梯次利用電池在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

李德勝，馬秋閣

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梯次利用電池在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

李德勝1，馬秋閣2

(1.江蘇萬(wàn)幫德和新能源科技股份有限公司, 江蘇 常州 213100； 2.江蘇萬(wàn)幫德和新能源科技股份有限公司, 江蘇 常州 213100)

近年來(lái)我國(guó)新能源電動(dòng)汽車進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期，退役動(dòng)力電池回收和電動(dòng)汽車入網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的沖擊問(wèn)題亟待解決。分析目前電動(dòng)汽車大規(guī)模接入對(duì)大電網(wǎng)容量和電能質(zhì)量的影響以及退役動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。將退役動(dòng)力電池應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電站中，結(jié)合風(fēng)電、光電等分布式能源，組建風(fēng)光儲(chǔ)充一體化充電站。發(fā)展風(fēng)光儲(chǔ)充一體化電動(dòng)汽車充電站可有效緩解退役動(dòng)力電池回收和電動(dòng)汽車大規(guī)模入網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。

梯次利用；電動(dòng)汽車規(guī)?；?；電網(wǎng)沖擊；風(fēng)光儲(chǔ)充一體化電站

0 引言

隨著全球不可再生能源的緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益加重,電動(dòng)汽車因其節(jié)能、環(huán)保等方面的顯著優(yōu)勢(shì)而越來(lái)越受到重視[1]。據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)顯示，截至2018年6月我國(guó)新能源汽車保有量達(dá)199萬(wàn)輛，占全球市場(chǎng)保有量50%以上，連續(xù)三年位居世界第一。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，到2020年我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量需達(dá)到500萬(wàn)輛。中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)顯示，截至2018年6月，累計(jì)建設(shè)充電樁約59.2萬(wàn)個(gè)，其中私人充電樁約32萬(wàn)個(gè)，公共充電樁約27萬(wàn)個(gè)。此外，國(guó)家能源局《2018年能源工作指導(dǎo)意見》中指出，2018年計(jì)劃建成充電樁60萬(wàn)個(gè)，其中公共充電樁10萬(wàn)個(gè)，私人充電樁50萬(wàn)個(gè)。

有賴于技術(shù)提升和政策的扶持，2014—2015年我國(guó)新能源汽車取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。根據(jù)設(shè)計(jì)年限，動(dòng)力電池壽命在5年左右[2]，據(jù)此測(cè)算2018年將迎來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的退役高峰期，到2020年報(bào)廢量將高達(dá)30萬(wàn)噸，并且呈現(xiàn)逐年遞增之勢(shì)。對(duì)于退役電池，如果直接報(bào)廢會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的危害，同時(shí)也是對(duì)電池價(jià)值的極大浪費(fèi)。動(dòng)力電池容量低于80%時(shí)將不滿足電動(dòng)汽車需求，此時(shí)電池容量仍然很大，而在其容量為80%~40%時(shí)可做梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。

將退役電池梯次利用與電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)相結(jié)合，并接入風(fēng)能、光能等分布式清潔能源構(gòu)建新型風(fēng)光儲(chǔ)充一體化充電站，既可以緩解大規(guī)模電動(dòng)汽車接入對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又能夠解決大規(guī)模退役動(dòng)力電池回收的問(wèn)題。

1 電動(dòng)汽車規(guī)模化帶來(lái)的挑戰(zhàn)

截至2017年底，我國(guó)電動(dòng)汽車保有量已達(dá)160萬(wàn)輛；2018年7月3日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，計(jì)劃到2020年我國(guó)新能源汽車保有量達(dá)200萬(wàn)輛。如此大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，電網(wǎng)負(fù)荷急劇增加，勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)有城市配電網(wǎng)容量造成極大的沖擊。目前，為了解決電動(dòng)汽車充電難問(wèn)題，各電動(dòng)汽車充電設(shè)備制造企業(yè)大力研究和推廣大功率充電和換電系統(tǒng)，大量大功率充電設(shè)施接入同樣會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。電動(dòng)汽車充電將影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增加、影響設(shè)備壽命、對(duì)通信電路產(chǎn)生干擾等，同時(shí)造成電網(wǎng)電壓畸變、功率因數(shù)下降，進(jìn)而影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行[3]。

