基于退役電池的直掛母線式儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

張 華 蘇學(xué)能 馬林森 萬(wàn)承寬

（1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610000； 2. 成都星河科技責(zé)任有限公司，成都 610041）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活水平得到了顯著提高，私家車保有量實(shí)現(xiàn)了爆發(fā)性增長(zhǎng)[1]，而汽車尾氣帶來(lái)的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越突出[2]。為緩解環(huán)境壓力，國(guó)家“十二五”相關(guān)規(guī)劃將新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)發(fā)展和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)并對(duì)其加以扶持。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2016年，中國(guó)新能源動(dòng)力電池配套總?cè)萘窟_(dá)到28.14GW·h；2017年中國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池裝機(jī)總?cè)萘繛?6.24GW·h[3]。從企業(yè)保質(zhì)期、電池循環(huán)使用壽命、車輛使用工況等方面綜合估計(jì)，自2018年開始新能源動(dòng)力電池將進(jìn)入規(guī)模退役階段，預(yù)計(jì)到2020年將有累計(jì)超過(guò)24.6GW·h容量的電池達(dá)到退役標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是電池容量低于80%[4-5]，然而直接將剩余容量為70%～80%的動(dòng)力電池進(jìn)行資源化回收是極大的浪費(fèi)，因此電動(dòng)汽車退役電池的二次利用成為能源良性循環(huán)的必然需求。2016年，我國(guó)電動(dòng)汽車退役電池再利用量還不到0.15萬(wàn)t[6]，在2017年也只有不到0.4萬(wàn)t退役電池進(jìn)入二次利用環(huán)節(jié)，占到總?cè)萘康?%[7]。因此，尋找行之有效的退役電池再利用方案已成為亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[8]。

目前電動(dòng)汽車退役電池的二次利用已受到許多學(xué)者的關(guān)注，學(xué)者們做了大量的基礎(chǔ)性研究工作。華北電力大學(xué)王維對(duì)動(dòng)力電池開展了二次利用的經(jīng)濟(jì)性研究，并為批量動(dòng)力電池利用與儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)了篩選機(jī)制和評(píng)估方法[9]，這為退役電池的二次利用提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[10]搭建了鋰電池的阻抗模型，據(jù)此研究鋰電池運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)阻抗特性。文獻(xiàn)[11]基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)具體分析了退役電池的電化學(xué)性能，驗(yàn)證了電動(dòng)汽車退役鋰離子動(dòng)力電池具有較高可靠性、安全性且深度充放電次數(shù)達(dá)750，能滿足儲(chǔ)能等要求不高的場(chǎng)合。考慮到我國(guó)大量退役動(dòng)力電池亟需回收利用的現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[12]建立了基于電動(dòng)汽車快速充電站的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型，通過(guò)對(duì)比快速充電站不配置儲(chǔ)能、配置常規(guī)儲(chǔ)能和配置二次利用電池儲(chǔ)能等不同情況下的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，確定了二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)容量配置方案，這可以為大型儲(chǔ)能站儲(chǔ)能電池的二次利用提供參考。動(dòng)力電池的二次利用不僅有利于節(jié)能減耗，而且動(dòng)力電池全壽命周期成本也會(huì)隨之降低，進(jìn)而降低電動(dòng)汽車的整車成本。

目前我國(guó)已有諸多企業(yè)或研究單位開始著手研究退役電池二次利用在大型儲(chǔ)能站及家用儲(chǔ)能等方面的商用方案，并有不少成功案例[13]。萬(wàn)向電動(dòng)汽車有限公司于2012年承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃，且已經(jīng)開發(fā)出一整套電動(dòng)汽車退役電池綠色回收處理的工藝技術(shù)，并建立了完整供應(yīng)鏈的電池回收基地，回收基地實(shí)現(xiàn)了20t/年的退役鋰電池?zé)o害回收。2014年中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)北京市電力公司與北京交通大學(xué)三方研究機(jī)構(gòu)共同開展了一項(xiàng)100kW·h梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程示范項(xiàng)目[14]。充電站作為隨機(jī)性較強(qiáng)的不確定負(fù)荷，其工作過(guò)程中的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓影響較大，這樣會(huì)增加電網(wǎng)電壓波動(dòng)及其諧波含量[15]。利用大功率儲(chǔ)能電池可以緩解因負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，然而大容量?jī)?chǔ)能電池的造價(jià)高，難以廣泛推廣，因此本文提出一種低成本的直掛母線式儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施方案。

