鋰動力電池組梯次利用的要求及保護(hù)措施
時間:2018-11-30 10:57來源:第一電動網(wǎng) 作者: 華敏海
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1.鋰動力電池梯次利用的意義
梯次利用的定義是指某一個已經(jīng)使用過的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到原生設(shè)計(jì)壽命，再通過其他方法使其功能全部或部分恢復(fù)的繼續(xù)使用過程，該過程屬于基本同級或降級應(yīng)用的方式。“梯次利用”與“梯度利用、階梯利用、降級使用”在概念上是基本一致的，但不能視為翻新使用。
梯次利用的核心是需要對原生產(chǎn)品進(jìn)行一系列復(fù)雜的檢測和分析，科學(xué)的判斷其生命周期價(jià)值以及可再使用性，從而設(shè)計(jì)出符合該產(chǎn)品的梯次等級和應(yīng)用領(lǐng)域。
梯次利用的最大社會意義是使產(chǎn)品得到了最大限度的使用，其設(shè)計(jì)周期得到了延長，為社會創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時，也為社會減少了垃圾排放。是現(xiàn)代社會應(yīng)大力推行的一種循環(huán)性、低碳型生產(chǎn)生活方式。梯次利用雖然有著遙遠(yuǎn)的發(fā)展背景，但卻是一個新興事物，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)梯次利用必須依靠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步來完成。
鋰動力電池的性能隨著使用次數(shù)的增加而衰減，當(dāng)鋰動力電池性能下降到原性能的80%時，將不能達(dá)到電動汽車的使用標(biāo)準(zhǔn)，但仍可用在對鋰動力電池性能要求低的場合，即進(jìn)入梯次利用階段，如儲能系統(tǒng)、低速電動交通工具等。當(dāng)鋰動力電池性能進(jìn)一步降低到不適合梯次利用后，再進(jìn)入回收拆解再利用的階段。目前在梯次利用技術(shù)方面，國內(nèi)的科學(xué)院所和企業(yè)正在開展研究，包括淘汰產(chǎn)品生命周期診斷、可再循環(huán)性梯次設(shè)計(jì)、物理指標(biāo)檢測、綜合性能測試等。
鋰動力電池梯次利用一直被認(rèn)為是新能源汽車鋰動力電池退役后的主要去處，但是，也有人從安全性和經(jīng)濟(jì)性層面考慮，認(rèn)為鋰動力電池梯次利用就是一個“偽命題”。但是，隨著我國鋰動力電池退役潮的臨近，以及相關(guān)規(guī)范的連續(xù)公布，鋰動力電池的梯次利用將在退役鋰動力電池規(guī)劃和政策方面取得更多支撐，梯次利用勢在必行。
鋰動力電池梯次利用的意義在于從鋰動力電池原材料→鋰動力電池→鋰動力電池系統(tǒng)→汽車應(yīng)用→二次利用→資源回收→鋰動力電池原材料的鋰動力電池全生命周期使用角度考慮，可以降低鋰動力電池成本，避免環(huán)境污染。
從環(huán)保角度來看，退役鋰動力電池含大量重金屬和有機(jī)物、電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化物產(chǎn)生的有毒氣體，這些都會嚴(yán)重威脅環(huán)境和人類的健康，給社會生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力。所以搞好鋰動力電池回收及梯次利用工作，也是一項(xiàng)重大的生態(tài)建設(shè)任務(wù)。
梯次利用不僅能從商業(yè)模式上進(jìn)一步降低鋰動力電池成本，同時也降低儲能鋰動力電池的成本，也能推動更多的儲能應(yīng)用場景和市場。不同儲能場景對鋰動力電池要求不一樣，所以退役鋰動力電池梯次利用適用的場景和商業(yè)模式是下一個需要摸索的難題，國外梯次利用的創(chuàng)新嘗試對剛剛起步的國內(nèi)市場有很大借鑒意義。
