简要分析锂动力电池组的梯次利用

1.锂动力电池梯次利用的意义

梯次利用的定义是指某一个已经使用过的产品已经达到原生设计寿命，再通过其他方法使其功能全部或部分恢复的继续使用过程，该过程属于基本同级或降级应用的方式。“梯次利用”与“梯度利用、阶梯利用、降级使用”在概念上是基本一致的，但不能视为翻新使用。

梯次利用的核心是需要对原生产品进行一系列复杂的检测和分析，科学的判断其生命周期价值以及可再使用性，从而设计出符合该产品的梯次等级和应用领域。

梯次利用的最大社会意义是使产品得到了最大限度的使用，其设计周期得到了延长，为社会创造了经济价值的同时，也为社会减少了垃圾排放。是现代社会应大力推行的一种循环性、低碳型生产生活方式。梯次利用虽然有着遥远的发展背景，但却是一个新兴事物，因为要实现梯次利用必须依靠科学技术的发展和进步来完成。

锂动力电池的性能随着使用次数的增加而衰减，当锂动力电池性能下降到原性能的80%时，将不能达到电动汽车的使用标准，但仍可用在对锂动力电池性能要求低的场合，即进入梯次利用阶段，如储能系统、低速电动交通工具等。当锂动力电池性能进一步降低到不适合梯次利用后，再进入回收拆解再利用的阶段。目前在梯次利用技术方面，国内的科学院所和企业正在开展研究，包括淘汰产品生命周期诊断、可再循环性梯次设计、物理指标检测、综合性能测试等。

锂动力电池梯次利用一直被认为是新能源汽车锂动力电池退役后的主要去处，但是，也有人从安全性和经济性层面考虑，认为锂动力电池梯次利用就是一个“伪命题”。但是，随着我国锂动力电池退役潮的临近，以及相关规范的连续公布，锂动力电池的梯次利用将在退役锂动力电池规划和政策方面取得更多支撑，梯次利用势在必行。

锂动力电池梯次利用的意义在于从锂动力电池原材料→锂动力电池→锂动力电池系统→汽车应用→二次利用→资源回收→锂动力电池原材料的锂动力电池全生命周期使用角度考虑，可以降低锂动力电池成本，避免环境污染。

从环保角度来看，退役锂动力电池含大量重金属和有机物、电解质及其转化物产生的有毒气体，这些都会严重威胁环境和人类的健康，给社会生态环境造成巨大的压力。所以搞好锂动力电池回收及梯次利用工作，也是一项重大的生态建设任务。

梯次利用不仅能从商业模式上进一步降低锂动力电池成本，同时也降低储能锂动力电池的成本，也能推动更多的储能应用场景和市场。不同储能场景对锂动力电池要求不一样，所以退役锂动力电池梯次利用适用的场景和商业模式是下一个需要摸索的难题，国外梯次利用的创新尝试对刚刚起步的国内市场有很大借鉴意义。

锂动力电池梯次利用的发展趋势是不言而喻的，国家政策、标准也相继配套出台，责任也很清晰。但是，梯次利用节奏动作缓慢，其问题是利益不够吸引、体系没有建立起来，产业链、价值链条还没有形成。梯次利用将锂动力电池的使用价值最大化，可以延长锂动力电池使用寿命，降低锂动力电池全寿命周期成本。

2.锂动力电池组梯次利用的要求

目前，磷酸铁锂动力电池无论在性能和成本方面改善的空间有限，所以磷酸铁锂动力电池会更适合并先于三元锂动力电池在储能行业的梯次利用。在《车用锂动力电池回收利用余能检测》中，规定退役锂动力电池的作业程序应具备严格检测流程和高安全性的要求来进行。检测流程是进行锂动力电池余能检测的最重要过程，包括外观检查、极性检测、电压判别、充放电电流判别、余能测试等步骤。车用锂动力电池的余能检测应按图1所示的作业流程进行。

图1中：Ya为锂动力电池满足企业技术规定条件中的外观条件;Na为锂动力电池不满足企业技术规定条件中的外观条件;Yb为锂动力电池满足企业技术规定条件中的电压限值条件;Nb为锂动力电池不满足企业技术规定条件中的电压限值条件。

