基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)

盧炳岐,高海波,熊留青,杜康立

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)

盧炳岐,高海波,熊留青,杜康立

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

為了充分利用電動(dòng)汽車更換下來(lái)的二次電池，避免浪費(fèi)污染，結(jié)合風(fēng)力、太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電，為內(nèi)河或湖泊小型純電動(dòng)船舶供電。文章提出一種基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)，分析了電池組檢測(cè)和管理關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)某案例設(shè)計(jì)了回收二次電池組、風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽(yáng)能發(fā)電裝置，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

回收二次電池；岸基電能系統(tǒng)；純電動(dòng)船；清潔能源

Abstract:In order to make full use of the replaced storage battery from electric vehicles to avoid waste and pollution,a shore electric power system is put forward based on the recycled battery bank, which products electric power with wind or sunlight,to charge the system,aiming at supplying power for small electric ships in inland rivers or lakes.The key technology of battery bank testing and management are introduced .For a specific case the recycls storage,wind power generator and solar power generation device are designed,and the economic analysis is also studied.

Keywords：recycled battery;shore electric power system;electric ship;clean energy

近幾年，隨著我國(guó)的電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，動(dòng)力電池的報(bào)廢量也不斷上升。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池累計(jì)報(bào)廢量將達(dá)到16萬(wàn)t左右，廢棄動(dòng)力電池的回收問(wèn)題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。通常情況下，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的實(shí)際容量衰減至額定容量的80%時(shí)，就不能滿足車用要求，為了維持電動(dòng)汽車的性能，必須將其更換。在這種情況下，如果直接將動(dòng)力電池進(jìn)行拆解回收，勢(shì)必會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。若將其應(yīng)用于一些對(duì)性能要求不高的領(lǐng)域，例如電網(wǎng)儲(chǔ)能、岸電儲(chǔ)能等，既解決了廢舊電池的處理問(wèn)題，又能緩解能源危機(jī)。

針對(duì)動(dòng)力電池回收處理問(wèn)題，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已開始著手建立新能源汽車動(dòng)力電池的回收利用體系[1]，其中部分國(guó)家已經(jīng)構(gòu)建起了完整的回收利用體系，如圖1所示[2]。相比之下，我國(guó)的動(dòng)力電池回收利用體系仍處于初步建設(shè)階段，與歐美等國(guó)家有一定差距。

圖1 動(dòng)力電池的使用回收利用流程圖

純電動(dòng)船是指依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的船舶，使用的電來(lái)自儲(chǔ)能器件儲(chǔ)存的岸電，運(yùn)行時(shí)不消耗石油，實(shí)現(xiàn)了零排放，是名副其實(shí)的“綠色船舶”，為內(nèi)河和近海航行的中小型船舶防治大氣及油污染提供了新的思路及方案。純電動(dòng)船的發(fā)展同時(shí)對(duì)岸基電能系統(tǒng)如何為其供電提出了新的要求。

本文提出一種基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)，利用從電動(dòng)汽車中更換掉的二次電池，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電為其儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)資源的再循環(huán)利用，起到節(jié)能減排的作用，為內(nèi)河或湖泊小型純電動(dòng)船舶的用電需求提供安全穩(wěn)定的保障。

1 岸基電能系統(tǒng)及其特點(diǎn)

岸基電能系統(tǒng)主要由岸電充電裝置、太陽(yáng)能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置和岸電儲(chǔ)能裝置構(gòu)成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 岸基電能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

1)利用回收的二次電池組成岸電儲(chǔ)能裝置，延長(zhǎng)了電池的壽命，降低了系統(tǒng)成本。

2)利用太陽(yáng)能、風(fēng)力等清潔能源，將其通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在回收二次電池組中，節(jié)能環(huán)保。

3)在太陽(yáng)能和風(fēng)力不能滿足容量需求的前提下，可選擇岸電給回收的二次電池組進(jìn)行充電，適用性強(qiáng)。主要利用電網(wǎng)處于負(fù)荷低谷時(shí)進(jìn)行充電，經(jīng)濟(jì)性好。

2 岸基儲(chǔ)能裝置

本系統(tǒng)的岸基儲(chǔ)能裝置主要是由回收的二次電池組成，應(yīng)用在電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池主要經(jīng)歷了鉛酸電池階段、鎳氫電池階段和鋰離子電池3個(gè)發(fā)展階段。如表1所示，與前幾種電池相比，鋰離子電池的各項(xiàng)工作性能都相對(duì)更好，尤其是在壽命、安全性和環(huán)保性方面，領(lǐng)先前幾種電池。

表1 多種電池性能對(duì)比表

鋰離子電池性能對(duì)比見(jiàn)表2，從表2知，相比較其他幾種鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)性能相對(duì)最好，而且磷酸鐵鋰電池的原料成本相比較低，環(huán)保性、安全性好[3]。因此，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，本文提出的岸基電能系統(tǒng)擬采用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能元件。