鋰動力電池梯次利用的發(fā)展趨勢是不言而喻的，國家政策、標(biāo)準(zhǔn)也相繼配套出臺，責(zé)任也很清晰。但是，梯次利用節(jié)奏動作緩慢，其問題是利益不夠吸引、體系沒有建立起來，產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈條還沒有形成。梯次利用將鋰動力電池的使用價(jià)值最大化，可以延長鋰動力電池使用壽命，降低鋰動力電池全壽命周期成本。
2.鋰動力電池組梯次利用的要求
目前，磷酸鐵鋰動力電池?zé)o論在性能和成本方面改善的空間有限，所以磷酸鐵鋰動力電池會更適合并先于三元鋰動力電池在儲能行業(yè)的梯次利用。在《車用鋰動力電池回收利用余能檢測》中，規(guī)定退役鋰動力電池的作業(yè)程序應(yīng)具備嚴(yán)格檢測流程和高安全性的要求來進(jìn)行。檢測流程是進(jìn)行鋰動力電池余能檢測的最重要過程，包括外觀檢查、極性檢測、電壓判別、充放電電流判別、余能測試等步驟。車用鋰動力電池的余能檢測應(yīng)按圖1所示的作業(yè)流程進(jìn)行。
圖1中：Ya為鋰動力電池滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的外觀條件；Na為鋰動力電池不滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的外觀條件；Yb為鋰動力電池滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的電壓限值條件；Nb為鋰動力電池不滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的電壓限值條件。
鋰動力電池的質(zhì)量是梯次利用的前提，要求鋰動力電池成組后的外形、安裝、動力接口、信號接口以及各種協(xié)議、電壓等級等都必須統(tǒng)一起來。對梯次利用的鋰動力電池組要求如下：
1）梯次利用鋰動力電池組表面應(yīng)清潔，無明顯變形，無機(jī)械損傷，接口觸點(diǎn)無銹蝕.
2）梯次利用鋰動力電池組表面應(yīng)有必需的產(chǎn)品標(biāo)識，且標(biāo)識清楚。
3）梯次利用鋰動力電池組的正、負(fù)極端子及極性應(yīng)有明顯標(biāo)記，并保證正、負(fù)極之間留有足夠的操作安全間距。
4）接線方式應(yīng)為前出線方式，接線柱或端子的載流量應(yīng)滿足6組同規(guī)格電池的并聯(lián)要求，便于連接和緊固。
5）梯次利用鋰動力電池組的電源接口、通訊（或告警）接口應(yīng)有明確標(biāo)識，且同一功能接口類型應(yīng)統(tǒng)一一致。
6）梯次利用的鋰動力電池組內(nèi)的所有鋰動力電池應(yīng)由同一廠家生產(chǎn)的化學(xué)成分相同、類型相同、結(jié)構(gòu)相同、規(guī)格尺寸相同的電芯單體組成產(chǎn)品；
7）所使用的梯次利用磷酸鐵鋰動力電池的電芯單只容量需達(dá)到電池初始標(biāo)稱容量的70%以上，所使用的梯次利用鈦酸鋰動力電池的電芯單只容量需達(dá)到電池初始標(biāo)稱容量的75%以上；
8）磷酸鐵鋰動力電池組應(yīng)采用16 只3.2V電池單體串聯(lián)的方式組成，鈦酸鋰動力電池組應(yīng)采用22 只不低于2.3V電池單體串聯(lián)的方式組成。
9）磷酸鐵鋰動力電池組標(biāo)稱電壓為51.2V，鈦酸鋰動力電池組標(biāo)稱電壓為50.6V。
3.梯次利用鋰動力電池組BMS的保護(hù)功能
在梯次利用鋰動力電池的系統(tǒng)中，BMS的安全檢測及保護(hù)功能顯得尤為重要。梯次利用鋰動力電池組的BMS應(yīng)具有的保護(hù)功能如下：
1）充電限流保護(hù)。充電電流范圍：≤3.3I3（10I10）（充電限流情況除外），充電電流默認(rèn)值為0.33I3（1.0I10）～0.67I3（2.0I10）；梯次利用鋰動力電池應(yīng)具有自主限流充電功能，保證工作范圍內(nèi)的電壓輸入時，鋰動力電池組能夠正常充電。