本文搭建了基于退役電池的直掛母線式儲(chǔ)能系統(tǒng)，本儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)直流母線電壓與儲(chǔ)能電池出口電壓的差控制儲(chǔ)能電池組模塊的投入或退出，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的充電或者放電功能。與傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，本儲(chǔ)能系統(tǒng)采用退役電池且無(wú)需投入電池管理系統(tǒng)和DC-DC模塊，大大節(jié)約了成本，實(shí)現(xiàn)了低成本下的自動(dòng)充放電功能。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)分析

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）直流配電網(wǎng)的額定功率為10kW，額定電壓為400V，GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》中指出直流網(wǎng)壓的波動(dòng)范圍為-20%～5%，即設(shè)定工作電壓為320～420V。

2）儲(chǔ)能系統(tǒng)的投切開關(guān)都是獨(dú)立可控的。

3）儲(chǔ)能系統(tǒng)每個(gè)電池組模塊都可以獨(dú)立采集電壓，設(shè)定電池組模塊電壓分別為E1=300V，E2=48V，E3=24V，E4=12V，E5=6V，E6=3V，E7=12V，E8=6V，E9=3V。

儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過(guò)程中包含以下兩種工作模式：

1）充電模式。通過(guò)控制Kij的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓小于直流配電網(wǎng)電壓。

2）放電模式。通過(guò)控制Kij的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓大于直流配電網(wǎng)電壓。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)

1）硬件保護(hù)

本儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件保護(hù)主要包括以雙向開關(guān)組成的電壓保護(hù)模塊和以熔斷器組成的電流保護(hù)模塊。

（1）本文中控制總開關(guān)S由兩個(gè)功率開關(guān)管MOSFET串聯(lián)組成，雙向控制開關(guān)如圖2所示。MOSFET串聯(lián)形式不僅可以控制電流方向，而且當(dāng)外部電壓突變或電流過(guò)大時(shí)，可以迅速切除儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)而有效保護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)。當(dāng)儲(chǔ)能電池組處于充電或者放電狀態(tài)時(shí)，S1和S2的通斷狀態(tài)是相反的，即充電或放電狀態(tài)下，S1和S2只有一個(gè)工作；這樣可以通過(guò)控制S1和S2的工作狀態(tài)來(lái)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電或者放電狀態(tài)，并且可以防止因電壓突變導(dǎo)致的充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，S1和S2都處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖2 雙向控制開關(guān)

（2）線路串有熔斷器，其中熔斷器的最大承受電流設(shè)定為儲(chǔ)能電池組正常工作電流的1.5倍，這樣可以保證線路電流過(guò)大時(shí)，斷開直流母線和儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣連接。

2）軟件保護(hù)

本儲(chǔ)能系統(tǒng)的軟件保護(hù)是由軟件控制雙向開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)和電壓保護(hù)的。

（1）電壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到母線電壓異?；蛘邇?chǔ)能系統(tǒng)電壓異常時(shí)，投退雙向控制開關(guān)。

（2）電流保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到工作電流過(guò)大時(shí)，投退雙向控制開關(guān)。

軟件保護(hù)和硬件保護(hù)是儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的兩種體現(xiàn)形式。其中軟件保護(hù)作為第一道防線可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷的快速防護(hù)，若軟件保護(hù)功能失效或無(wú)法及時(shí)投退開關(guān)時(shí)，硬件保護(hù)功能作為第二道防線以硬通斷的方式切斷儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)的電氣連接，保證電網(wǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)分析

