鋰動力電池組梯次利用的要求及保護措施

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)達到原生設(shè)計壽命，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)品進行一系列復(fù)雜的檢測和分析，科學的判斷其生命周期價值以及可再使用性，從而設(shè)計出符合該產(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)計周期得到了延長，為社會創(chuàng)造了經(jīng)濟價值的同時，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的發(fā)展背景，但卻是一個新興事物，因為要實現(xiàn)梯次利用必須依靠科學技術(shù)的發(fā)展和進步來完成。
 
       鋰動力電池的性能隨著使用次數(shù)的增加而衰減，當鋰動力電池性能下降到原性能的80%時，將不能達到電動汽車的使用標準，但仍可用在對鋰動力電池性能要求低的場合，即進入梯次利用階段，如儲能系統(tǒng)、低速電動交通工具等。當鋰動力電池性能進一步降低到不適合梯次利用后，再進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、物理指標檢測、綜合性能測試等。
 
       鋰動力電池梯次利用一直被認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)濟性層面考慮，認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物、電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化物產(chǎn)生的有毒氣體，這些都會嚴重威脅環(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、標準也相繼配套出臺，責任也很清晰。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、價值鏈條還沒有形成。梯次利用將鋰動力電池的使用價值最大化，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，磷酸鐵鋰動力電池無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)具備嚴格檢測流程和高安全性的要求來進行。檢測流程是進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)流程進行。
image.png
       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，無機械損傷，接口觸點無銹蝕.
 
       2）梯次利用鋰動力電池組表面應(yīng)有必需的產(chǎn)品標識，且標識清楚。
 
       3）梯次利用鋰動力電池組的正、負極端子及極性應(yīng)有明顯標記，并保證正、負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到電池初始標稱容量的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到電池初始標稱容量的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稱電壓為51.2V，鈦酸鋰動力電池組標稱電壓為50.6V。
 
      3.梯次利用鋰動力電池組BMS的保護功能
 
       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)具有的保護功能如下：
 
       1）充電限流保護。充電電流范圍：≤3.3I3（10I10）（充電限流情況除外），充電電流默認值為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。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動作電壓，當總電壓下降到恢復(fù)點時恢復(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，默認值為57.00V；保護值范圍是57.00V～57.60V，默認值為57.60V；恢復(fù)值范圍是52.00V～57.00V，默認值為56.60V。
 
       3）充電單體電壓高保護。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動作電壓，電壓下降到恢復(fù)點時恢復(fù)正常狀態(tài)。充電單體電壓高的告警值范圍是3.50V～4.50V，默認值為3.60V；保護值范圍是3.50V～4.50V，默認值為3.85V；恢復(fù)值范圍是3.00V～3.90V，默認值為3.60V。
 
       4）放電總電壓低保護。在開放環(huán)境下對鋰動力電池組進行放電，使其進入放電截止狀態(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，默認值為43.20V。
 
       5）放電單體電壓低保護。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的告警值范圍應(yīng)為2.00V～2.90V，默認值應(yīng)為2.50V；保護值的范圍應(yīng)為2.00V～2.90V，默認值應(yīng)為2.00V；恢復(fù)值的范圍應(yīng)為2.00V～3.60V，默認值應(yīng)為2.90V。
 
       6）放電過流保護。延時保護設(shè)置范圍應(yīng)為5I10～11I10（可調(diào)），延時時間應(yīng)在0s～60s（可調(diào)），瞬時保護設(shè)置范圍為10I10～30I10（可調(diào)），且瞬時保護值應(yīng)大于延時保護值；進入保護后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。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，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。在BMS 安裝在鋰動力電池模塊箱體內(nèi)，具有連續(xù)記憶功能的點溫計探頭貼在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。當電池組電壓降至43.2V 時，記錄的放電MOSFET 最高溫度為T2。計算其溫升值△T 放=T2－T1。
 
(責任編輯：子蕊)
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