退役电池梯次利用安全性分析

1、摘要为解决环境污染和资源紧缺问题，国家大力支持发展新能源汽车产业，随着 电动汽车数量的增加，车用退役电池如何回收利用成为产业发展的关键问题。 从国内外政策分析、梯次利用环节的安全问题剖析等方面考虑退役电池梯次 利用的安全性。梯次利用环节包括退役电池收集拆解、筛选、重组、应用等，着重从筛选重组环节入手，结合退役电池健康状态和剩余容量的状态评估， 进行一致性分选的安全分析；同时根据现有的重组技术改善电池一致性差的 问题，并对重组系统的安全性进行评估。依据上述分析，给出退役电池进行 梯次利用各环节所存在的安全隐患，提出相应的管理政策，保障电池梯次利 用的安全，为未来发展退役电池的梯次利用系统提供了参

2、考。关键词：电池梯次利用；电池状态评估；安全性；一致性分选；均衡结 构；柔性成组技术AbstractIn order to solve the problems of environmental pollution and resource shortage, our government strongly supports the development of the new energy vehicle industry. With the increase of the number of electric vehicles, how to recycle the retired bat

3、teries for automobile has become a key issue for the development of the industry. The safety of cascaded utilization of retired batteries was considered from the aspects of domestic and foreign policy analysis and safety analysis of the cascaded utilization process. Cascaded utilization includes dec

4、ommissioned batteries collection and disassembly, screening, recombination, application, etc., focusing on screening and recombination, combined with the health status of decommissioned batteries and the state evaluation of the remaining capacity, consistency sorting safety analysis. At the same tim

5、e, the problem of poor battery consistency was improved according to theexisting recombination technology, and the safety of the recombination system was evaluated. On the basis of the above analysis, the hidden safety risks in each link of the phased utilization of retired batteries are presented,

6、and the corresponding management policies are proposed to guarantee the safety of the cascaded utilization of batteries, which provides a reference for the future development of the cascaded utilization system of retired batteries.Keywords : cascaded utilization of battery ; battery status assessmen

7、t ; security ; consistent sorting ; equilibrium structure ; flexible group technology0引言随着环境污染和资源紧缺问题的日益突出1，政府推出了多项新能源汽车 鼓励政策，大力呼吁使用新能源汽车。在推行环保理念的大环境以及国家政策 帮扶的有利形势下2，近年来，我国新能源汽车产业呈爆发式增长，据公安部 统计数据显示，截至2018年6月底，在新能源产业销量统计中，纯电动汽车 占比超过75%门。电动汽车销量激增，使其成为汽车市场不可忽视的一份子。 国家“十三五”规划提出，2020年实现当年新能源汽车产销200万辆以上，累

8、 计产销超过500万辆3。但随之而来的是动力电池性能随充放电点次数增加而 下降问题，当动力电池容量下降至80%时便无法供应电动汽车正常工作，需要 及时退役。随着电动汽车销量的增加，从汽车上退役下来的动力电池保有量会 持续升高，预计到2029年，全球新能源汽车每年将约有108 GW- h（300万个 电池包）动力电池退役，因此处理从电动汽车上淘汰下来的退役电池，是新能源汽车产业发展必须解决的关键问题3汽车产业发展必须解决的关键问题3从电动汽车上退役下来的动力电池仍含有 80%的电池容量，若直接对其进 行拆解回收会大大消耗电池的应用寿命，减少相应的能源利用率。如若通过回 收筛选重组可将其合理运用到

9、相对温和的应用场景下4，退役电池可以继续工作，电池的性能得到充分的发挥，同时进一步提高能源的利用率，防止废弃电 池污染环境，因此，退役电池的梯次利用应运而生。然而，动力电池使用之后内部的结构会存在不同的变化，近年来退役电池 所引发的安全事故接连发生，引起业界的强烈关注。国家发布多项规定严格要 求电池梯次利用环节的规范安全，坚持退役电池的梯次利用必须把保证其安全 性回。在经过车载长期使用后，退役动力电池可能会存在内部枝晶生长、内部 结构变化、阻抗增加等问题，其所存在的安全隐患增加；此外，各退役电池在 电动汽车阶段的使用环境、工作情况不同，所以各退役电池的安全问题不同， 退役动力电池的梯次利用安全

