隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出,電動(dòng)汽車以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。當(dāng)電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池容量下降到不滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程要求時(shí),就需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行退役處理。隨著電動(dòng)汽車市場的日趨繁榮,退役的動(dòng)力電池的“出路”問題日漸凸顯。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量衰減至80%,因續(xù)航能力不足而退役,但經(jīng)過梯次利用處理,仍可用于基站備電。車用動(dòng)力電池包以通信用48V后備電源為基本模塊,電動(dòng)汽車動(dòng)力電池經(jīng)由多組48V模塊進(jìn)行串并集聯(lián)后,組成車用動(dòng)力電池模組供電動(dòng)汽車使用,在動(dòng)力電池服役期滿后可直接應(yīng)用于通信領(lǐng)域(見圖1)。
梯次磷酸鐵鋰電池基本特性
1、電池容量的倍率特性
隨著放電電流的增加,電池的放電容量將會(huì)有所下降,當(dāng)放電倍率小于0.33C10時(shí),鋰離子電池的放電容量受到放電倍率的影響很小,放電容量差別不大,基本可以認(rèn)定電池的容量都可以100%放出。圖2為在20℃時(shí),倍率與恒流放電電壓和容量的關(guān)系曲線。
2、電池容量的溫度特性
環(huán)境溫度在0℃以上時(shí),電池容量的衰減速度較慢,而環(huán)境溫度在0℃以下時(shí),電池容量的衰減速度較快,隨著溫度的降低電池的內(nèi)阻急劇增加(見圖3)。
3、梯次磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸的對(duì)比的優(yōu)勢
1、耐高溫:鉛酸電池穩(wěn)定工作的溫度范圍25～28℃,溫度升高會(huì)損壞電池,降低電池使用壽命;
2、高能量密度:磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品重量比能量可超過130Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為210Wh/L;鉛酸電池產(chǎn)品重量比能量為32～37Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為70Wh/L;
3、大電流充放電性能:磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電,起動(dòng)電流可達(dá)5C以上,鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時(shí)間短;
4、綠色環(huán)保:磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認(rèn)證通過);鉛酸電池中卻存在著大量的鉛,在其廢棄后若處理不當(dāng),仍將對(duì)環(huán)境夠成二次污染。
鉛酸電池與梯次磷酸鐵鋰電池的對(duì)比見表1;
5、梯級(jí)利用動(dòng)力鋰電池使用壽命長、循環(huán)次數(shù)多,梯級(jí)利用后理論上仍能夠剩余6年的實(shí)際壽命和400～2000次的實(shí)際循環(huán)次數(shù),較傳統(tǒng)鉛酸電池的3～6年使用壽命、200次的實(shí)際循環(huán)次數(shù)有大幅的提高;
6、耐高溫能力強(qiáng),鋰電池滿足45℃以下極限工況的使用,目前通信基站常用的鉛酸電池溫度上限僅為35℃;
7、放電特性好,大電流放電時(shí)容量利用率高;
8、充放電轉(zhuǎn)換效率高,梯級(jí)電池的能量轉(zhuǎn)換效率較鉛酸電池高10%～15%;
9、占地小、重量輕、運(yùn)輸成本低,梯級(jí)電池重量和體積為同容量鉛酸電池的1/2或2/3。
梯次磷酸鐵鋰電池應(yīng)用的技術(shù)方案(表2)
1、將退役動(dòng)力電池進(jìn)行集中拆解,電芯集中篩選,重新組裝成標(biāo)準(zhǔn)模塊,有利于退役電芯的集中篩選與維護(hù)保證質(zhì)量;退役電芯來源不局限于特定的電動(dòng)車項(xiàng)目保證數(shù)量;最終的電池模塊能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化保證兼容(見圖4)。
2、在退役動(dòng)力電池基礎(chǔ)上直接改造,有利于電池組梯次利用的簡單模塊化,容量上占優(yōu)勢,生產(chǎn)方式上簡單易行,人工成本低廉,但占地要求較高(見圖5)。
3、梯次電池工藝流程:篩選電池電芯、測試電壓、電芯配組、內(nèi)部連接線、BMS、機(jī)箱或機(jī)架(見圖6)。
梯次磷酸鐵鋰電池的基本結(jié)構(gòu)
磷酸鐵鋰電池由正、負(fù)極板(正極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰,負(fù)極活性物質(zhì)為石墨)、隔膜、電解質(zhì)、極耳和鋁塑膜外殼組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道,通過化成等工藝處理后電池極板表面會(huì)形成一層致密的SEI膜(也叫固體電解質(zhì)界面膜),極耳起到引導(dǎo)電流的作用。正極活性物質(zhì)是磷酸鐵鋰,為橄欖石結(jié)構(gòu),其空間和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。
磷酸鐵鋰與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構(gòu)成正極,負(fù)極活性物質(zhì)通常是石墨類材料,通過粘結(jié)劑附著在銅箔上。正負(fù)極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復(fù)合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結(jié)構(gòu)的薄膜,充放電過程中Li+可以通過其孔隙,而電子e-不能通過。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機(jī)溶劑。
梯次磷酸鐵鋰電池的工作原理
電池充電時(shí),Li+從磷酸鐵鋰材料中遷移到晶體表面,從正極板材料中脫出,在電場力的作用下,進(jìn)入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極石墨晶體的表面,然后嵌入負(fù)極層狀石墨材料中。與此同時(shí),電子流通過正極的鋁箔,經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極,使電荷達(dá)至平衡。
電池放電時(shí),Li+從層狀石墨晶體中脫嵌,進(jìn)入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解質(zhì)遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時(shí),電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔電極,經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極,使電荷達(dá)至平衡。
梯次磷酸鐵鋰電池的管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)主要用于對(duì)蓄電池充電過程和放電過程進(jìn)行管理,提高蓄電池使用壽命,并為用戶提供相關(guān)信息的電路系統(tǒng)總稱。
電池管理系統(tǒng)BMS,由監(jiān)測、保護(hù)電路、電氣、通訊接口、熱管理裝置等組成,是電池保護(hù)和管理的核心組成部分,不僅要保證電池安全可靠的使用,而且要充分發(fā)揮電池的性能和延長使用壽命,作為通信用的后備能源,管理系統(tǒng)在開關(guān)電源和電池之間起到一個(gè)重要橋梁作用。對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求必須符合通信電源供電系統(tǒng)的要求,所以電池管理系統(tǒng)的安全管理模式對(duì)電池的安全性至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元、計(jì)算以及控制單元、均衡單元、控制執(zhí)行單元和通訊單元等。電池管理系統(tǒng)示意圖如圖8所示。BMS在基站間歇式的供電曲線圖如圖9所示。
恒流-恒壓充電階段:充電限制電壓控制(電池單體3.7V,電池組59.2V);
間歇式補(bǔ)充電階段:開路靜置,容量減少X%SOC(其中X取值在75～95之間)時(shí),重新進(jìn)入補(bǔ)充電狀態(tài),補(bǔ)充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;
在開路靜置狀態(tài)時(shí),若交流電停電,BMS應(yīng)能控制電池組無延遲進(jìn)入放電狀態(tài)。
即T1和T3為充電過程,T1為恒流-恒壓充電階段,T3為間歇式補(bǔ)充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。
作者簡介
武亞波:廊坊聯(lián)通電信綜合樓網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與網(wǎng)優(yōu)中心電源主管,高級(jí)工程師,《UPS應(yīng)用》雜志編