表2 鋰離子電池性能對(duì)比

3 發(fā)電裝置

太陽(yáng)能和風(fēng)力是所有可再生能源中儲(chǔ)能最大的清潔能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球在一年內(nèi)能夠吸收到高達(dá)1.8×1017kW·h 的太陽(yáng)輻射能量，這一數(shù)值是全球能耗總量的數(shù)萬(wàn)倍，每年可開發(fā)的風(fēng)力約為5.3×1013kW·h[4]。將這2種無(wú)污染、無(wú)需購(gòu)買并且取之不盡的可再生能源用來(lái)給回收二次電池組儲(chǔ)能，能夠有效緩解能源危機(jī)，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

1)太陽(yáng)能發(fā)電裝置。太陽(yáng)能發(fā)電裝置是利用太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要是由太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能控制器構(gòu)成[5]。

2)風(fēng)力發(fā)電裝置。風(fēng)力發(fā)電裝置的原理主要是將風(fēng)力轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電裝置主要由塔架、風(fēng)輪、調(diào)向機(jī)構(gòu)、升速齒輪箱、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)構(gòu)成[5]。

4 回收二次電池組的檢測(cè)與管理

岸基電能系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置是主要由回收的磷酸鐵鋰電池組構(gòu)成。為保持二次電池組容量一致性，需要對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，將性能相近的二次電池編組，提高整個(gè)回收二次電池組的充放電效率。

目前，針對(duì)回收二次電池的檢測(cè)分類，比較好的方法是頻譜點(diǎn)法，該方法是在電池電化學(xué)阻抗譜曲線上選取出一些特定的頻率點(diǎn)，通過(guò)以點(diǎn)代線的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。使用頻譜點(diǎn)法對(duì)回收二次電池進(jìn)行分選測(cè)試的主要目的是確保在足夠小的誤差前提下，利用盡可能少的頻率特征點(diǎn)得出阻抗值，并作為電池分選的依據(jù)[4]。用該方法檢測(cè)回收二次電池的現(xiàn)有容量需要保持在原額定容量的80%左右，并且充放電性能良好才可再利用。

二次電池組中的每個(gè)單體電池的容量會(huì)隨著整個(gè)電池組充放電次數(shù)的增加而逐漸衰減，而整個(gè)二次電池組的充放電性能取決于其中最差的單體電池，因此，需要對(duì)二次電池組定期進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其中充放電性能最差的二次電池進(jìn)行更換，才能保證整個(gè)二次電池組的一致性[6]。

為了合理使用回收二次電池，延長(zhǎng)電池組壽命和避免過(guò)充、過(guò)放和高溫等問(wèn)題，采用電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)回收二次電池組進(jìn)行管理， BMS的主要功能是采集電池組的電壓電流、控制電池組的溫度、保持內(nèi)部電池均衡，用來(lái)保證工作過(guò)程中的安全性、可靠性。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

內(nèi)河碼頭多建設(shè)在港寬水深、地形平坦的沿河地帶[7]。該地帶風(fēng)光資源豐富，適合建立基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)。以長(zhǎng)江航道武漢段的月亮灣碼頭為例，設(shè)計(jì)岸基儲(chǔ)能系統(tǒng)為10艘純電動(dòng)50客座游船提供電能的供給。

電力需求：10艘純電動(dòng)雙機(jī)雙槳50客座游船，推進(jìn)電機(jī)額定功率7.5 kW，由鋰電池組供電。該純電動(dòng)游船的直流母線電壓300 V，所配置電池總電壓也選300 V。船舶8 km/h航速時(shí)，2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)功率為7.8 kW，其他船用負(fù)載設(shè)備的功率需求為1 kW，按8 h續(xù)航力的要求，每船所耗電量為70.4 kW·h。10艘游船所需耗的總電能為704 kW·h。

5.1二次電池組的設(shè)計(jì)

根據(jù)純電動(dòng)游船所需耗總電能，考慮一定的安全系數(shù),設(shè)計(jì)二次電池組的容量。

電池組的總儲(chǔ)電量能BC為：

(1)

式中：E為游船所需耗的總電能，kW·h；K為安全系數(shù)。

按以下公式計(jì)算電池組配置：

PAh=BC×1 000/U，

(2)

式中：PAh為電池組所需配置的總?cè)萘浚珹·h；U為電池組所配置電池的總電壓，V；BC為電池組的總儲(chǔ)電量，kW·h。BC為782 kW·h，總電壓為300 V。

PAh= 782×1 000/300=2 600 A·h,

(3)

根據(jù)電池組的容量計(jì)算滿足容量需求的電池串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，本案例中選用的回收二次電池單體的容量是400 A·h，電池單體的標(biāo)稱電壓為3.2 V。

需要串聯(lián)的單體數(shù)N：

(4)

94個(gè)電池單體串聯(lián)后為一組，可提供的平均電壓為300.8 V，可以滿足為300 V直流母線供電要求。

需要并聯(lián)的電池組為M：

(5)