2）充電總電壓高保護(hù)。鋰動力電池組充滿電后，逐步增大充電電壓，記錄電壓高告警電壓和保護(hù)動作電壓，當(dāng)總電壓下降到恢復(fù)點(diǎn)時恢復(fù)充電，記錄恢復(fù)充電電壓。充電總電壓高的告警值范圍是57.00V～57.60V，默認(rèn)值為57.00V；保護(hù)值范圍是57.00V～57.60V，默認(rèn)值為57.60V；恢復(fù)值范圍是52.00V～57.00V，默認(rèn)值為56.60V。
3）充電單體電壓高保護(hù)。鋰動力電池組充滿電后，逐步增大充電電壓，記錄單體電壓高告警電壓和保護(hù)動作電壓，電壓下降到恢復(fù)點(diǎn)時恢復(fù)正常狀態(tài)。充電單體電壓高的告警值范圍是3.50V～4.50V，默認(rèn)值為3.60V；保護(hù)值范圍是3.50V～4.50V，默認(rèn)值為3.85V；恢復(fù)值范圍是3.00V～3.90V，默認(rèn)值為3.60V。
4）放電總電壓低保護(hù)。在開放環(huán)境下對鋰動力電池組進(jìn)行放電，使其進(jìn)入放電截止?fàn)顟B(tài)，BMS 應(yīng)切斷放電電路并告警。連接外部電源對鋰動力電池組進(jìn)行充電，使其電壓升高到恢復(fù)門限，BMS 應(yīng)能自動消除告警，并自行恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。放電總電壓低的告警值范圍是36.00V～50.00V，默認(rèn)值為43.20V。
5）放電單體電壓低保護(hù)。鋰動力電池組充滿電后，以2.0I10A 電流放電，記錄單體電壓低告警電壓和保護(hù)動作電壓，放電后充電到電壓設(shè)定值恢復(fù)工作狀態(tài)。放電單體電壓低保護(hù)的告警值范圍應(yīng)為2.00V～2.90V，默認(rèn)值應(yīng)為2.50V；保護(hù)值的范圍應(yīng)為2.00V～2.90V，默認(rèn)值應(yīng)為2.00V；恢復(fù)值的范圍應(yīng)為2.00V～3.60V，默認(rèn)值應(yīng)為2.90V。
6）放電過流保護(hù)。延時保護(hù)設(shè)置范圍應(yīng)為5I10～11I10（可調(diào)），延時時間應(yīng)在0s～60s（可調(diào)），瞬時保護(hù)設(shè)置范圍為10I10～30I10（可調(diào)），且瞬時保護(hù)值應(yīng)大于延時保護(hù)值；進(jìn)入保護(hù)后2 分鐘（可調(diào)）后，BMS應(yīng)自動重啟正常輸出功能，連續(xù)3 次過流保護(hù)動作后，BMS 不再自動重啟正常輸出功能，而應(yīng)能通過人工重啟正常輸出功能。。
7）鋰動力電池低溫、高溫保護(hù)。正常工作溫度范圍：磷酸鐵鋰動力電池-5℃～45℃，鈦酸鋰動力電池-30℃～55℃。當(dāng)鋰動力電池組用于-5℃及以下的場景時，應(yīng)配置直流電加熱裝置（電加熱功率不小于100W）。鋰動力電池組應(yīng)有專門的散熱設(shè)計(jì)，以保證加熱均勻使得設(shè)備正常工作。
8）BMS電路板充放電溫升保護(hù)。在BMS 安裝在鋰動力電池模塊箱體內(nèi)，具有連續(xù)記憶功能的點(diǎn)溫計(jì)探頭貼在BMS 電路板上放電MOSFET 外側(cè)表面。在鋰動力電池組完全充滿電后，將鋰動力電池組放置在高低溫箱內(nèi)。將高低溫箱內(nèi)溫度設(shè)置為25℃±2℃，靜置4h，記錄放電MOSFET 溫度為T1。再以10I10（A）的電流放電，記錄放電MOSFET 溫度。當(dāng)電池組電壓降至43.2V 時，記錄的放電MOSFET 最高溫度為T2。計(jì)算其溫升值△T 放=T2－T1。
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