為了保證電網(wǎng)滿足大規(guī)模電動(dòng)汽車充電需求,同時(shí)減小充電對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行造成不良影響，需要研究充電站規(guī)模化建設(shè)時(shí)與電網(wǎng)的適應(yīng)性[4]。曹玉強(qiáng)[5]研究了大規(guī)模電動(dòng)車入網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，結(jié)果表明，如果大規(guī)模電動(dòng)汽車集中在負(fù)荷高峰時(shí)期充電，將加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加重電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。而大量電動(dòng)汽車無(wú)序充電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰值更大，增加電網(wǎng)調(diào)峰難度，加大配電容量的投資成本，加重輸配電網(wǎng)的壓力，同時(shí)又降低了電網(wǎng)安全性和可靠性[6]。

大規(guī)模電動(dòng)車入網(wǎng)就需要增加電網(wǎng)容量，而增加配電設(shè)備容量，將會(huì)涉及變電站建設(shè)、線路建設(shè)、多部門協(xié)調(diào)及復(fù)雜的施工改造等問(wèn)題，成本巨大，而且推動(dòng)過(guò)程緩慢，這將不利于電動(dòng)汽車的推廣和普及。充電系統(tǒng)諧波治理方法[7-9]主要有增大單臺(tái)充電機(jī)的濾波電感、減小充電機(jī)功率變換單元等效電阻、采用先進(jìn)的功率因數(shù)校正技術(shù)代替普通的二極管整流橋、充電站安裝電力有源/無(wú)源濾波器、協(xié)調(diào)每個(gè)充電站充電機(jī)的數(shù)量等[10]。無(wú)論采取哪種方法從電網(wǎng)側(cè)應(yīng)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車的接入都會(huì)造成成本的增加。

2 梯次利用電池實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

隨著電動(dòng)汽車動(dòng)力電池退役潮的臨近，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池梯次利用進(jìn)行了大量的研究，孫冬等人[11]在分析鋰離子工作特性的基礎(chǔ)上，研究了鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)、健康狀態(tài)估計(jì)、健康因子、性能測(cè)試工況、數(shù)據(jù)融合、鋰電池性能評(píng)價(jià)方法等利用的關(guān)鍵技術(shù)。王豐偉[12]從退役電池的篩選、狀態(tài)識(shí)別以及級(jí)聯(lián)式SOC自均衡控制等方面研究了退役電池梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)。李臻，董會(huì)超[13]借助儀器測(cè)試了電動(dòng)汽車退役動(dòng)力電池的電化學(xué)性能，結(jié)果表明，從電動(dòng)汽車上退役下來(lái)的動(dòng)力電池經(jīng)過(guò)分選重組后，梯次利用價(jià)值巨大。在25?℃環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)750次循環(huán)，電池容量還能保持到初始容量80%；倍率性能測(cè)試結(jié)果示，在2C放電狀態(tài)下，放電平臺(tái)電壓可達(dá)到3.0 V，放電容量也在17 Ah以上。

由于動(dòng)力電池價(jià)格昂貴，許多學(xué)者還對(duì)梯次利用電池在光儲(chǔ)充充電站中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析研究。HESSAMI M，BOWLY D R.[14]分析了大規(guī)模風(fēng)能存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)建立模型，分析結(jié)果顯示，在風(fēng)電場(chǎng)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)具有巨大的投資價(jià)值。王維[15]除了研究動(dòng)力電池梯次利用關(guān)鍵技術(shù)，還研究了動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)案例分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)單價(jià)為1.08元/Wh時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池成本與儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的利潤(rùn)持平。因此，應(yīng)該至少將儲(chǔ)能系統(tǒng)的單價(jià)為1.08元/Wh以上時(shí)才能保證盈利。劉大賀，韓曉娟等人[16]建立了光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，以滿足并網(wǎng)波動(dòng)率限制下儲(chǔ)能容量成本最小為目標(biāo)函數(shù)，分析了梯次電池儲(chǔ)能在平抑光伏功率波動(dòng)這一應(yīng)用模式下的優(yōu)化規(guī)劃并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，算例表明了該模型的合理性和有效性。孫威等人[17]以微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益、企業(yè)環(huán)保指數(shù)、能源損失指標(biāo)三項(xiàng)指數(shù)為目標(biāo)，建立了多目標(biāo)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型，采用快速非支配排序遺傳算法(NSGAⅡ)對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得出儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置容量。

