选分析

以某一辆整车的退役电池为样本，将其全部拆解，得到3 600只电芯进行测试分析。拆解后的电芯，经外观目视检测后进行归类。外观完好的电芯占37.31%，发软和气胀电芯所占比例分别为50.86%和11.67%，其他为0.17%，主要是漏液和拆解过程中人为损伤的电芯，具体分布如图4所示。

图4 退役电池拆解后电芯外观检视比例

外观不良的电芯主要存在发软和气胀现象，原因是电池在使用过程中内部发生了如SEI膜损伤、电解液分解、电极材料结构坍塌、嵌锂无法脱出等副反应。而物理损伤和电路损伤几乎可以不计[4]。

2.5 退役电芯容量特性分析

对外观良品电芯做0.5 C放电容量测试，剔除掉循环后发软及因电压、内阻异常无法完成电性能循环测试的电芯，发现充电模式下退役电芯的容量特性存在如下特点：一方面绝大部分电芯能够测量出容量，且还保有较多的电量，普遍在标称容量的90%以上，这部分电芯占整个外观良好电芯总数的93.89%；另一方面，一小部分电芯几乎无法完成充放电流程，进行容量测试，个别能够放出容量的电芯，放电容量也不足标称容量的30%，这部分电池芯约占整个外观良好电芯的3.40%。退役电芯容量分布如图5所示。

图5 电性能良品容量测试

2.6 退役电芯内阻特性分析

按照外观检视类别的不同，对退役电芯进行内阻测试，测试结果见图6所示。

从图6可见，电芯依良品→发软→气胀的顺序，平均内阻在不断增大，同时一致性也在不断下降。外观良品电芯的内阻基本保持在5mΩ左右(新出厂电芯内阻在2mΩ以内)。而发软和气胀电芯的内阻基本都在10mΩ以上，且离散性较大。从内阻的数值分布来看，气胀电芯的内阻增大较发软电芯更为显著，意味着过充情况对电池的损伤更为严重。

图6 不同类型电芯内阻分布对比

2.7 拆解后配组情况分析

对于外观检测通过的1 343只良品电芯，为了进一步检测其梯次利用的可能性，对其进行了电压、内阻、容量和循环性能等电性能的测试[5]。发现最终通过所有检测能够重新配组进行再利用的电芯仅有296只，占所有外观良品的22.04%，见图7。而考虑到一致性问题[6]，按照实际目标应用场合的要求，配组率更低，只有260只电芯能够配组成功进行梯次利用，这就是说整车电池的重新配组率只有7.22%。

图7 外观良品电芯电性能测试

3 总结

本文研究了纯电动大巴退役电池及其电芯的容量、内阻及电压分布特性，并与出厂前电池数据进行了对比，结论：(1)充电模式下动力电池随着使用性能下降，突出表现为容量减小内阻增大，特别是电池间一致性显著降低；(2)制造工艺缺陷造成的容量衰减相对来说并不是引起退役电池性能衰退的主要原因，电池的滥用及复杂应用工况对电池的损伤才是主要因素。特别是使用过程中的过放电会造成出现大量发软、气胀等不可逆损害；(3)退役电池梯次利用分选及配组必须按照新电池配组要求和实际目标应用场合要求进行，而从实际拆解后的数据统计来看，重组成功的可电池梯次利用的实际配组率还比较低，要提高配组率，必须要有大量的退役电池做基础。这也进一步说明退役电池梯次利用产业要想做好，未来新能源汽车产业化规模是关键。

[1]仝志明.退役钛酸锂电池梯次用于储能的可行性研究[J].人民公交，2013(3)：104-105.

[2]国家发展和改革委员会.电动汽车用锂离子蓄电池[S].北京：国家发展和改革委员会，2006.

[3]李香龙，陈强，关宇，等.梯次利用锂离子动力电池试验特性分析[J].电源技术，2013(11)：1940-1943.

[4]ANDERSSON A S，THOMAS JO.The source of first-cycle capacity loss in LiFePO4[J].Journalof Power Sources，2001(97/98)：498-502.

[5]河南环宇赛尔新能源有限公司.锂离子电池分容配组操作作业指导书[S].新乡：环宇集团有限公司，2008.

[6]单毅.锂离子电池一致性研究[D].上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，2008.

Characteristic analysisof retired power batteries from EV busunder chargingmode

HEMu1，2，ZHAO Guang-jin1，2*，WUWen-long1，2，FENG Xiang-ming3
(1.State Grid Henan Electric PowerResearch Institute，Zhengzhou Henan 450052，China;2.Laboratory forGrid Waste Treatmentand Resource Recycle Technology，State Grid Corporation ofChina，Zhengzhou Henan 450052，China;3.Henan Huanyu Group，Xinxiang Henan 453002，China)

For the purpose of investigating the degradation of retired power lithium ion batteries，the capacity，voltage and resistance ofbatteries，the cells from 5 EV buses were studied and com pared w ith those of new batteries.The experimental results show that capacities of batteries and cells decrease significantly，while the resistance obviously increases.Both of these induce to the un-uniform ity ofbatteries.

chargingmode;retired power batteries;second-use

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1412-04

2015-12-05

何睦(1985—），男，河南省人，助理工程师，主要研究方向为电池及储能技术。