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AGV梯次利用退役动力锂电池设计 范文健摘 要：在电动汽车技术飞速发展的今天，退役动力锂电池的梯次循环利用问题日益凸显在汽车整车制造领域，AGV的铅蓄电池具备换为退役动力锂电池的可能上汽通用五菱汽车股份有限公司立足于制造系统，开展了对整车动力锂电池梯次应用于工厂AGV的研究，本文以某款AGV电源为例，主要进行了电池包PACK方案和电池管理系统（BMS）的设计以及电气设计选型，并应用于实车验证通过上述研究验证了AGV梯次利用退役动力锂电池的可行性，并实现了AGV梯次利用退役动力锂电池的设计改造关键词：电池梯次利用 退役动力锂电池 AGV电源改造AGV Echelon Utilization of Decommissioned Power Lithium Battery DesignFan WenjianAbstract：With the rapid development of electric vehicle technology， the problem of cascade recycling of retired power lithium batteries has become increasingly prominent. In the field of automobile manufacturing， AGV lead-acid batteries are likely to be replaced by retired power lithium batteries. Based on the manufacturing system， SGMW has carried out the research on the hierarchical application of lithium battery in the factory AGV. Taking an AGV power supply as an example， this paper mainly carries out the design of battery pack scheme， battery management system （BMS） and electrical design selection， and applies it to the actual vehicle verification. Through the above research， the feasibility of AGV cascade utilization of retired power lithium batteries is verified， and the design and transformation of AGV cascade utilization of retired power lithium batteries is realized.Key words：battery echelon utilization， retired power lithium battery， AGV power supply transformation1 引言锂离子动力电池被世界科学家称誉为“21 世纪洁净的环保新能源”，具有极大的发展潜力。

随着国家对新能源电动汽车的规划和扶持，锂电技术不断创新和飞速发展，同时也存在废旧电池的处置问题据中国汽车技术研究中心预测，2018～2020年全国累计报废动力电池将达12万～20万吨，而到2025年，这一数字累计将超过75万吨，市场规模超过百亿元[1]从环境保护和资源利用方面来看，对废旧锂电池的回收再利用问题亟待解决2018年，工信部发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，明确指出由汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任由行业标准可知，新能源汽车动力电池衰减至标称容量的80%，需从车上退役此退役动力电池的容量和功率仍然可以適用于一些低动力性能要求场合，可对其进行梯次利用基于退役锂电池梯次利用的可行性，各企业近年来积极开展退役电池回收利用的研究，其中梯次利用电池常用于通信基站储能备电[2-3];上汽通用五菱作为行业领先的新能源汽车制造公司，也对退役动力电池的综合回收利用展开了一系列研究[4-5]，尤其是在退役锂电池应用于物流载具电源中取得了一系列成果本文以某款AGV为对象，分析了退役锂电池与AGV工作参数以及具体工况的兼容性，对用于AGV电源的梯次利用退役锂电池进行了PACK方案设计、机械设计和电气设计，对AGV实现了梯次利用锂电池的改造。

2 AGV梯次利用退役锂电池技术分析2.1 AGV电源性能分析为了将退役动力锂电池应用在AGV上，首先要了解原AGV电池的参数，包括电池容量、电压工作范围、最大持续充电电流、最大峰值充电电流及时间、工作电压、充电机的充电电压、电池尺寸以及通讯需求，如表1所示改造完成后的电池包需要与原电池工作参数相匹配2.2 退役动力锂电池测试本文所用于改造的退役锂电池来源于从公司某款电动车型上回收的三元锂电池包，将其进行拆包处理，得到退役动力锂电池模块，其模块参数如表2对从同一个电池包上拆解下来的退役动力锂电池模块进行状态性能测试，测试项目包括：外观检查、OCV测试、内阻测试等，测试结果如表3所示由测试结果可知，退役动力锂电池模块的外观保持良好、开路电压压差低于10mV，内阻均小于1.95mΩ，说明其一致性较好，可以进行重组进行梯次利用[5]2.3 AGV梯次利用退役动力锂电池适用性分析2.3.1 技术分析经过测试，从退役动力电池包上拆取下来的电芯状态良好，一致性满足要求因此，经过合适的串并联设计，就可以重组得到满足原AGV电源参数要求的电池包并且人工拆解退役动力锂电池包的无损率达到99.9%，其技术难度不高。

完成电池包PACK方案不仅需要其电压和容量与原AGV参数相匹配，还需要重组电池包的尺寸与载具电池舱尺寸相匹配，经实地考察载具电池舱空间充足综上分析，在拆解难度，工作参数和安装尺寸方面，对退役动力电池包进行拆解重组应用到AGV上较适用，能进一步进行改造设计2.3.2 经济分析2018年8月17日，杭州第二届中国电动汽车充放电与驱动系统学术研讨会，国家电网许继机电有限公司统计以往电池梯次利用成本为新电池购置成本的20%在这里保守估计利用梯次动力锂电池回收成本为原来的30%本文使用的某款动力锂电池新电池成本为1.6元/Wh，可以得到梯次利用锂电池成本在460.8元公司原先采购铅蓄电池单价为1000元，节约成本539.2元由此可见，AGV梯次利用退役动力锂电池具有一定的效益性2.3.3 AGV梯次利用退役动力锂电池技术路线锂电池在充放电和存储过程中，若处理不当，会引起电池内部的活性物质及电解液组分之间发生化学和电化学反应产生大量的热和气体，从而引起电池起火爆炸因此从锂电池设计、零件选型及使用方面都考虑充分，以保证锂电池生命周期内的安全，本文采用技术路线如图1所示3 锂电池系统改造方案3.1 电芯PACK方案设计在AGV实际使用过程中，设计的电池组需要满足AGV的充电需求。

