基于超級電容與動力電池混合梯次利用的可移動充電系統(tǒng)研究

吳芳榕，張峰玉，劉騫，沈言錦，唐林英

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

近年來，我國電動汽車規(guī)模不斷壯大，如2020 年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量為 136.6 萬輛。與此同時，動力電池近 5 a 的年復(fù)合增長率超過 50 %，超級電容在有軌電車、電動汽車與混合動力汽車等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。如何妥善處理動力電池與超級電容退役的問題，是當前難點。另一方面，電動車大規(guī)模推廣與充電樁建設(shè)滯后之間的矛盾日益凸顯，一定程度上限制了電動汽車的發(fā)展與普及，所以電動汽車應(yīng)急補電和移動充電等技術(shù)亟待提高[2]。

按照循環(huán)經(jīng)濟的理念，保持產(chǎn)品原來的結(jié)構(gòu)和功能，過程中不削減產(chǎn)品的價值是資源處理的優(yōu)先選項，所以按電池的損耗程度匹配次一級的應(yīng)用場景（或稱之為電池梯次利用）屬于很好的示范[3-5]。國內(nèi)暫未出現(xiàn)直接針對超級電容梯次利用的規(guī)范性文件，因此目前主要采用與動力蓄電池相關(guān)的適用條例[6]。移動式儲能充電系統(tǒng)具有較大靈活性，可緩解充電樁建設(shè)不及時的問題，而且給電動汽車應(yīng)急補電方案提供了新途徑[7-10]。加之，已有退役后的動力電池、超級電容運用于充電系統(tǒng)的先例。因此，筆者提出一種基于超級電容與動力電池混合梯次利用的可移動充電系統(tǒng)，能挖掘出動力電池和超級電容梯次利用的應(yīng)用載體，延緩其報廢年限。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

由于退役動力鋰電池仍具有一定剩余能量，因此這些電池經(jīng)過重新篩選和配組后，仍可以應(yīng)用于其他儲能場合，實現(xiàn)退役電池的梯次利用。但是，國內(nèi)量產(chǎn)乘用車的最大充電電流主要集中在 200～240 A，所以單純利用退役動力電池的梯次利用無法提供穩(wěn)定的大電流，難以實現(xiàn)工程化應(yīng)用[11-12]。超級電容具有充電快速，比能量高，功率高（高于 3 kW/kg），使用溫度范圍寬（-40～70 ℃），壽命長，安全性高（滿電穿刺、擠壓等不爆炸）等優(yōu)勢，但是相對于動力電池來說，其能量密度較低[13-14]。因此，為了降低電力儲能裝備成本，優(yōu)化儲能配置，可以考慮綜合退役動力電池和超級電容的梯次利用。筆者以此為思路，提出移動式儲能充電系統(tǒng)，綜合利用動力電池和超級電容的混合梯次的優(yōu)勢：超級電容為充電樁提供大電流輸出，能在短時間為虧電的電動汽車應(yīng)急補電，解決了退役動力電池的大電流應(yīng)用瓶頸；動力電池提供較小的交流充電電流為超級電容充電，為超級電容的短續(xù)航提供“電能倉庫”，向低能量、高功率密度的超級電容提供了更長的續(xù)航支持。

2 系統(tǒng)方案分析

基于超級電容與動力電池混合梯次利用的可移動充電系統(tǒng)，采用廂式載貨車改裝而成，以電動汽車退役的三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池為主要儲能載體，以超級電容為輔助儲能載體，配置移動式交流及直流充電樁。儲能系統(tǒng)和充電樁安裝于標準車廂改造成的車廂內(nèi)，組合成緊湊的移動式充電站，可同時對多臺不同種類的電動汽車進行慢速或快速充電，既可應(yīng)用于快速補電場景，也可作為充電樁覆蓋盲區(qū)的能量補充站。

動力電池的充放電倍率越大，電池的化學(xué)反應(yīng)越劇烈，發(fā)熱越嚴重，其循環(huán)使用次數(shù)越少。為保證退役動力電池具有更高的循環(huán)使用壽命，在所提方案中，動力電池在梯次利用過程中采用 0.2C放電倍率，主要對超級電容充電，同時具備向交流充電樁供電的能力。超級電容以大電流、大功率向直流充電樁充電。在移動式儲能充電系統(tǒng)閑置或者行駛過程中，超級電容可由動力電池系統(tǒng)以較小的電流充電。移動式儲能充電系統(tǒng)的框架如圖 1 所示。其構(gòu)成和功能主要包含以下 5 個方面：

2.1 移動平臺

系統(tǒng)選用的廂式載貨車整備質(zhì)量為 7 105 kg，額定質(zhì)量為 8 700 kg，貨箱尺寸為 7 134 mm×2 434 mm×2 550 mm。它配備直列四缸發(fā)動機，排量為 5 193 mL，最大扭矩 510 N·m，最大功率為 190 馬力，最大速度為 95 km/h。搭載動力電池和超級電容時，在車身兩側(cè)同時配備交直流充電樁，可應(yīng)對電動汽車因電池虧電且處于無充電樁可用的情形。該移動式儲能充電系統(tǒng)既能使用超級電容供電的直流充電樁為其進行應(yīng)急補電，又能應(yīng)用退役動力電池供電的交流充電樁為其進行慢充，滿足不同場景的充電需要。

