退役動(dòng)力鋰電池在光儲(chǔ)微電網(wǎng)的集成與應(yīng)用

徐余豐，嚴(yán)加斌，何建明，琚正偉，程 革，鄭 達(dá)，鄒印龍，葉 磊，王建新

（1浙江輝博電力設(shè)備制造有限公司，浙江 衢州324407；2寧波中科孚奇能源科技有限公司；3中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315201）

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)381 萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的1.46%。其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量310萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的81.19%。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)載動(dòng)力電池容量低于80%就不再適合用于電動(dòng)汽車(chē)[1]。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模還在不斷擴(kuò)大，中國(guó)將迎來(lái)車(chē)載動(dòng)力電池的大規(guī)?！巴艘邸薄８鶕?jù)相關(guān)行業(yè)的專家預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)在2020 年累計(jì)將超過(guò)24.6 GW·h，而到2022 年動(dòng)力電池回收量將接近45 GW·h[2]。

此類動(dòng)力電池除了化學(xué)活性下降外，電池內(nèi)部的化學(xué)成分沒(méi)有發(fā)生改變。當(dāng)動(dòng)力電池容量衰退至初始容量75%左右時(shí)，直流內(nèi)阻只有小幅增加，電池常溫下的儲(chǔ)存性能、倍率性能、高低溫性能下降不顯著，電池單體和模塊的循環(huán)性能良好，顯示退役LiFePO4電池具有較好的梯次利用價(jià)值[3]。

目前，對(duì)于退役電池的梯次利用的研究，主要為退役電池的篩選評(píng)價(jià)和電池組一致性管理兩個(gè)方面。在退役電池的篩選評(píng)價(jià)上，文獻(xiàn)[4-5]提出將電池容量、平衡電動(dòng)勢(shì)與放電直流內(nèi)阻等特征參數(shù)作為退役電池梯次利用的分選指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]在測(cè)得上述各項(xiàng)電池參數(shù)的基礎(chǔ)上，將遺傳算法和K均值算法結(jié)合，對(duì)電池進(jìn)行篩選分類。文獻(xiàn)[7]則從電化學(xué)角度出發(fā)，分析庫(kù)侖效率和電池容量衰減之間的內(nèi)在關(guān)系，提出基于庫(kù)侖效率對(duì)退役動(dòng)力鋰電池儲(chǔ)能梯次利用進(jìn)行篩選的方法。

在電池組一致性管理研究方面，朱運(yùn)征等[8]采用獨(dú)特共用母線的主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)，提出了基于電源總線平衡的多因素綜合評(píng)價(jià)分析的均衡策略。趙光金等[9]提出了一種智能分時(shí)的主動(dòng)被動(dòng)協(xié)同均衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)梯次電池的高效和快速均衡。黃從勝等[10]設(shè)計(jì)了一種新型均衡電路，解決了現(xiàn)有大型電池組均衡電路均衡用時(shí)長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題。

本文從退役動(dòng)力鋰電池整包利用的角度出發(fā)，分析了退役動(dòng)力鋰電池梯次利用的全過(guò)程。以80 V-60 A·h 磷酸鐵鋰電池包為例，從電池包外觀、銘牌、開(kāi)路電壓、BMS 通訊等方面對(duì)電池包進(jìn)行初選，再對(duì)電池包進(jìn)行充放電獲得電池包的容量和CD-OCV(discharge capacity and open circuit voltage)曲線，根據(jù)容量值和電壓曲線對(duì)包進(jìn)行二次篩選。將篩選后的電池包按照容量大小進(jìn)行排序，并根據(jù)排序結(jié)果對(duì)電池包進(jìn)行分組。利用多通道儲(chǔ)能變流器將分組好的電池包進(jìn)行串聯(lián)成組得到儲(chǔ)能系統(tǒng)，并聯(lián)合分布式光伏系統(tǒng)組建光儲(chǔ)微網(wǎng)電站，實(shí)現(xiàn)退役電池的梯次利用。通過(guò)在不同倍率下對(duì)電池進(jìn)行充放，依據(jù)CD-OCV 曲線的離散情況，驗(yàn)證了篩選和成組方案的可行性。

1 電池篩選

本項(xiàng)目選用從換電站退役的80 V-60 A·h磷酸鐵鋰電池包，這批電池于2011 年10 月出廠，2018 年底陸續(xù)退役。其電芯采用中航鋰電3.2 V-60 A·h 方形鋁殼磷酸鐵鋰電池，由24 個(gè)電芯串聯(lián)的方式得到電池包。電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電池包主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 退役動(dòng)力鋰電池規(guī)格參數(shù)Table 1 Specifications of retired Li-ion battery

