梯次利用車用電池儲能系統(tǒng)

1.國內(nèi)外現(xiàn)狀

 

自從鋰離子電池在北京奧運純電動客車取得成功運行后，該模式已經(jīng)在上海世博會等處得到推廣應(yīng)用，但在電動汽車大規(guī)模商業(yè)推廣中尤其是車用動力電池的利用方面仍存在一些問題：

 

1.1 鋰離子電池的成本較高且車用壽命只有3-4年，這給電池采購和運營方帶來了極大的負(fù)擔(dān)。

 

1.2 鋰離子電池直接淘汰造成資源的嚴(yán)重浪費。當(dāng)電動汽車電池的容量下降到額定容量的80%后就不宜繼續(xù)使用，如果直接將電池淘汰，將造成資源的嚴(yán)重浪費。

 

1.3 電動汽車鋰離子電池的出路問題亟待解決。根據(jù)唐山曹妃甸未來電動汽車發(fā)展預(yù)測，電動汽車達到30輛時對應(yīng)的鋰離子電池將達4500kwh，鋰離子電池的“出路”問題日漸凸顯。

 

1.4 充電站負(fù)載波動性給充電站配電帶來了困難。由于充電站負(fù)荷存在明顯的波動性，在充電站建立儲能系統(tǒng)是平抑充電站負(fù)載變化的重要解決途徑。

 

2 研究的理論和實踐依據(jù)

 

2.1 為達到純電動汽車使用壽命的批量動力電池提供篩選機制和評估方法；給出儲能應(yīng)用條件下梯次利用電池容量、可用功率衰退規(guī)律；提出動力電池儲能系統(tǒng)的均衡方案；形成動力電池梯次利用經(jīng)濟性分析報告，為動力電池的定價機制提供參考。

 

2.2 梯次利用電池儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定供電技術(shù)研究：梯次利用電池儲能系統(tǒng)內(nèi)儲能變流器在電壓源離網(wǎng)模式和電流源并網(wǎng)模式之間進行平穩(wěn)切換，在切換過程中應(yīng)保證負(fù)載的安全供電以及梯次利用電池儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

 

2.3 梯次利用電池儲能系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題研究：在非理想電網(wǎng)環(huán)境下，通過研究梯次利用電池儲能系統(tǒng)中諧波相互作用的機理，以及電網(wǎng)諧波與變流器的相互作用，通過合理的控制方法，盡量消除電網(wǎng)背景諧波對變流器輸出電流畸變的影響，通過儲能變流器集成諧波補償和無功補償功能，提高微網(wǎng)內(nèi)部的電能質(zhì)量。

 

3 研究內(nèi)容和設(shè)計方案

 

3.1 探索動力電池的梯次利用需要建成1套含25kw儲能變流器，100kwh儲能電池及相應(yīng)的智能配電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量調(diào)度系統(tǒng)等在內(nèi)的梯次利用電池儲能系統(tǒng)，以便探索車用淘汰鋰離子動力電池在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，以及儲能系統(tǒng)在電動汽車充電站中的運行方式及規(guī)律。

 

3.2 具體的設(shè)計方案

 

3.2.1 梯次利用電池儲能系統(tǒng)

 

基于微網(wǎng)能量控制系統(tǒng)管理，梯次利用電池儲能系統(tǒng)可保證對用戶供電的可靠性和電能質(zhì)量。微網(wǎng)技術(shù)可以提高供電的可靠性，成為解決沖擊性負(fù)荷功率波動的重要手段。梯次利用電池儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)故障或異常等情況下與外部配電網(wǎng)斷開，依靠儲能維持梯次利用電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)荷的正常電力供應(yīng)，實現(xiàn)并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式之間靈活轉(zhuǎn)換。典型的梯次利用電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

 

圖 梯次利用電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

4.2.2 電池梯次利用篩選成組方案

 