2.2 退役動力電池系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池退役后，在采用低倍率（0.2C～0.5C）放電環(huán)境下，循環(huán)壽命通?？蛇_ 2 000～6 000 次，且放電倍率越低，循環(huán)壽命相對更長[15]。同樣情況下，三元鋰電池在退役后的循環(huán)壽命僅為 800～2 000 次。此外，磷酸鐵鋰在安全性、制造成本、低溫特性等方面要明顯優(yōu)于三元鋰電池[16]?；诮?jīng)濟和實用原則，系統(tǒng)采用 3.2 V 20 Ah 磷酸鐵鋰動力電池。電壓可以根據(jù)使用年限、電池體系及型號等歷史數(shù)據(jù)分類重組。8 只單體電池串聯(lián)組成一個電池組，30 個電池組串聯(lián)組成一個電池簇，20 個電池簇并聯(lián)成為一個電池系統(tǒng)（307.2 kW·h）。退役動力電池系統(tǒng)具備智能管理功能，監(jiān)控鋰電池組的綜合健康狀態(tài)，使系統(tǒng)運行在最佳工作狀態(tài)。

2.3 退役超級電容系統(tǒng)

超級電容供電系統(tǒng)采用 60 kF 單體，共由 42個模組（采用 3 并 6 串結(jié)構(gòu)）組成。系統(tǒng)額定工作電壓為 DC 630-860 V，最大工作電流為 600 A ，額定容量約 916.7 F，可用電量約 39 kW·h，最大輸出功率超過 500 kW。移動式儲能充電系統(tǒng)配備兩套超級電容供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，可用于快充的電量為78 kW·h。該系統(tǒng)既可以通過電網(wǎng)充電，也可通過退役動力電池系統(tǒng)完成充電，提供包括系統(tǒng)過壓、過流、過溫等相關(guān)保護，同時包含能量檢測、絕緣檢測、通信檢測等測量功能。

2.4 充電設(shè)備

車載充電裝置中，采用直流充電技術(shù)進行應(yīng)急補電，直流充電樁由超級電容供電（單槍最大輸出功率為 120 kW）。直流充電樁的直流輸出電壓為200～750 V，最大直流輸出電流為 300 A。設(shè)備整機功率根據(jù)模組靈活配置，輸出功率可隨車輛負載自動調(diào)節(jié)，可為電動汽車高效充電。采用交流充電技術(shù)進行常規(guī)充電。交流充電樁由退役動力電池供電（額定功率 14 kW，額定電流為 32 A × 2，三相交流額定電壓為（1 ± 20 %）380 V），具備過流保護、過欠壓保護、急停保護、PWM 異常保護、連接異常保護等保護機制。

2.5 服務(wù)云平臺

移動式儲能充電系統(tǒng)服務(wù)云平臺包括智能充電系統(tǒng)、車主服務(wù)系統(tǒng)、運營服務(wù)系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)（參見圖 2）。云平臺相當于“神經(jīng)中樞”，主要負責(zé)整個系統(tǒng)的信息傳輸與決策。智能充電監(jiān)測系統(tǒng)包含信息采集模塊和充電控制模塊，主要用于儲能系統(tǒng)信息的采集和充電過程的控制?，F(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)通過有線方式與智能充電系統(tǒng)通信，通過無線方式與云平臺通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算與傳輸，將整個移動式儲能充電系統(tǒng)與地面控制云平臺統(tǒng)一成一個整體。車主服務(wù)系統(tǒng)和運營服務(wù)系統(tǒng)通過云平臺的大數(shù)據(jù)服務(wù)，可智能獲取不同地區(qū)的充電需求，也能讓電動車主便捷地獲取定制化的充電服務(wù)，并可通過手機 APP 一鍵掌握充電過程，不再因為找不到充電樁而導(dǎo)致用車焦慮。移動式儲能充電系統(tǒng)服務(wù)云平臺數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，人機交互界面友好，具備較強的市場競爭力。

3 工作流程

移動式儲能充電系統(tǒng)在車庫內(nèi)通過地面充電站對車載動力電池和超級電容進行補充電。待載貨車到達臨時補電場地，可由超級電容對虧電的電動汽車進行快速充電。在供電的間隔時間段，動力電池系統(tǒng)可提供較小的電流為超級電容充電，為其提供更長的續(xù)航能力。動力電池本身也可以為交流充電樁供電，具備交流慢充的潛力。詳細工作過程如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

4 工程實例

以 Tesla Model 3、BYD E-SEED GT、GAC AION S 三款市場熱銷車型為例，進行充電時間對比。其中，由動力電池（放電倍率 0.2C）供電的交流慢充功率為 14 kW，由超級電容供電的直流快充功率為 120 kW（充電區(qū)間為 20 %～80 % SOC）。由表 1 可知，超級電容供電模式下，可有效提高電動汽車的應(yīng)急補電效率，為電動汽車車主減少充電等待時間，具有良好的工程應(yīng)用價值。

表1 主流車型充電時間

5 結(jié)束語

隨著動力電池和超級電容的退役高峰期即將到來，其梯次利用兼具環(huán)保和經(jīng)濟價值，是實現(xiàn)電池和電容的全壽命綜合應(yīng)用與經(jīng)濟效益最大化的重要手段。筆者研究了基于超級電容與動力電池混合梯次利用的可移動充電系統(tǒng)，通過儲能商業(yè)與示范工程實例，為充電場地限制、交通堵塞、氣溫驟降或電池性能下降等原因?qū)е碌男履茉雌囂濍娗闆r提供更加環(huán)保的低成本方案，同時也解決了退役動力電池的大電流應(yīng)用瓶頸和超級電容的短續(xù)航短板。