锂动力电池的质量是梯次利用的前提，要求锂动力电池成组后的外形、安装、动力接口、信号接口以及各种协议、电压等级等都必须统一起来。对梯次利用的锂动力电池组要求如下：

1)梯次利用锂动力电池组表面应清洁，无明显变形，无机械损伤，接口触点无锈蚀。

2)梯次利用锂动力电池组表面应有必需的产品标识，且标识清楚。

3)梯次利用锂动力电池组的正、负极端子及极性应有明显标记，并保证正、负极之间留有足够的操作安全间距。

4)接线方式应为前出线方式，接线柱或端子的载流量应满足6组同规格电池的并联要求，便于连接和紧固。

5)梯次利用锂动力电池组的电源接口、通讯(或告警)接口应有明确标识，且同一功能接口类型应统一一致。

6)梯次利用的锂动力电池组内的所有锂动力电池应由同一厂家生产的化学成分相同、类型相同、结构相同、规格尺寸相同的电芯单体组成产品。

7)所使用的梯次利用磷酸铁锂动力电池的电芯单只容量需达到电池初始标称容量的70%以上，所使用的梯次利用钛酸锂动力电池的电芯单只容量需达到电池初始标称容量的75%以上。

8)磷酸铁锂动力电池组应采用16只3.2V电池单体串联的方式组成，钛酸锂动力电池组应采用22只不低于2.3V电池单体串联的方式组成。

9)磷酸铁锂动力电池组标称电压为51.2V，钛酸锂动力电池组标称电压为50.6V。

4.梯次利用锂动力电池组BMS的保护功能

在梯次利用锂动力电池的系统中，BMS的安全检测及保护功能显得尤为重要。梯次利用锂动力电池组的BMS应具有的保护功能如下：

1)充电限流保护。充电电流范围：≤3.3I3(10I10)(充电限流情况除外)，充电电流默认值为0.33I3(1.0I10)～0.67I3(2.0I10);梯次利用锂动力电池应具有自主限流充电功能，保证工作范围内的电压输入时，锂动力电池组能够正常充电。

2)充电总电压高保护。锂动力电池组充满电后，逐步增大充电电压，记录电压高告警电压和保护动作电压，当总电压下降到恢复点时恢复充电，记录恢复充电电压。充电总电压高的告警值范围是57.00V～57.60V，默认值为57.00V;保护值范围是57.00V～57.60V，默认值为57.60V;恢复值范围是52.00V～57.00V，默认值为56.60V。

3)充电单体电压高保护。锂动力电池组充满电后，逐步增大充电电压，记录单体电压高告警电压和保护动作电压，电压下降到恢复点时恢复正常状态。充电单体电压高的告警值范围是3.50V～4.50V，默认值为3.60V;保护值范围是3.50V～4.50V，默认值为3.85V;恢复值范围是3.00V～3.90V，默认值为3.60V。

4)放电总电压低保护。在开放环境下对锂动力电池组进行放电，使其进入放电截止状态，BMS应切断放电电路并告警。连接外部电源对锂动力电池组进行充电，使其电压升高到恢复门限，BMS应能自动消除告警，并自行恢复到正常工作状态。放电总电压低的告警值范围是36.00V～50.00V，默认值为43.20V。

5)放电单体电压低保护。锂动力电池组充满电后，以2.0I10A电流放电，记录单体电压低告警电压和保护动作电压，放电后充电到电压设定值恢复工作状态。放电单体电压低保护的告警值范围应为2.00V～2.90V，默认值应为2.50V;保护值的范围应为2.00V～2.90V，默认值应为2.00V;恢复值的范围应为2.00V～3.60V，默认值应为2.90V。

6)放电过流保护。延时保护设置范围应为5I10～11I10(可调)，延时时间应在0s～60s(可调)，瞬时保护设置范围为10I10～30I10(可调)，且瞬时保护值应大于延时保护值;进入保护后2分钟(可调)后，BMS应自动重启正常输出功能，连续3次过流保护动作后，BMS不再自动重启正常输出功能，而应能通过人工重启正常输出功能。

7)锂动力电池低温、高温保护。正常工作温度范围：磷酸铁锂动力电池-5℃～45℃，钛酸锂动力电池-30℃～55℃。当锂动力电池组用于-5℃及以下的场景时，应配置直流电加热装置(电加热功率不小于100W)。锂动力电池组应有专门的散热设计，以保证加热均匀使得设备正常工作。

8)BMS电路板充放电温升保护。在BMS安装在锂动力电池模块箱体内，具有连续记忆功能的点温计探头贴在BMS电路板上放电MOSFET外侧表面。在锂动力电池组完全充满电后，将锂动力电池组放置在高低温箱内。将高低温箱内温度设置为25℃±2℃，静置4h，记录放电MOSFET温度为T1。再以10I10(A)的电流放电，记录放电MOSFET温度。当电池组电压降至43.2V时，记录的放电MOSFET最高温度为T2。计算其温升值△T放=T2-T1。