雖然退役電池梯次利用在理論研究較多，實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問(wèn)題。在技術(shù)方面，梯次利用時(shí)電池的一致性與新電池差距較大，這對(duì)退役電池的成組使用夠成了很大的障礙，另外，電池的容量、電壓、內(nèi)阻等在梯次利用時(shí)會(huì)在少數(shù)循環(huán)次數(shù)下形成跳崖式下跌。在政策方面，由于缺少政策的引導(dǎo)，動(dòng)力電池銷售后無(wú)法跟蹤，電池運(yùn)行狀態(tài)和使用狀況難以判斷，動(dòng)力電池報(bào)廢后也難以追溯到生產(chǎn)廠家進(jìn)行回收。在標(biāo)準(zhǔn)方面，動(dòng)力電池型號(hào)眾多，不同的電芯拆解成單體后難以再次成組，即使標(biāo)準(zhǔn)化程度高的18650電池在循環(huán)上千次后同一單體的容量、內(nèi)阻、充放電特性也會(huì)存在差異，再次成組時(shí)一致性較差。

3 退役電池在風(fēng)光儲(chǔ)充一體化充電站中的應(yīng)用

為了解決大規(guī)模電動(dòng)汽車接入對(duì)電網(wǎng)的危害以及動(dòng)力電池退役報(bào)廢帶來(lái)的雙重危機(jī)，目前的解決方法是將電動(dòng)汽車退役動(dòng)力電池通過(guò)篩選、評(píng)估、重組應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電站中，并結(jié)合光伏、風(fēng)電等分布式能源組建風(fēng)光儲(chǔ)充一體化充電站。在風(fēng)光儲(chǔ)充一體化充電站內(nèi)，重新配組的退役電池通過(guò)集中的控制在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期充電，在電網(wǎng)高峰期或者故障時(shí)將能量通過(guò)多用途變流裝置反饋給電動(dòng)汽車。這樣能夠進(jìn)一步發(fā)揮電池剩余價(jià)值，降低電池使用成本，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行“削峰填谷”，為電網(wǎng)提供增值服務(wù)。在梯次利用電池處于備用狀態(tài)時(shí)，可接入電網(wǎng)用于儲(chǔ)能，緩解電網(wǎng)峰谷差、參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)、提供旋轉(zhuǎn)應(yīng)急備用、穩(wěn)定電壓支持、緩解輸電擁塞等問(wèn)題。

賈成真等人[18]為了平抑風(fēng)電波動(dòng)、保證儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(SOC)跟蹤給定目標(biāo)值，通過(guò)模擬仿真，優(yōu)化風(fēng)儲(chǔ)配比，提出了一種風(fēng)儲(chǔ)多時(shí)間尺度的柔性控制策略。馬澤宇等人[19]以北京奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)大巴車用退役動(dòng)力電池為研究對(duì)象，在研究退役電池容量和內(nèi)阻特性的基礎(chǔ)上，分析了將退役電池梯次利用于儲(chǔ)能系統(tǒng)可能帶來(lái)的電池成組一致性問(wèn)題。王澤眾等人[20]設(shè)計(jì)了一種電池組充電均衡電路并搭建了電池組均衡測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。并設(shè)計(jì)了容量為2 MW×3 h，由4個(gè)500 kW雙向變流器并聯(lián)組成的電池梯次利用儲(chǔ)能站。通過(guò)電池梯次利用儲(chǔ)能站結(jié)構(gòu)、電能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及儲(chǔ)能控制策略的制定，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站對(duì)動(dòng)力電池的梯次利用、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷，并且可以作為充換電站的應(yīng)急和后備電源。李娜[21]分析了梯次利用電池儲(chǔ)能全壽命周期成本,結(jié)合平準(zhǔn)化成本(LCOE)分析原理，建立了考慮梯次利用電池運(yùn)行特性和壽命特征的梯次利用電池儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本分析模型。并對(duì)比分析了梯次利用電池儲(chǔ)能與新電池儲(chǔ)能的平準(zhǔn)化成本。分析了儲(chǔ)能電站的充電來(lái)自棄風(fēng)及增加政府補(bǔ)貼兩種情景下梯次利用電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。章竹耀，郭曉麗等人[22]為了平抑風(fēng)功率波動(dòng)，并優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)出力特性，基于雙電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了在短期內(nèi)平抑風(fēng)功率波動(dòng)的新型控制策略在風(fēng)電出力特性上不僅取得了較好的平抑效果，而且能降低因儲(chǔ)能容量不足引起的瞬時(shí)大功率波動(dòng)。在電池特性上，由于采用雙BESS,很大程度上降低了電池充放電次數(shù)，延長(zhǎng)了電池壽命。