在本文中首先依据最大持续充电电流来选择需要的退役动力锂电池总容量具体PACK方案设计如下a：模组总容量选择根据最大持续充电电流选取合适的锂电池电芯，本文选用的某款AGV原电池充电电流为70A，电芯以1C充电时，需要的电芯总容量是C≥70/1=70Ah，本次选择的退役动力锂电池标称容量为90Ah，符合要求b：电芯数量选择电压分析：原铅酸电池电压为，U1=24V，锂电芯电压U2=3.2V，电芯数量需求≥U1U2=24V3.2V= 7.5，因此需要至少8个电芯串联才能满足电压要求此处选择8个电芯串联功率分析：原铅酸电池参数看，功率W1=工作电压总容量=24V40 Ah1000 =0.96kWh8个锂电池电芯串联功率W2=工作电压总容量=3.2V840Ah1000=1.024 kWhW2≥W1，即从理论上8个串联的电芯组合满足要求考虑到要满足最大持续充电电流，最后选择两个电芯并联综上分析，最终确定每个锂电池包中由8个串联的电芯组成，即2并8串（2P8S）的电池包3.2 电气方案设计根据电池包参数要求和电芯特性，设计电气原理图，如图2所示因此，需要进一步对零件如BMS板、熔断器、动力线以及接插件进行设计选型。

3.2.1 BMS选型电池管理系统（BMS）对动力电池包有着重要的作用，主要在均衡电芯电量，保护电池包过充、过放、过热等安全问题上起着主要作用目前已经有各种成熟的BMS由各类公司开发出来，根据实际要求选择合适的BMS板根据厂内AGV运行工况平稳、周期性充电、需要方便检修等特点，对BMS功能要求如下：1） 锂电充电过压保护：在任何一个单串电池电压超过过压保护值时，充电回路断开2） 锂电放电欠压保护：在任何一个单串电池电压低于欠压保护值时，放电回路断开3） 锂电充电过流保护：充电电流超过保护值时，充电回路断开4） 锂电放电过流保护：放电电流超过保护值时，放电回路断开5） 锂电温度过高保护：BMS检测到电芯温度过高，BMS的充、放电回路断开6） 锂电温度过低保护：BMS检测到环境温度过低，BMS的放电回路断开7） SOC电量计算8） 剩余电量显示另，需要定制与BMS和電芯匹配的通讯控制线束和模组采集线束3.2.2 熔断器选型BMS中的MOS管对锂电池保护板的作用非常大，它可以检测过充电、检测过放电、检测充电时过电电流、检测放电时过电电流、检测短路时过电电流但是，当MOS管发生故障时，有可能被击穿而导通，此时BMS无法起到短路保护作用，需在每一路用电设备都要加熔断器，作为短路的硬件物理保护。

当电流超过100A时，BMS中的MOS管无法长时间承受如此大的电流，需要用继电器本文锂电池包的充电电流为70A，因此只在电路中接入一个熔断器即可熔断器选型方法可参考《纯电动汽车高压直流熔断器计算及选型方法》[6]，公式如下：In=I额K/（KtKeKvKfKaKb）式中：In为熔断器额定电流;I额为负载额定电流;K为负载修正系数;Kt为温度修正系数;Ke为连接器件热传导系数;Kv为风冷修正系数;Kf为频率修正系数;Ka为海拔修正系数;Kb为熔断器壳体修正系数I额=80AK：容性负载回路，取K=2Kt：温度50℃，取值Kt=0.85Ke：采用经验值，Ke=0.8Kv：无风冷，取Kv=1Kf：直流电流，取Kf=1Ka：海拔不明确，取值Ka=1Kb：陶瓷壳体，取Kb=1In=702/（0.850.81111）=206A经与供应商沟通，最终选择友容AET-200EV熔断器3.2.3 动力线与接插件选型查询规范得知：10平方毫米铜电源线的安全载流量——65A;16平方毫米铜电源线的安全载流量——91A;25平方毫米铜电源线的安全载流量——120A根据实际AGV的充电电流，选取16平方毫米铜电源线。

此外，还要购买与动力线相关的电缆固定头、及接线端子接插件需要选择与原蓄电池相同的充放电动力接插件外壳、动力接插件针芯3.3 机械方案设计首先，要根据原AGV的最大电池空间来框定锂电池的外观尺寸，如原AGV的电池空间无法满足此款电芯的布置，则需要改造AGV或更换电芯将16个电芯放到箱体数模中，根据电芯结构特点及参考其在整车动力电池包中的安装方式，可以设计多种固定方式完全限制电芯的六个自由度，以确保其在箱体的位置不会以为碰撞而产生位移常见的方法有：1）螺栓连接：易于拆。