建設(shè)100kwh車用淘汰鋰離子動力電池儲能系統(tǒng)，用以平抑充換電站負(fù)荷波動，在負(fù)荷高峰階段放電給電動汽車充電，在負(fù)荷低谷充電將能量存儲起來，起到移峰填谷的作用。

 

在對車用淘汰電池進行梯級使用時，需要對梯級利用電池重新篩選成組。本研究擬采用淘汰下來純電動客車鋰離子動力電池，首先將車用動力電池組拆箱為單體，搭建車用淘汰鋰離子動力電池測試平臺，通過表面觀察、確定老化程度、測量電池電壓與內(nèi)阻，淘汰損壞、老化、失效的電池，并進行回收利用；其次將電池單體放置在測試平臺上，按照給定的測試方法，分別測試電池的容量和峰值功率，依據(jù)結(jié)果對電池進行分類，結(jié)合儲能系統(tǒng)應(yīng)用要求和電池箱電壓容量等級，組成新的電池組。

 

選定一定量的電池，按照選定的儲能工況進行壽命測試，分析電池容量衰退規(guī)律，內(nèi)阻變化特性，分析儲能用電池的使用壽命終止方式。

 

對電池進行電化學(xué)拆解，分析不同階段的電池（如容量衰減30%、40%、50%、60%等）的關(guān)鍵材料（正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、sei膜）結(jié)構(gòu)和性能的變化，以及鋰離子在碳負(fù)極材料上的嵌入、脫嵌及擴散行為，從電池充放電內(nèi)在機理角度研究電池的老化特性。

 

4.2.3 梯次利用電池管理系統(tǒng)

 

1）管理系統(tǒng)

 

儲能用梯次利用電池管理系統(tǒng)采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由一個主控單元（bcu，battery control unit），多個檢測單元（bmu，battery measure unit ）。各個單元之間通過高速 can 總線進行互聯(lián)，完成數(shù)據(jù)的實時傳輸與控制。bmu負(fù)責(zé)單體電池電壓檢測、電池溫度檢測、均衡控制以及風(fēng)機控制，并將采集的電池數(shù)據(jù)和檢測單元的實時工作狀態(tài)通過 can 總線發(fā)送給 bcu 或其他監(jiān)控設(shè)備。bcu 負(fù)責(zé)電池組工作電流測量、充放電量（ah）累計、總電壓檢測、絕緣檢測、soc 估算。bcu 通過can 總線收集 bmu的數(shù)據(jù)并在線分析電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果進行電池組故障報警、電池組最大允許充放電功率預(yù)測、電池組soc 估算、充放電管理。bcu 提供2 路獨立的高速 can ，分別與功率控制系統(tǒng)（pcs，power control system ）、監(jiān)控系統(tǒng)等通信，以供外部設(shè)備更合理的管控電池組的充放電，優(yōu)化電能的使用調(diào)度，提高鋰電池組的整體性能；同時，在系統(tǒng)運行過程中，實時監(jiān)控電池組的詳細狀態(tài)。

 

2）主控單元

 

主控單元（bcu）作為儲能電池管理系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行過程的監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、控制策略實現(xiàn)和外界通訊控制，配備了汽車級別中央控制處理器及豐富的外設(shè)資源。

 

3）檢測單元

 

檢測單元（bmu）是獲取電池狀態(tài)最直接和最重要的部分，通常檢測單元被安裝在電池箱內(nèi)部，靠近電池附近，負(fù)責(zé)該箱單體電池電壓檢測、電池溫度檢測、均衡控制、風(fēng)機控制等。

 

4.2.4 儲能變流器

 

儲能變流器能實現(xiàn)交流母線與電池組之間的雙向可控的能量交換，滿足電池的充放要求。儲能變流器采用單級結(jié)構(gòu)，額定功率為25kw，中間直流電壓為650v，輸出端與380v三相交流母線鏈接。采用電流源/電壓源切換模式工作，在并網(wǎng)狀態(tài)下控制電池充放電功率，起到雙向可控負(fù)載的作用，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的均衡控制；在離網(wǎng)模式下，可保證重要負(fù)荷的供電，實現(xiàn)梯次利用電池儲能系統(tǒng)供電和用電的平衡。在電網(wǎng)薄弱地區(qū)，pcs可實現(xiàn)無功補償功能，提高本地供電電能質(zhì)量。