從電池包的外觀、銘牌、開(kāi)路電壓、BMS通訊等方面對(duì)電池包進(jìn)行初選，對(duì)外觀有缺陷、銘牌信息缺失、開(kāi)路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%范圍、BMS 無(wú)法正常通訊的電池包予以剔除[11]。經(jīng)檢測(cè)，在80個(gè)電池包當(dāng)中存在3個(gè)電池包外觀有破損，4 個(gè)電池包開(kāi)路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個(gè)電池包BMS無(wú)法通訊的情況，沒(méi)有通過(guò)初選，剩下72個(gè)電池包進(jìn)入到二次篩選環(huán)節(jié)。電池包初選不合格情況如圖2所示。

圖2 電池包初選結(jié)果Fig.2 Results of initial filtration

對(duì)剩下的電池包進(jìn)行一次充放電。考慮到電池為退役電池，設(shè)置充電電流為0.3 C，放電電流為1 C，充電截止電壓87.6 V(單體3.65 V)，放電截止電壓70 V(單體2.9 V)。放電結(jié)束后，得到電池包的容量和CD-OCV 曲線，判定電池放電容量在額定容量的75%以上，CD-OCV 曲線未出現(xiàn)“跳水”現(xiàn)象的電池包合格，可以進(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)。經(jīng)測(cè)試后，72 個(gè)電池包有22 個(gè)電池包存在容量不合格及CD-OCV曲線異常的情況，剩下50個(gè)電池包符合要求。電池包二次篩選不合格情況如圖3所示。

圖3 容量不符合及CD-OCV曲線“跳水”的電池包Fig.3 Capacity unqualified and CD-OCV curve"diving"

2 電池分組與成組

2.1 電池分組

退役動(dòng)力電池包容量極差小于額定容量的10%，認(rèn)為這部分電池包具有較好的一致性[12-14]。二次篩選后的50個(gè)電池包容量最大值為49.46 A·h，容量最小值為45.58 A·h，極差值為3.88 A·h，占額定容量的6.5%，表征該50 個(gè)電池包具有較好的一致性。將電池包按照容量大小進(jìn)行排序，根據(jù)電池容量的分布情況，選擇容量最接近的36 個(gè)電池包進(jìn)行成組，剩余14 個(gè)電池包留著備用。電池包的編號(hào)和容量分布如圖4所示。

圖4 電池包容量和編號(hào)分布圖Fig.4 The distribution of batteries'capacity and its number

2.2 電池成組

選用多通道儲(chǔ)能變流器作為光儲(chǔ)電站中的交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備，其具有DC/DC+DC/AC兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電池端無(wú)并聯(lián)，可以避免電池組間環(huán)流的產(chǎn)生，適用于對(duì)退役電池進(jìn)行成組。將配組完的80 V-60 A·h電池包4個(gè)組成一串，形成320 V/19.2 kW·h儲(chǔ)能單元，接入到30 kW儲(chǔ)能變流器的一個(gè)直流通道，單個(gè)通道功率10 kW。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)共9個(gè)直流通道，儲(chǔ)能容量90 kW/172.8 kW·h。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 光儲(chǔ)系統(tǒng)集成

將90 kW/172.8 kW·h 儲(chǔ)能系統(tǒng)同50 kWp 分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)并聯(lián)，并通過(guò)快速并離網(wǎng)切換開(kāi)關(guān)接入到廠區(qū)0.4 kV交流母線上，構(gòu)成光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)。其中，分布式光伏系統(tǒng)采用單晶硅組件，串聯(lián)后經(jīng)過(guò)直流匯流箱接入到組串式光伏逆變器中，與儲(chǔ)能系統(tǒng)在交流側(cè)耦合。儲(chǔ)能變流器的交流輸出端同時(shí)關(guān)聯(lián)部分重要負(fù)載，在市電異常時(shí)，由光儲(chǔ)系統(tǒng)保障重要負(fù)載的供電。光儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖5 90 kW/172.8 kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.5 90 kW/172.8 kW·h energy storage system

圖6 光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.6 Topology of PV and energy storage micro grid system

系統(tǒng)集成能量管理系統(tǒng)，用于制定光儲(chǔ)系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的運(yùn)行控制策略。并網(wǎng)時(shí)，儲(chǔ)能變流器和光伏逆變器均以有功無(wú)功解耦(P/Q)方式運(yùn)行，由EMS根據(jù)電價(jià)時(shí)段控制儲(chǔ)能充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。同時(shí)，在儲(chǔ)能放電期間，檢測(cè)公共連接點(diǎn)(PCC)的反向功率。當(dāng)出現(xiàn)反向功率時(shí)，由EMS給儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)降功率命令，防止儲(chǔ)能放出的電進(jìn)入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)逆功率保護(hù)。

