磷酸鐵鋰退役動力電池梯次利用儲能系統(tǒng)應(yīng)用研究

徐國偉，李志強

（1.吉利融和（寧波）新能源有限公司；2.杭州協(xié)能科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

在國家“雙碳戰(zhàn)略”目標下，以光伏、風電為主的清潔能源迅猛發(fā)展。因其發(fā)電的不穩(wěn)定性，電能的存儲變得十分重要，以電化學(xué)儲能為代表的儲能技術(shù)將迎來重大的歷史發(fā)展機遇。電化學(xué)儲能市場將從發(fā)電側(cè)源端儲能、電網(wǎng)側(cè)網(wǎng)端儲能逐步向用戶側(cè)終端儲能普及，而電動車充換電終端（用戶側(cè)）儲能將先行。

2020年國家發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2021～2035年》，到2025年新能源汽車新車銷量達到汽車新車銷售總量的20%左右，同時，要求加強新能源汽車與電網(wǎng)（V2G）能量互動。磷酸鐵鋰動力電池因其具有的高循環(huán)壽命的特點將被廣泛應(yīng)用。隨著電動汽車配套充換電設(shè)施的普及，電動汽車體量的不斷提升，屆時電動汽車的更新?lián)Q代將產(chǎn)生大量動力電池退役，退役的動力電池大部分還剩余標稱容量的70%～80%，不同于三元鋰電池直接拆解原材料回收仍具有較高的經(jīng)濟價值，磷酸鐵鋰電池直接拆解回收殘值較低。梯次電池儲能應(yīng)用將深度挖掘磷酸鐵鋰退役動力電池的剩余價值。

本文主要闡述了磷酸鐵鋰退役動力電池梯次利用儲能系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)集成及儲能系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)的一致性管理，并對梯次電池儲能的系統(tǒng)效益進行了論述。

1 梯次電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)

集裝箱式儲能系統(tǒng)主要包括以下部分：梯次電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲能逆變器（PCS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、動環(huán)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。

系統(tǒng)采用低速電動車退役的磷酸鐵鋰動力電池，電池原容量為66Ah，現(xiàn)剩余容量約55Ah，電池性能較好。電池系統(tǒng)采用標準化模組設(shè)計方案：電池箱由24節(jié)電池串聯(lián)，模組電壓為24×3.2V=76.8V；每個電池簇由10個電池箱串聯(lián)成240串，共計20簇組成1MWh儲能系統(tǒng)，每個電池箱配置一個24串從控，單簇共計10個從控配1個主控，20簇電池組成1個電池堆配1個總控和1個顯示屏；配置一臺250kW的模塊化PCS，分為4個支路，每個支路管理5簇電池，系統(tǒng)總?cè)萘繛?50kW/0.8MWh。

2 電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)（BMS）可實時采集、處理、存儲電池組運行數(shù)據(jù)，與外部設(shè)備交互，解決鋰電池系統(tǒng)中安全性和一致性等關(guān)鍵問題。主要實現(xiàn)的功能有電池模擬量高精度監(jiān)測及上報功能、電池系統(tǒng)運行報警功能、電池系統(tǒng)保護功能、BMS自診斷功能、無損主動均衡功能、電池狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲功能、與PCS及EMS信息交互功能等。

圖1 儲能電池系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 電池一致性

儲能系統(tǒng)相較電動汽車電池單體數(shù)據(jù)巨大，由于電池容量的不一致性的存在，導(dǎo)致電池不均衡現(xiàn)象從而引發(fā)電池的容量及安全性問題，梯次電池更為明顯。一致性較差電池的電池成組后，各電池荷電狀態(tài)差異導(dǎo)致成組后實際可用容量降低，嚴重影響了儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，長期運行甚至?xí)绊戨姵氐目煽啃约鞍踩?，因此，對電池系統(tǒng)的一致性管理至關(guān)重要。

均衡的方式是解決電池不一致性問題的有效手段之一，均衡方式可以分為被動均衡和主動均衡兩大類。被動均衡比較常見的在電動汽車電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用較多，相對主動均衡造價較低，在一致性較好的新電池上應(yīng)用較多，一般采用電阻放電的方式實現(xiàn)，特點是均衡電流小、時間短、效果有限，且電阻放電會產(chǎn)生熱量，會對系統(tǒng)造成風險。主動均衡系統(tǒng)采用能量轉(zhuǎn)移方式，一般均衡電流較大，均衡效果好，多用于大容量、多電池系統(tǒng)，可有效解決電池的不一致性問題。梯次電池使用主動均衡技術(shù)方案可有效地保障電池的安全性和解決一致性問題。

2.2 主動均衡方案

本文采用的主動均衡系統(tǒng)（芯片級）采用國產(chǎn)替代高集成度均衡芯片和特有的電池均衡算法，實現(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)移?？蓪崿F(xiàn)任意兩節(jié)電池、電池模組間的能量轉(zhuǎn)移。電池之間能量轉(zhuǎn)移主要利用電感元件存儲能量，對電池進行充放電的均衡，電池模組之間主要采用雙向DC/DC進行能量轉(zhuǎn)移，均衡電流可達到3A。