 

4.2.5 智能配電柜裝置

 

智能配電柜給電網(wǎng)、負(fù)荷、儲能變流器等提供接入的端口，并將負(fù)荷按照重要性分為一級負(fù)荷和二級負(fù)荷。當(dāng)電網(wǎng)有電時將電網(wǎng)接入，給所有負(fù)荷供電；當(dāng)電網(wǎng)無電時，斷開與電網(wǎng)的連接并切除一般負(fù)荷，通過微網(wǎng)的孤島運行給重要負(fù)荷供電。

 

智能配電柜包括1個變流器端口、1個電網(wǎng)端口、1個一般負(fù)荷端口、2個重要負(fù)荷端口（即一級、二級負(fù)荷端口），每個端口都配置斷路器。在電網(wǎng)端口設(shè)置電壓、電流、功率和頻率的測量環(huán)節(jié)，負(fù)荷端口設(shè)置電流和功率測量環(huán)節(jié)。

 

4.2.6 微網(wǎng)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)

 

監(jiān)控調(diào)度管理系統(tǒng)是本儲能系統(tǒng)的控制中樞，實時采集儲能電池、儲能變流器、智能配電柜等的運行參數(shù)和狀態(tài)信息，將這些信息通過人機界面顯示，同時利用這些信息實現(xiàn)梯次利用電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和故障保護，監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)其它各部分保持實時通訊。

 

梯次利用電池儲能系統(tǒng)的目標(biāo)是在監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的控制下，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作，以滿足在并網(wǎng)和離網(wǎng)情況下負(fù)荷的供電要求，以及電池的定期維護。為達到此目標(biāo)，需要在系統(tǒng)及組成部分的層面制定完善的能量調(diào)度、狀態(tài)切換、運行監(jiān)控和故障保護策略。

 

在并網(wǎng)情況下，一般負(fù)荷及重要負(fù)荷都通過智能配電柜接入梯次利用電池儲能系統(tǒng)，在并網(wǎng)情況下，一方面儲能系統(tǒng)可儲存電網(wǎng)的能量，滿足電網(wǎng)故障情況下重要負(fù)荷的供電需求，同時可通過在電網(wǎng)的用電低谷時段存儲能量，用電高峰時段釋放能量，以利用電網(wǎng)的峰谷電價差，降低用電成本。在離網(wǎng)情況下只保留重要負(fù)荷及儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，保證供電的質(zhì)量，實現(xiàn)供電和用電的功率平衡。

 

5 預(yù)期目標(biāo)和成果形式

 

5.1 預(yù)期達到的目標(biāo)

 

5.1.1 建立25kw/100kwh車用淘汰鋰離子電池儲能示范系統(tǒng)，實現(xiàn)移峰填谷、離網(wǎng)運行功能；

 

5.1.2 示范應(yīng)用于梯次利用電池儲能用的電池管理系統(tǒng)；

 

5.1.3 示范應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)，保證用戶供電可靠性和電能質(zhì)量；

 

5.1.4 示范應(yīng)用于微網(wǎng)條件下的儲能變流器，可以實現(xiàn)并離網(wǎng)切換。

 

5.2 成果形式

 

通過研究電池篩選方法，能夠?qū)⑦_到純電動汽車使用壽命的動力電池進行重新配組進行大型電力儲能應(yīng)用，為鋰離子電池的梯級利用提供可靠的保障，從而有效地降低電池成本，使電動汽車和充電站的運營出現(xiàn)可盈利的空間，同時滿足國家對智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，促進國家新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而帶來巨大的社會效益。

 

可以將研究成果推廣到全國范圍內(nèi)，為相關(guān)企業(yè)服務(wù)，加速相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)創(chuàng)新，使更多的企業(yè)投身到電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，提升電動汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平。