圖3所示為簡(jiǎn)易直流配電網(wǎng)充放電原理，圖3中，三相交流電壓Ua、Ub、Uc經(jīng)整流系統(tǒng)得到的直流電壓代表直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)端電壓為E，通過(guò)投切R2可以實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)在輕載和重載間的轉(zhuǎn)換。其中，I1為直流配電網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流，I2為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電流，UL為直流負(fù)載的端電壓，r為線路電阻。

圖3 簡(jiǎn)易直流配電網(wǎng)充放電原理

根據(jù)圖3可得

由式（1）可知，當(dāng)輸入電壓UO不變時(shí)，其輸出電壓UL隨負(fù)載電流的增大而減小，故當(dāng)系統(tǒng)處于重載時(shí)系統(tǒng)輸出電壓UL降低。為減小重載時(shí)的工作電流對(duì)負(fù)載電壓的影響，增加儲(chǔ)能電池為負(fù)載供電，使直流母線的線損減小，避免因線損導(dǎo)致的負(fù)載端電壓過(guò)低。

3 控制策略

控制流程如圖4所示，首先采樣各電池組模塊電壓及其開關(guān)狀態(tài)，然后根據(jù)充放電模式控制儲(chǔ)能電池各電池組模塊的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

圖4 控制流程

其具體操作流程如下：

1）初始化及采集數(shù)據(jù)。將所有儲(chǔ)能電池控制開關(guān)投入，即將圖1所示儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)K1、K2、…、Kn（合為1，開為0；其中Ki=1表示Ki1=0，Ki2=1）投入，總開關(guān)S投退，根據(jù)當(dāng)前電壓估算所有電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC），即SOCi值，并分別為各電池組的充電和放電狀態(tài)標(biāo)志位Ci和Fi賦值，執(zhí)行完成后轉(zhuǎn)入2）。

2）采集所有電池組模塊的開關(guān)狀態(tài)量Ki及其電壓值Ei和直流配電網(wǎng)電壓E，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)量Ki及其電壓值Ei計(jì)算當(dāng)前儲(chǔ)能電池組的出口電壓U，得到儲(chǔ)能電池組電壓與直流配電網(wǎng)電壓之差ΔE，執(zhí)行完成后轉(zhuǎn)入3）。

3）判斷當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)是否處在主動(dòng)充放電狀態(tài)，若處于主動(dòng)充放電時(shí)執(zhí)行充放電控制邏輯，否則通過(guò)工作區(qū)間執(zhí)行充電控制邏輯或放電控制邏輯，不在充放電工作區(qū)間則退出系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行2）。

4）充放電控制邏輯包括充電控制邏輯和放電控制邏輯。其中充電控制邏輯主要表現(xiàn)在：

（1）電池組監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)已投入的電池組是否完成充電，若監(jiān)測(cè)到某電池組SOC為1且處于投入狀態(tài)，則通過(guò)主開關(guān)S判斷當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)是否已投入，若儲(chǔ)能系統(tǒng)投入則做標(biāo)記記錄，若儲(chǔ)能系統(tǒng)未投入則退出開關(guān)并進(jìn)入充電邏輯控制部分。

（2）儲(chǔ)能電池組狀態(tài)判斷。若監(jiān)測(cè)到投入的儲(chǔ)能電池已完成充電或者儲(chǔ)能電池未完成充電但是系統(tǒng)無(wú)工作電流，則投退總開關(guān)及電池組的串聯(lián)開關(guān)，靜置5min后重新評(píng)估電池SOC，并據(jù)此對(duì)電池充放電狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；若監(jiān)測(cè)到投入的儲(chǔ)能電池未充滿則繼續(xù)執(zhí)行（1）。