芯片級主動均衡具有高性能、高安全性、高可靠性、長壽命等特點。系統(tǒng)直接單體供電，無須輔助電源；擴展性強、易級聯(lián)；所有節(jié)點同時工作，無復(fù)用沖突等優(yōu)勢。均衡模塊對相鄰兩節(jié)電池之間的荷電狀態(tài)差異進行判斷，根據(jù)均衡算法的結(jié)果，均衡模塊以開關(guān)電源的方式，把荷電量高的電池多余電量轉(zhuǎn)移到荷電量低的電池，實現(xiàn)電池容量最大化，并延長電池組循環(huán)壽命。均衡模塊的功率電路拓撲如圖2所示，工作原理如下：（1）上電池剩余電量＞下電池剩余電量：閉合上開關(guān)，上電池能量儲存在電感中，斷開上開關(guān)，閉合下開關(guān)，電感的能量轉(zhuǎn)移給下電池，實現(xiàn)能量下傳。（2）上電池剩余電量＜下電池剩余電量：閉合下開關(guān)，下電池能量儲存在電感中，斷開下開關(guān)，閉合上開關(guān)，電感的能量轉(zhuǎn)移給上電池，實現(xiàn)能量上傳。

圖2 均衡模塊功率電路拓撲

均衡模塊通過級聯(lián)，可以實現(xiàn)對多節(jié)串聯(lián)電池進行均衡管理，如圖3所示，串數(shù)可以向上或者向下擴展，看實際應(yīng)用需要。

圖3 均衡系統(tǒng)架構(gòu)

主動均衡單元開始工作需要具備以下條件：從控自檢無故障，包括主動均衡單元、被動均衡單元、電壓采樣單元、溫度采樣單元均無故障；主控的均衡同步控制幀正常向從控發(fā)送工作周期及允許主動均衡開啟的指令。

以磷酸鐵鋰電池為例，當前從控采集的電池電壓：

（1）最高電壓＜3750mV；（2）最低電壓＞2750mV；（3）最高電壓-最低電壓＞30mV（均衡單元開啟工作后需要壓差下降到＜15mV才停止工作）。

當滿足（1）～（3）條件時，MCU會依據(jù)控制算法計算結(jié)果控制每個均衡單元的ENBK和ENBST控制信號的拉高與拉低，從而實現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。

主動均衡的硬件拓撲是主動均衡實現(xiàn)的基礎(chǔ)，均衡策略是實現(xiàn)有效均衡的核心。本文利用電池的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等運用大數(shù)據(jù)等算法計算系統(tǒng)電池系統(tǒng)的SOC和SOH，單電芯SOC計算是BMS中的重點和難點，作為BMS中最重要的參數(shù)，它的精度和糾錯能力極為重要，SOC的估算精度越高，可以使電池組發(fā)揮最大的效能。系統(tǒng)運用的算法有安時積分、開路電壓、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波等。

借助電流傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)中的電流，通過對電流在一段時間內(nèi)的積分就可以得到該時段被電池充入或者放出的電量。該方法估算SOC的表達式為：

其中，表示SOC的初始值，Q代表電池的總?cè)萘?，指的是電流（正值代表放電，負值代表充電，?shù)值大小隨時間變化）。積分流程100ms執(zhí)行一次，當積分量大于一定閾值或者電流為0持續(xù)一定時間并且積分量不為0的時候，進入處理積分量的流程。同時，該算法還借助電池的OCV曲線、充放電卡爾曼濾波、充滿放空置位、溫度補充以及平滑處理綜合估算電池的SOC以及SOH，保證其精準性。

在電池組運行過程中，對電池的特征參數(shù)進行分析，電池管理系統(tǒng)監(jiān)控電池的各種狀態(tài)，并將電池狀態(tài)與報警信息及時上傳至后臺，后臺進而控制PCS對電池組進行有效的充放電，保證整體儲能系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

3 系統(tǒng)效益

根據(jù)某地區(qū)大工業(yè)用戶電網(wǎng)銷售電價，利用儲能系統(tǒng)進行峰谷電價差套利的模式。儲能系統(tǒng)充放電策略按表1執(zhí)行，谷時充電，尖峰或高峰放電，系統(tǒng)實際可用容量約為0.8MWh，每天可用電量約為1300度電，日節(jié)約電費約742元，全年按350天（7、8月電價差大）計算，可節(jié)約電費約30萬元。除正常的峰谷電價差套利收益外，儲能系統(tǒng)還可參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、虛擬電廠等獲得額外收益。該系統(tǒng)集成投資約80萬元（因本項目系統(tǒng)采用電池單體容量較小，系統(tǒng)成本較高，如采用單體容量大的電池，系統(tǒng)投資成本可降至60萬元左右），系統(tǒng)集成初始投資回收期約為2.7年，系統(tǒng)壽命約15年（除電池外），其間需更換梯次電池。

表1 儲能充放電策略

4 結(jié)語

本文通過項目實踐驗證，為企業(yè)今后磷酸鐵鋰退役動力電池的梯次利用奠定了基礎(chǔ)，同時，對新電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用有借鑒意義?；谥鲃泳獾碾姵毓芾硐到y(tǒng)可延長儲能電池組的使用壽命，間接降低了儲能設(shè)備運行度電成本，提高了儲能系統(tǒng)的能量利用率和系統(tǒng)效率，對儲能項目用戶側(cè)終端推廣應(yīng)用有積極的意義。