動力電池梯次利用的異構(gòu)儲能電站設(shè)計與實踐
林 武，史新民，蔣麗麗，朱佳偉
（安徽瑞賽克再生資源技術(shù)股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）
本文引文信息：林武,史新民,蔣麗麗,朱佳偉.動力電池梯次利用的異構(gòu)儲能電站設(shè)計與實踐[J].浙江電力,2020,39(05):41-49.
0 引言
隨著石油資源的緊張和電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車在世界范圍內(nèi)逐漸被推廣應(yīng)用。以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。作為電動汽車核心部件之一的動力電池，也迎來了前所未有的高速發(fā)展期，但受當(dāng)前電池技術(shù)的制約，當(dāng)電池容量衰減至額定容量的80%以下時，動力電池因容量不足不能保障電動汽車的動力和續(xù)航能力要求，已不適合繼續(xù)應(yīng)用在電動汽車上，就要從電動汽車上退役[2]，即從汽車上的退役下來的電池，至少還有80%的容量，并不是“報廢”。根據(jù)專家預(yù)計，到2020 年動力電池回收量接近25 GWh，整體市場規(guī)模將突破百億元[3]。因此，動力電池的梯次利用市場將迎來爆發(fā)式增長，動力電池梯次利用技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點。
儲能系統(tǒng)正是目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的動力電池梯次利用的重要出路[4]。美國SNL（Sandia 國家實驗室）的研究發(fā)現(xiàn)動力電池的二次利用并沒有不可逾越的技術(shù)障礙，決定其實際應(yīng)用效果的關(guān)鍵要素是電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化、重組電池模塊的人力成本、電池容量保持率狀態(tài)預(yù)測精度因素[5]。在中國，國家電網(wǎng)有限公司從2012 年開始啟動大容量梯次利用電池儲能技術(shù)研究[6]。
對于動力性能要求不高的電力儲能場合來說，既可增加電池全壽命周期價值以降低電動汽車成本，又可以減少電池原材料礦產(chǎn)開發(fā)和廢棄物總量。電力系統(tǒng)對儲能有著巨大的需求，但受電池成本的制約，電力儲能應(yīng)用遲遲沒有進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行。但是，即將到來的大量動力電池退役，給降低電力儲能的運(yùn)行成本帶來了希望。
一套儲能電站的容量少則千瓦時級，多則兆瓦時級，需要由成千上萬節(jié)電芯串/并聯(lián)組成，對電池的一致性有著較高的要求，而退役動力電池回收來源和使用狀態(tài)各異，難以保證電池參數(shù)都接近?！凹词菇?jīng)過千挑萬選，仍無法避免在儲能系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生離散”[7]。電池一致性成為電力儲能應(yīng)用的制約因素，而過多的篩選勢必增大應(yīng)用成本。如果有一種方法做到不篩選或少篩選，將會極大提高梯次利用的商業(yè)化價值。本文介紹的就是基于這種想法的一個實際工程項目，其目的就是驗證一種“異構(gòu)兼容”的方法，即通過控制手段來解決電池的不一致性問題，以實現(xiàn)對退役動力電池的最低成本應(yīng)用，為大規(guī)模退役動力電池的應(yīng)用做好技術(shù)儲備。
1 儲能電站的設(shè)計
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
儲能電站由退役動力電池、儲能PCS（變流器）、BMS（電池管理系統(tǒng)）、EMS（能源管理系統(tǒng)）等組成，為了體現(xiàn)儲能電站的異構(gòu)兼容特征，電站選用5 種不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池進(jìn)行儲能（為突出“異構(gòu)”特色，系統(tǒng)還選用一路退役的鉛酸蓄電池）。
為實現(xiàn)儲能電站的控制，需要電站中各設(shè)備間進(jìn)行有效的配合與數(shù)據(jù)通信，電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分3 層，分別為現(xiàn)場應(yīng)用層、數(shù)據(jù)控制層和數(shù)據(jù)調(diào)度層，系統(tǒng)中現(xiàn)場應(yīng)用層主要是對PCS 和BMS 等數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。PCS 是直流電池和交流電網(wǎng)連接的中間環(huán)節(jié)[8]，是系統(tǒng)能量傳遞和功率控制的中樞，PCS 采用模塊化設(shè)計，每個回路的PCS 都可獨立調(diào)節(jié)。系統(tǒng)并網(wǎng)時，PCS 以電流源形式注入電網(wǎng)，自鉗位跟蹤電網(wǎng)相位角度；系統(tǒng)離網(wǎng)時，以獨立電壓源方式運(yùn)行，輸出恒定電壓和頻率供負(fù)載使用，各回路主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。BMS 具備電池參數(shù)監(jiān)測（如總電流、單體電壓檢測等）、電池狀態(tài)估計和保護(hù)等；數(shù)據(jù)控制層嵌入了系統(tǒng)針對不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的動力電池控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)充放電功率均衡。數(shù)據(jù)監(jiān)控層即EMS，主要實現(xiàn)儲能電站現(xiàn)場設(shè)備中各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)分析和事故追憶。
1.2 電池配置
1.2.1 電池配置表
本項目將5 種不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池分為5 個回路，每回路電池配置見表1。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?