4 梯次利用電池與電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)行模式

在政策的大力扶持下，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池梯次利用取得了較大的進(jìn)步，2017年9月，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的施工調(diào)試和試運(yùn)行，國(guó)內(nèi)首套MW級(jí)基于電動(dòng)汽車退役動(dòng)力電池梯次利用的工商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目成功投運(yùn)。該系統(tǒng)由9套20 kW/122 kWh儲(chǔ)能基本單元并聯(lián)組成，共計(jì)180 kW/1.1 MWh，運(yùn)行時(shí)SOC設(shè)定為90%，系統(tǒng)的有效容量為1 MWh，使用具有溫控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的集裝箱，本地監(jiān)控系統(tǒng)由煦達(dá)自主研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表生成、戰(zhàn)級(jí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?017年11月由溧陽(yáng)普萊德新能源公司投資建設(shè)的江蘇省內(nèi)首臺(tái)汽車退役電池梯次儲(chǔ)能系統(tǒng)成功投運(yùn)，并順利接入國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司儲(chǔ)能互動(dòng)平臺(tái)。該套能源儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于電動(dòng)汽車退役動(dòng)力電池梯次所組成的大型儲(chǔ)能設(shè)備，由9套20 kW儲(chǔ)能基本單元并聯(lián)組成，功率共計(jì)180 kW，有效容量為1 MWh。

在國(guó)外動(dòng)力電池的回收體系中，日本在回收處理廢電池方面一直走在世界前列，從1994年10月起，日本電池生產(chǎn)商采用電池收回計(jì)劃，建立起“電池生產(chǎn)—銷售—回收—再生處理”的電池回收利用體系。這種回收再利用系統(tǒng)建立在每位廠家自愿努力的基礎(chǔ)上，零售商家、汽車銷售商和加油站免費(fèi)從消費(fèi)者那里回收廢舊電池，最后由回收公司進(jìn)行分解。

在歐美國(guó)家之中，其中，美國(guó)對(duì)于廢電池的回收，主要以市場(chǎng)調(diào)節(jié)為主，政府通過(guò)制定環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行約束管理，輔助執(zhí)行廢舊動(dòng)力電池的回收;在英國(guó)，規(guī)定指出電池制造商應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起實(shí)現(xiàn)回收目標(biāo)的主要責(zé)任；而在德國(guó)，政府采取了立法回收，生產(chǎn)者承擔(dān)主要責(zé)任，利用基金和押金機(jī)制建立了廢舊電池回收體系市場(chǎng)化，均取得了良好的效果。

5 總結(jié)

由于國(guó)家政策的扶持和新能源汽車技術(shù)的成熟，我國(guó)新能源汽車發(fā)展迅速，退役電池的回收問(wèn)題以及大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)都面臨著極大的挑戰(zhàn)。將退役電池梯次利用與電動(dòng)汽車充電站及分布式能源結(jié)合，建立風(fēng)光儲(chǔ)充電動(dòng)汽車充電站，既可以解決退役動(dòng)力電池回收問(wèn)題，又能緩沖大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的危害。

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Application of recycle-battery in electric vehicle charging system

LI Desheng1, MA Qiuge2

(1. Jiangsu Wanbang Dehe New Energy Technology Co., Ltd, Changzhou 213100, China; 2. Jiangsu Wanbang Dehe New Energy Technology Co., Ltd, Changzhou 213100, China)

New energy electric vehicles in China have been developing rapidly in the past few years. The problems of batteries recycling and shock on power gridwhen electric vehicles access to power grid need to be solved urgently. The impact on grid capacity and power quality because of large-scale electric vehicles access and the application of decommissioned power batteries are analyzed. This paper applies decommissioned power battery to electric vehicle charging station, and combines it with distributed energy such as wind power and photoelectric to establish a wind-PV-storage-charging integrated station. The development of wind-PV-storage-charging integrated electric vehicle charging station can effectively alleviate the problems caused by the recycling of decommissioned power batteries and the large-scale access of electric vehicles.

battery cascade utilization; large scale of EV; grid impact; wind-PV-storage-charging integrated station

2018-06-12；

2018-07-22

李德勝(1980—)，男，通信作者，碩士研究生，副高級(jí)職稱，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充電系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)，儲(chǔ)能電站；E-mail: desheng.li@wanbangauto.com

馬秋閣(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芪㈦娋W(wǎng)，儲(chǔ)能式充電站。E-mail: qiuge.ma@wanbangauto.com