10、性评估也就变得更加困难町因此，本文从国家政策、退役电池分选以及退役电池的梯次利用环节存在的安全问题进行分析， 提出退役电池的检测管理措施，明确未来电池的安全性研究方向，保证梯次利 用项目的安全性，推动梯次利用环节的深入发展。1国内外梯次利用及安全性政策1.1国外梯次利用相关法规美国、德国和日本等很早便关注到动力电池的梯次利用模块，目前也已经 颁布了较为完整全面的法律法规，废旧动力电池的梯次利用和回收系统也已较 为成熟，为其新能源汽车产业的发展提供了关键的支撑条件。美国采用消费者押金制度，督促消费者配合进行废旧电池的回收工作。同 时国家立法规定电池生产者需要承担一定的电池回收费用， 而动力电池回

11、收企 业会以相对优惠的价格将提纯的原料出售给生产方， 形成良性合作的循环结构， 促进废旧动力电池回收体系的运转7。德国通过制定法规建立了一套完整的废旧电池回收体系，明确规定了电池回收的责任。依据法规制度规定，动力电池的生产者以及进口商需要在政府完 成登记，而销售商的责任既是配合电池生产企业组织建立回收机制，又要帮助 购买者明确免费回收电池的地方以及方法，同时用户被赋予的责任是将废旧电 池上交给指定回收机构。由于法规表明了回收电池工作的主要责任交由电池的 生产者承担，因此各生产厂家积极参与到废旧动力电池的回收工作中。例如， 德国大众、宝马等汽车公司在生产电池的同时也已经开始考虑废旧电池梯次利用以

12、及回收的相关工作研究8用以及回收的相关工作研究81.2国内梯次利用及安全性相关政策关于新能源汽车退役电池的梯次利用，早在 2010年国家便发布了节能 与新能源产业规划征求意见稿，计划推进我国新能源汽车产业的技术发展， 制定了发展目标及主要任务，鼓励新能源汽车行业全速发展。顺应政府策略的 部署，全国上下新能源汽车的产量快速增长，其中最受欢迎的便是电动汽车， 电动汽车产业稳步前进，持续向好。但同时，随之持续增长的车用退役电池成 为产业发展的一大难题，为此，2012年，国务院印发了节能与新能源汽车产 业发展规划(2012 2020年)的通知，进一步明确了大力发展新能源汽车的战 略部署，积极开展新能源

13、汽车试点示范，同时提出要制定动力电池回收利用管 理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系。针对车用退役电池的安全问题，2016年，政府为规范行业发展，推进资源 综合利用，发布了新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件，要 求废旧电池综合利用企业在回收处理的各个流程中严格遵守国家的规定，构建质量监管制度，保障回收利用的安全。2018年，各部门联合印发了新能源汽 车动力蓄电池回收利用管理暂行办法（下文简称办法）。办法规定了废旧电池 的回收要求，明确了回收相关方责任，在安全可控的前提下鼓励先梯次利用后 再生利用，推进废旧动力电池的综合利用。另一方面，办法再次强调了梯次产 品的质量和安全问题，要

14、求建立完善的溯源信息系统。2020年发布的新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法（征求意见稿），致力于保障梯次利用产 品的质量，对梯次利用环节进行详细规定，确保梯次利用的安全性。此外，国 家对于梯次回收利用相关的标准不断修订补充，包括电池余能检测和拆解规范 等，如表1所示。表1我国回收及梯次利用相关标准Table 1 Chinas recycling and ladder utilization standards标准号（项目号）标准名称发布单位GB/T 31485电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验国家质量监督检验检疫总2015方法局、国家标准化管理委员会GB/T 31486电动汽车用动力蓄电池

15、电性能要求及试国家质量监督检验检疫总2015验方法局、国家标准化管理委员会GB/T 34015车用动力电池回收利用 余能检测国家质量监督检验检疫总2017局、国家标准化管理委员会标准号（项目号）标准名称发布单位GB/T 33598车用动力电池回收利用 拆解规范国家质量监督检验检疫总2017局、国家标准化管理委员会GB/T 34015.2车用动力电池回收利用梯次利用第国家市场监督管理总局、国20202部分：拆卸要求家标准化管理委员会GB/T34015.4车用动力电池回收利用 梯次利用 第国家市场监督管理总局、国XXXX4部分：梯次利用产品标识（征求意见稿）家标准化管理委员会DB34_T 3077