圖2 各回路PCS 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
表1 各回路電池配置
1.2.2 電池選型
電站5 個回路的電池選擇如下：
（1）第1 回路：選擇2015 年退役電動汽車的電池包，將其拆解至電芯，篩選重組成模組，電芯類型是18650，標(biāo)稱電壓為3.6 V，標(biāo)稱容量為2.2 Ah；模組結(jié)構(gòu)25P3S，電池箱內(nèi)裝12個模組，電池組由9 個電池箱（共8 100 只電芯）串接構(gòu)成，模組及電池箱電氣連接如圖3 和4 所示。
圖3 第1 回路模組電氣連接
（2）第2 回路：選擇2015 年退役電動汽車的電池包，拆解至電芯，篩選重組成模組，電芯類型是26650，標(biāo)稱電壓為3.2 V，標(biāo)稱容量為2.7 Ah；模組結(jié)構(gòu)15P6S，電池箱內(nèi)裝6 個模組，電池組由11 個電池箱（共5 940 只電芯）串接構(gòu)成，模組及電池箱電氣連接如圖5 和6 所示。
（3）第3 回路：選擇汽車退役的鉛酸蓄電池，標(biāo)稱電壓為12 V，標(biāo)稱容量為60 Ah，該回路由36 個單體電池串接構(gòu)成，標(biāo)稱容量為60 Ah，出口電壓為432 V。
（4）第4 回路：選用2015 年某品牌Q22 系列電動汽車退役電池包，電池類型為26650，標(biāo)稱容量為126 Ah，標(biāo)稱電壓為320 V。
圖4 第1 回路電池箱電氣連接
圖5 第2 回路模組電氣連接
圖6 第2 回路電池箱電氣連接圖
（5）第5 回路：選用2015 年某品牌EQ1 電動汽車退役電池包，電池類型為18650，標(biāo)稱容量為92 Ah，標(biāo)稱電壓為350 V。
根據(jù)以上配置可知，電站各個回路電池的類型、結(jié)構(gòu)、時期都不相同，其初衷是為了體現(xiàn)本儲能電站“異構(gòu)兼容”的特色。
1.2.3 電池檢測
梯次電池用恒流方式進(jìn)行余能檢測，首次充放電電流為0.2C[9]，若采用恒功率方式進(jìn)行余能檢測，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換充放電功率約為標(biāo)稱容量的0.25 倍。
電站5 個回路按照0.25 倍標(biāo)稱容量進(jìn)行恒功率充放電檢測余能容量，數(shù)據(jù)見表2，為了體現(xiàn)不同倍率下充放電的余能，又以標(biāo)稱容量的0.1 和0.2 倍率進(jìn)行DOD（放電深度）測試。
表2 中表述的充放電效率為交流側(cè)效率，容量保持率為本次測試放電電量與原標(biāo)稱電量的百分比，余能為按照0.25 倍標(biāo)稱容量進(jìn)行恒功率充放電測出容量值。
依據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，對退役動力電池的應(yīng)用得到了初步結(jié)論，5 個回路的容量保持率分別是35.2%，52.8%，14.6%，89.8%和83.4%；各回路容量在電站總?cè)萘克嫉陌俦壤謩e為17.7%，21.9%，2.6%，34.4%和23.4%。
1.3 電池一致性解決方案
一致性問題解決方案是通過數(shù)據(jù)控制層中的“異構(gòu)兼容控制器”來實現(xiàn)的，是不同類型電池構(gòu)成儲能電站的指揮官，是實現(xiàn)“異構(gòu)兼容”的關(guān)鍵。該控制器嵌入了針對不同回路的獨立控制策略，通過這些控制策略可以針對完全不同的電池分開控制，但在儲能系統(tǒng)的外特性上實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，以實現(xiàn)對電池控制的“異構(gòu)兼容”。