7組電池并聯(lián)可以滿足2 600 A·h的總?cè)萘啃枨?。由?jì)算結(jié)果可得，設(shè)計(jì)的回收二次電池組的連接方式為94個(gè)單體電池串聯(lián)成1組，每組并聯(lián)，共7組。

5.2發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)江邊風(fēng)力資源豐富的特點(diǎn)，參考其它風(fēng)光互補(bǔ)案例[4]，將電能的來(lái)源按照8∶2的比例分配給風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽(yáng)能發(fā)電裝置，風(fēng)力發(fā)電裝置需要發(fā)出625.6 kW·h的電能，太陽(yáng)能發(fā)電裝置需要發(fā)出156.4 kW·h的電能。

碼頭周邊的風(fēng)速為風(fēng)速4級(jí)(5.5～8 m/s)到5級(jí)(8～10.8 m/s)之間的時(shí)間平均每天為10 h。風(fēng)力發(fā)電裝置的功率PW為：

(6)

式中：EW為風(fēng)力日平均產(chǎn)生電能kW·h；HW為有效風(fēng)速時(shí)間，h。

根據(jù)計(jì)算的功率，可選用江蘇乃爾65 kW的風(fēng)力發(fā)電裝置。

該碼頭每天的有效光照時(shí)間8 h。太陽(yáng)能發(fā)電的功率PS為：

(7)

式中：ES為太陽(yáng)能日平均產(chǎn)生電能，kW·h；HS為有效光照時(shí)間，h；ηS為發(fā)電效率。

根據(jù)計(jì)算的功率，可選用廣州森德60 kW的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。

5.3系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

該純電動(dòng)游船往返航次航行用電總費(fèi)用=船舶充電電能×電價(jià)，考慮到航行過(guò)程中用電的冗余，安全冗余按其所耗電量的20%進(jìn)行計(jì)算，則每艘純電動(dòng)游船的充電電能為84.48 kW·h，電池放完電后再次充滿的時(shí)間為6 h。據(jù)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)尖峰時(shí)1.17 元/千瓦·小時(shí)，高峰時(shí)0.99 元/千瓦·小時(shí)，低谷電價(jià)0.38 元/千瓦·小時(shí)。本案例取高峰電價(jià)進(jìn)行計(jì)算，因此，往返電費(fèi)：E=84.48×0.99=83.64 元， 每艘船全年航次約為300 次，故每艘船年電費(fèi)為25 092 元，該碼頭10艘純電動(dòng)船舶的總電費(fèi)約為25 0920 元。

電動(dòng)汽車鋰電池的價(jià)格約為1 300 元/千瓦·小時(shí)，而回收二次電池每千瓦·小時(shí)的價(jià)格是按其原來(lái)價(jià)格的30%回收，約為390元/千瓦·小時(shí)，則整個(gè)回收二次電池組的初步價(jià)格約為390×782=304 980 元。

表3 岸基電能系統(tǒng)的價(jià)格表

選用表3的太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置，實(shí)際每天發(fā)出的電能分別為168.5 kW·h和650 kW·h，發(fā)電量足夠滿足純電動(dòng)游船的電能需求。因此，可將剩余電量并入電網(wǎng)中。目前，國(guó)家對(duì)風(fēng)力和太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電的電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)分別為每千瓦·小時(shí)0.51 元和0.42 元(含稅)，湖北省對(duì)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電的電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)分別為每千瓦·小時(shí)0.07 元和0.25 元，補(bǔ)貼的稅收為17%。岸基系統(tǒng)在滿足純電動(dòng)船電能需求后，將余下電量114.5 kW·h并入電網(wǎng)后，每年獲得的補(bǔ)貼約為5.5 萬(wàn)元。

本案例計(jì)算的岸基電能系統(tǒng)的初期投入成本為135.5 萬(wàn)元，每年系統(tǒng)的維護(hù)總費(fèi)用約為3萬(wàn)元， 每年并網(wǎng)發(fā)電獲得補(bǔ)貼約為5.5 萬(wàn)元，由圖3知，第6年可收回成本。

圖3 投資回收期分析圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于回收二次電池組的岸基電能系統(tǒng)，利用風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電為其儲(chǔ)能，運(yùn)用合理有效的電池的檢測(cè)與管理方法，既延長(zhǎng)了回收二次電池組的使用壽命，又能為內(nèi)河或湖泊小型純電動(dòng)船舶提供清潔電能。設(shè)計(jì)了具體案例，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在較短年限內(nèi)實(shí)現(xiàn)成本回收。本方案對(duì)廢舊二次電池的循環(huán)利用具有很好的指導(dǎo)意義，對(duì)綠色船舶的發(fā)展和內(nèi)河運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排提供了一種新的思路。

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國(guó)家自然科學(xué)基金(51579200，51507121)

盧炳岐(1994-)，男，山東諸城人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇岸嚯娀旌夏芰抗芾怼?/p>

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.008

2017-05-22