（3）充電邏輯。通過(guò)判斷電網(wǎng)電壓與電池組出口電壓的差值，來(lái)控制電池組模塊的投退，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池組出口電壓滿足充電需求，結(jié)合閾值Eref控制充電過(guò)程中的最大電流，滿足條件后投入總開關(guān)S。

控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖5所示。放電控制邏輯與充電控制邏輯類似，不再贅述。

圖5 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4 仿真分析

基于圖3，利用Matlab/Simulink仿真工具搭建仿真模型，通過(guò)投切直流負(fù)載R2得到圖6所示電壓、電流的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。當(dāng)投入R2時(shí)，因負(fù)載阻值變小，直流配電網(wǎng)的工作電流增大，使其損耗增大，直接導(dǎo)致其輸出電壓降低。設(shè)定負(fù)載電壓達(dá)到UL= 395V時(shí)，儲(chǔ)能電池可以自動(dòng)投入為負(fù)載供電。從圖6可以看出，負(fù)載電壓驟降到閾值后可以迅速恢復(fù)平衡。在投入儲(chǔ)能電池后，儲(chǔ)能電池開始供電，直流配電網(wǎng)電壓提高；另外，在投入儲(chǔ)能電池時(shí)，由于儲(chǔ)能電池電壓與負(fù)載電壓的差較大，導(dǎo)致儲(chǔ)能電池投入瞬間會(huì)為負(fù)載供電，造成儲(chǔ)能電池在投入瞬間的工作電流突增。

圖6 投切重載時(shí)，電壓、電流的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

考慮本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的容量較小，且投入的負(fù)載無(wú)法改變電網(wǎng)電壓，故本文中的實(shí)驗(yàn)裝置主要驗(yàn)證控制邏輯的正確性，系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

基于圖3所示原理圖，搭建了圖7所示的實(shí)驗(yàn) 裝置，利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。顯示器界面如圖8所示。圖9（a）為鋰電池組充電波形，初始狀態(tài)只有直流母線為負(fù)載供電，此時(shí)母線電壓為370V，在T0時(shí)刻投入電池組，儲(chǔ)能電池組監(jiān)測(cè)到母線電壓值后，得到開關(guān)矩陣為A1=[1 0 1 1 1 1 1 0 0]，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開路電壓為361V，并于T1時(shí)刻投入儲(chǔ)能系統(tǒng)總開關(guān)S，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與母線并網(wǎng)連接。當(dāng)T2時(shí)刻直流母線電壓提高到395V，儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作電流過(guò)大，通過(guò)軟件保護(hù)邏輯在Q點(diǎn)投退儲(chǔ)能系統(tǒng)總開關(guān)S，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池組與儲(chǔ)能系統(tǒng)脫網(wǎng)運(yùn)行，并于T3時(shí)刻將所有鋰電池開關(guān)投退，此時(shí)輸出電壓為零。儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前母線電壓后，在T4時(shí)刻得到新的開關(guān)矩陣A2=[1 1 0 0 1 1 1 1 1]，此時(shí)開路電壓為387V，T5時(shí)刻投入總開關(guān)S，此時(shí)母線與儲(chǔ)能系統(tǒng)再次并網(wǎng)連接。同理，圖9（b）為鋰電池組放電波形，其投入串聯(lián)開關(guān)矩陣由a1= [1 1 1 1 0 0 0 0 0]變?yōu)閍2=[1 1 0 0 1 1 1 1 1]。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 顯示器界面

圖9 充放電實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)論

為解決儲(chǔ)能電池再利用的難題，本文提出了一種基于退役電池的直掛母線式儲(chǔ)能系統(tǒng)，該儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)改變儲(chǔ)能電池模塊的投退狀態(tài)來(lái)控制儲(chǔ)能電池的端口電壓。利用Matlab/Simulink搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能電池可以快速可靠投入以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，且可以通過(guò)在電網(wǎng)重載時(shí)使儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，而在電網(wǎng)輕載時(shí)使儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池組對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷的作用，這對(duì)保證直流電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性具有積極意義。