該控制器硬件以ARM9 處理器為核心，配置大容量的存儲器，擴(kuò)展了6 個通信接口，每個通信口對應(yīng)一個電池回路，將5 個回路從物理上分開，在信息上合并，各回路單獨運(yùn)行，整體上協(xié)同一致?？刂破饔布唧w配置如圖7 所示。
異構(gòu)兼容控制器的操作系統(tǒng)采用支持實時多任務(wù)、多線程的嵌入式Linux 系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理執(zhí)行快速準(zhǔn)確，同時具備完善的網(wǎng)絡(luò)功能，兼容Modbus RTU，Modbus TCP，CAN 等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議?？刂撇呗圆捎脛討B(tài)庫動態(tài)調(diào)用，添加、刪除控制策略可以直接在策略庫目錄下操作，修改策略也只需修改策略庫文件本身，不需要改動本體程序，既保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，也增加了程序的靈活性。
表2 儲能電站梯次利用余能檢測數(shù)據(jù)
圖7 異構(gòu)兼容控制器硬件配置
本系統(tǒng)控制策略是將原本對均衡性要求很嚴(yán)的直流母線集中式控制方式變更為對均衡性要求較弱的分散式交流母線集中控制方式，由原來的電壓均衡控制方式，改為功率均衡控制方式，對各組電池性能和品牌不作一致性的要求，分散式交流母線集中控制方式既可視為一個整體集中控制，又可分回路控制、分回路調(diào)節(jié)功率。
控制策略具體如下：
系統(tǒng)實時采集當(dāng)前每組（i）的工作參數(shù)E（電流I、電壓V、功率P），再進(jìn)行均衡計算，計算出各組當(dāng)前的平均值Ev，根據(jù)各組與平均值Ev的差值（ΔEi）再返調(diào)節(jié)各組，大于Ev 的減少其給定值，小于Ev 的增加其給定值，使所有組逐次逼近Ev，從而使整個儲能系統(tǒng)充放電均衡，使其發(fā)揮最佳性能。
針對不同品牌、不同結(jié)構(gòu)的電池可預(yù)先設(shè)置其控制“子程序”（以動態(tài)庫形式），根據(jù)電站的不同電池配置，不同性能的電池組調(diào)用其相應(yīng)的“子程序”，使其成為一種智能“選擇”。
這樣僅對單組電池進(jìn)行篩選，只要求在組內(nèi)保持性能一致，無需整個系統(tǒng)保持一致，從而使整個儲能載體可以是不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池，實現(xiàn)了異構(gòu)電池系統(tǒng)的兼容控制。具體流程如圖8 所示。
1.4 整包應(yīng)用解決方案
動力電池在電動汽車上是以電池包總成部件出現(xiàn)的，對退役動力電池的梯次利用有多種方法，對電池包進(jìn)行拆解、篩選、重組是常用方案，但篩選不僅工作量大，而且需要重新配置BMS，無形中給本來具有價格優(yōu)勢的“梯次電池”增加了大量的成本。
圖8 異構(gòu)兼容儲能電站控制流程
隨著制造技術(shù)和信息化技術(shù)的提高與普及，工業(yè)領(lǐng)域的零件材料成本大幅度下降，而人工成本大幅度上漲，減少對退役電池的篩選則是降低梯次利用成本的主要措施之一，其方案就是對退役電池包的整包應(yīng)用。
電池包退役時是以總成的形式，具有完整的充放電接口和BMS，只需測試其好壞，便是一套現(xiàn)成的電池系統(tǒng)，顯然電池包的整包利用是最經(jīng)濟(jì)的梯次利用方案。
原電池包的BMS 用于汽車上，所采用的是適用于汽車的CAN 總線和汽車專用協(xié)議，而電力行業(yè)與汽車行業(yè)所采用的通信總線不同，電力行業(yè)一般采用Modbus RTU 或IEC 103，IEC 104等協(xié)議，若要不拆解電池包直接用于電力儲能系統(tǒng)，就必須解決通信不兼容的問題[10]。