16、车用锂离子动力电池回收利用放电技术安徽省质量技术监督局2018规范DB34/T 3437车用动力电池回收利用低速动力车梯安徽省市场监督管理局2019次利用要求新窗口打开|下,CSV上述政策分析表明国内外愈发重视梯次利用及其安全性工作的开展，退役 电池梯次利用的流程如下 图！所示，关于电池的拆解环节行业规范，国家给出 了相对明确的规定，因此本文将主要从退役电池分选环节以及重组环节的安全 性进行分析，指出目前梯次利用工程存在的安全隐患以及应当采取的检测管控 措施。军用退没世池梯次利用流程生产伐业 i电池械电,外鹿评估消贺用户j i I菜性化配徂军用退没世池梯次利用流程生产伐业 i电池械电,外鹿评估

17、消贺用户j i I菜性化配徂i 1 充故电测试i乩泄粗us沮性能，即可以通过电池剩余容量判断其工作时间两者均可以较为明确地显电哽都门成损拆解翔E制| I_1 1|潮怦倒尊性缺碰HI图1军用退役电池梯次利用流程图Fig.1 Flowcharts for the use of decommissioned battery ladders forvehicles2退役电池梯次利用分选环节2.1退役动力电池状态评估退役动力电池在进行梯次利用之前需要对其状态进行评估，便于将其二次 运用到适合的场景，主要包括检测电池容量、内阻等参量，判断其所存在的安 全隐患。目前退役电池状态的评估主要包括电池健康状态(s

18、tate of health, SOH) 评估和电池剩余容量的估算。电池健康状态衡量了电池的老化程度，电池剩余容量则描述了电池的续航示退役电池的性能指标，表征退役电池的老化程度，为后续电池的筛选重组提 供参数依据。但无论是电池健康状态还是电池剩余容量都无法表征电池内部的结构变化，退役电池内部安全隐患的隐蔽性强6，目前并没有系统成熟的技术可以准 确判断电池内的结构变化，为后续梯次利用工作留下了一定的安全隐患。另一 方面，退役电池评估环节耗时长，效率低，目前国内夕卜开始研究大数据进行电 池筛选，无需进行充放电等一系列实验测检，降低时间成本，更为科学经济。 但是目前的退役电池缺乏历史数据，利用大数据

19、开展工作受阻，若未来建立起 完善的电池溯源体系，大数据筛选便畅通无阻，退役电池的筛选环节也更安全 快速。业内学者也意识到电池检测的不准确会引发后续工作的安全问题，因此提 出了依据各场景下的电池参数检测。例如，文献11通过实验定量分析容量曲 线的差异，利用罗曼诺夫斯基准则证明了以单体的 C D-OCV特性为筛选依据可 以更为准确地判断单体电池状态，有利于后续电池的分选重组。2.2退役动力电池一致性分选动力电池单体在制造过程中会由于生产工艺误差而导致各单体间差异的 存在，甚至同一型号电池间也会存在容量、内阻等参数的不一致。此外，长期 使用过程中，各单体连接结构、环境温度等的不同也会导致各单体间的差

20、异会 加倍放大，梯次电池的不均衡现象更为明显叼。通常情况下，在工程实际中会 以多个单体电池串并联的形式进行使用向，所以退役动力电池中每个电池模组 的离散程度会更大。退役电池组的不一致性将会直接影响电池组的寿命和安全性：在电池组充 放电的过程中，由于单体不一致性的存在，导致部分单体会有过充过放现象出 现，破坏电池内部的结构从而降低电池的寿命同；单体间内阻不同也会导致工 作过程中各电池产热不同，内阻大的电池会产生更多的热量，单体电池温度升 高，从而造成电池组内温度分布不均，甚至导致局部温度过高，造成热失控现 象向。因此，在对退役动力电池进行重组梯次利用时，必须要考虑到不一致性带 来的弊端，对退役电

21、池进行合格的电池筛检，采取优化分选技术，提高退役电 池分选重组的一致性网。基于此，部分研究致力于改善单体以及电池组内的不 一致性，文献12通过实验研究提出，采用均衡电路拓扑结构及主动均衡技术 可解决储能系统支路电池一致性差的问题，提高电池组整体寿命和系统能源利 用率，降低系统的安全隐患。然而，在实际生产回收过程中，退役动力电池的拆解技术有限，将退役电 池无损拆解到电池单体难度较大，难以避免拆解过程中出现安全问题 啊。此外， 无损拆解耗时耗力，所需成本较大，将退役电池拆解到电池模组级别进行梯次 利用是最合理的方式问。但是同时电池模组的一致性分析难度也随之增大问， 目前对于模组电池的检测评估还只是