離網(wǎng)時(shí)，由儲(chǔ)能、光伏、負(fù)載組建微網(wǎng)方式運(yùn)行。此時(shí)，儲(chǔ)能變流器以恒壓恒頻(V/F)方式運(yùn)行，建立幅值和頻率穩(wěn)定的電壓，光伏逆變器以P/Q方式運(yùn)行，以電流源的方式注入微網(wǎng)系統(tǒng)。EMS根據(jù)負(fù)載的大小，來(lái)協(xié)調(diào)光伏和儲(chǔ)能的出力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

4 試運(yùn)行結(jié)果

4.1 多倍率下電池組充放電

在不同倍率下對(duì)電池組進(jìn)行多個(gè)循環(huán)周期的恒功率充放電，利用電池管理系統(tǒng)記錄每組中各個(gè)電池包的放電容量及電壓值，得到電池的CD-OCV 曲線，根據(jù)曲線的離散情況對(duì)電池成組配組情況進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 不同放電倍率下，同組電池的CD-OCV曲線Fig.7 CD-OCV curve of same group batteries under different discharging rate

可見(jiàn)，依據(jù)電池包有效容量和電芯一致性排序后，在0.1、0.2、0.3 C 放電倍率下，電池包的CDOCV 曲線基本吻合；在0.5 C 倍率下，曲線有一定偏差，但總體趨勢(shì)相近，符合工程應(yīng)用的要求，可以依據(jù)排序結(jié)果對(duì)電池進(jìn)行配組。

4.2 削峰填谷

將篩選并成組后的退役動(dòng)力鋰電池應(yīng)用于光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)置電池放電倍率為0.1 C，充電倍率為0.05 C，并依據(jù)當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)時(shí)段進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 光儲(chǔ)微電網(wǎng)削峰填谷運(yùn)行Fig.8 PV and energy storage micro grid system operates for peak-cutting

從圖中可見(jiàn)電池成組后，在0.1 C 倍率條件下電池組電壓從放電開(kāi)始時(shí)刻(18：00)的320.69 V 下降至316.16 V，這是由于電池由原來(lái)的開(kāi)路狀態(tài)變?yōu)閹ж?fù)載狀態(tài)引起的跌落。之后電池組電壓隨著放電的持續(xù)平緩地下降，直至到達(dá)放電截止時(shí)間(21：30)，此時(shí)對(duì)應(yīng)電池組電壓為306.22 V，總放電量103 kW·h。停止放電后，電池組電壓由306.22 V回升至308.82 V，充電后(22：00—次日3：00)電池組電壓逐漸恢復(fù)到額定電壓，總充電量111 kW·h，轉(zhuǎn)化效率92.79%。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)退役電池包的篩選、分組、成組以及在光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的集成與應(yīng)用，完成了退役動(dòng)力鋰電池梯次利用全過(guò)程的分析研究，得出了以下結(jié)論。

（1）對(duì)80 個(gè)退役動(dòng)力鋰電池包從外觀、銘牌、開(kāi)路電壓、BMS通訊等方面進(jìn)行初選，其中3個(gè)電池包外觀有破損，4 個(gè)電池包電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1 個(gè)電池包BMS 無(wú)法通訊；剩下72 個(gè)電池包中有22 只存在容量不符合額定容量的75%以上或CD-OCV曲線“跳水”的情況，只有50個(gè)電池包符合梯次利用價(jià)值。

（2）二次篩選后的50 個(gè)電池包容量最大值為49.46 A·h，容量最小值為45.58 A·h，極差值為3.88 A·h，占額定容量的6.5%，小于10%的判定標(biāo)準(zhǔn)，表征該50 個(gè)電池包具有較好的一致性；DC/DC+DC/AC雙級(jí)結(jié)構(gòu)的多通道儲(chǔ)能變流器，直流側(cè)無(wú)并聯(lián)，可以阻止電池組組間環(huán)流產(chǎn)生，適用于退役動(dòng)力鋰電池進(jìn)行成組。

（3）利用成組后的90 kW/172.8 kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)同分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)耦合，組建光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的退役電池梯次利用。試運(yùn)行結(jié)果顯示：在0.1、0.2、0.3和0.5 C等不同倍率下，成組后的電池CD-OCV 曲線呈現(xiàn)較好的一致性；成組后的電池在0.1 C 倍率下放電，0.05 C 倍率充電，進(jìn)行削峰填谷運(yùn)行，總充電量111 kW·h，總放電量103 kW·h，轉(zhuǎn)化效率92.79%。表明按照本文所述方法篩選并成組的退役動(dòng)力鋰電池具備梯次利用價(jià)值，可以在工程上進(jìn)行應(yīng)用。