22、沿用单体电池的检测评估技术，无法准确 检测电池模组内的参数，难于确保电池模组的一致性，需要根据模组电池的老 化及不一致特性研究更适合其检测评估的技术佝2.3退役动力电池安全隐患通过上面的分析可以发现退役电池的筛选环节确实存在一定的安全问题， 使用之后的老化电池内部结构物质会发生不同程度的变化，主要外在表现为其 容量衰减、内阻增大等，同时老化电池的耐过充能力以及热稳定性也会降低， 甚至引发热失控现象亿间。此外，老化锂离子电池以及不合理电池设计会导致 锂离子电池内短路的出现，电池内短路往往会引起电池局部热失控现象，非正 常运行条件也是诱发锂离子电池热失控的一大因素；作为老化电池的另一特征，析锂现象

23、较为常见，轻微的析锂现象可以加以控制，严重时可能会导致电池容 量衰减，引发安全问题。另一方面，电池的析锂现象一般需要拆解电池才能发 现，是个较大的安全隐患。文献爽通过研究发现退役电池会出现容量突减现象，个别退役电池存在 容量突变为零的情况，这对于梯次利用系统是极大的隐患。当一个单体电池容 量突变为零时，根据木桶定理，整个电池包的充放电性能将会崩坏，影响系统 的运行，甚至引发安全事故。由以上可见，在退役电池的研究应用中，要充分 考虑其易失效、一致性差等特点，加强退役电池热稳定性检测及容量跳水现象 的防控研究，同时在系统应用中也要灵活设计电路的结构，避免出现意外时系 统发生安全问题。3退役电池梯次

24、利用重组环节3.1退役电池重组技术安全分析根据梯次利用回收流程，退役动力电池经过分选之后，将一致性相差不大 的电池进行重组集成，之后投入到二次利用中。目前电池重组技术主要包括退 役电池单体和模组级别两方面，通过不同重组技术的实验研究削弱退役电池的 不一致性，提高梯次利用系统的安全性能。在退役电池单体重组方面，目前有很多的技术研究致力于通过重组技术改 善电池一致性差的问题。例如，文献理提出一种退役电池单体串并联结构重 组的方法，通过测量充电过程中各单体的端电压，制定依次互补并联的方案， 实验仿真验证了该方法的可行性，实现了单体间的均衡充电，降低长期使用后 不一致性的安全隐患；文献13在已有的均衡

25、电路拓扑结构的基础上提出了双 层均衡拓扑的方法，将电池分组，并采用组内集中式主动均衡拓扑，组间分布 式均衡拓扑的方法，集合集中式和分布式均衡拓扑的优势，仿真结果达到了预 期均衡效果。但以上方案仅验证于退役电池数量较少的场合，随着电池数的增 长，该方法所达到均衡效果存疑。另一方面，从退役电池利用的实际意义方面思考，电池模组重组技术的研 究更为关键，因而模块级联型变流器也进入大家的视线，电池柔性成组技术得 到了空前发展。借用电力电子装置实现多电池级联型拓扑结构成组，解决了传 统成组电池一致性差的问题，延长电池寿命，提高系统安全性22此外，文献23提出了半级联型储能系统的安全保护装置，在级联储能组串

26、中设计了安全 互锁装置，加入冗余模块，当某子模块故障时，其他子模块可据此装置迅速获 取故障状态并做出保护，冗余模块保障系统的输出稳定性，实现储能系统的安 全运行以及均衡控制。目前已有学者针对传统拓扑结构的不灵活性提出新的研究方案，文献 24 着眼于固定连接的电池拓扑结构缺乏灵活性，甚至会存在过充过放等安全问题， 提出了可重构电池网络的概念，利用电路设计原理实现电池组和电池单体级别 的分级管控，实现退役电池的充放电及电池组一致性的管理。另一方面，该方 案针对电池的差异化实行均衡管理办法，同时在网络中加入温度传感器，设计 短路拓扑实现电池单体的隔离，合理管控网络的电-热-安全，有效诊治退役 电池所存在的热失控安全隐患。从以上的分析可以明显看出，退役电池梯次利用的安全性引起学者的广泛 关注，无论是电池组还是电池单体的分选重组，都有相关的合理方案研究，对 实际生产提供了重要的参考意义。3.2重组外围系统的安全隐患分析从上文重组技术分析可以得到，变流器及柔性成组技术可有效解决电池一 致性问题，在目前梯次储能系统中得到广泛应用。然而，梯次利用系统的安全 性问题值得考量。一方面，退役电池本体存在性能衰减、一致性差等实际问题， 同时存在易燃、热失控的风险 阪珂。另一方面，在实际