為此需要專門開發(fā)出一款通信橋接器，實現(xiàn)了原電池包BMS 的CAN 協(xié)議與電力系統(tǒng)專用協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。
橋接器是一個以微處理器為核心的“智能通信管理器”，設(shè)置5 個通信口：1 個CAN 接口，2 個RS485 接口，1 個LAN，1 個WIFI；CAN 接電池包，其他4 個可接儲能系統(tǒng)不同形式的通信接口。在軟件上可對電池包BMS 的信息進(jìn)行管理，可任意調(diào)整參數(shù)的數(shù)據(jù)域，可把不同電池包的不同數(shù)據(jù)域重新調(diào)整為完全相同的數(shù)據(jù)域，供儲能系統(tǒng)不同硬件接口的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化訪問。形成一個虛擬的“橋”，這個“橋”一頭接電池包，另一頭接儲能系統(tǒng)，以解決通信硬件、軟件不兼容的問題，為整包梯次利用建立數(shù)據(jù)通信。圖1 中第4 或5回路即是電池包橋接器的應(yīng)用框圖。
通信橋接管理器內(nèi)嵌Linux 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多種通信規(guī)約，如：SC-1801，部頒CDT，IEC 101，IEC 103，IEC 104，Modbus RTU，Modbus TCP，DL/T 645—2007 等，采用動態(tài)庫動態(tài)調(diào)用。根據(jù)不同的PCS 調(diào)用不同的通信協(xié)議，這些協(xié)議可以任意組態(tài)，針對不同類型的電池包，形成一種梯次利用的專用“橋接管理器”，完全利用電池原有的BMS，即可達(dá)到不拆解電池包而直接梯次利用的目的，幾乎沒有拆解與重組成本，更無需額外配置BMS。
2 儲能電站運(yùn)行實踐
2.1 充放電能力
動力電池安全隱患本質(zhì)是電池?zé)崾Э?，而對電池過充、快充、低溫充電等導(dǎo)致的析鋰是誘發(fā)電池?zé)崾Э氐闹饕騕11]。本電站儲能載體為不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池，通過控制充放電倍率，降低退役動力電池內(nèi)部的熱失控風(fēng)險，提高退役動力電池應(yīng)用的安全性。結(jié)合表2及配合電站功率均衡的控制策略，將儲能電站各回路充放電功率分別設(shè)置為各回路標(biāo)稱容量0.1倍、0.1 倍、0.2 倍、0.25 倍、0.25 倍，目的是防止對退役動力電池過充過放，測試工作環(huán)境為室溫。圖9—13 分別是各回路充放電電流及容量變化曲線。
圖9 第1 回路充放電電流及容量曲線
圖10 第2 回路充放電電流及容量曲線
圖11 第3 回路充放電電流及容量曲線
圖12 第4 回路充放電電流及容量曲線
圖13 第5 回路充放電電流及容量曲線
電站各回路按照恒功率的控制方式，各回路充放電的功率分別是6.4 kW，5.7 kW，5 kW，10 kW 和8 kW。在充放電過程中，各回路配置BMS 進(jìn)行保護(hù)，為了安全起見，電芯間壓差過大或過溫等情況下，BMS 將進(jìn)行保護(hù)，因此，各回路電池容量并沒有完全充滿或放空。各回路充放電設(shè)定的功率是恒定的，電壓則不斷變化，根據(jù)公式I=P/U，PCS 不斷地調(diào)節(jié)電流以達(dá)到恒功率充放電的目的。依照圖9—13 可知，在初始和結(jié)束階段會以一個較小的電流進(jìn)行充放，起到激活和保護(hù)電池的作用；整個充放電過程中，各回路的退役電池不會出現(xiàn)“一充就飽，一放就了”的情況，放電功率不會隨電池的容量降低而下降。
2.2 運(yùn)行效果
電站從2017 年投入運(yùn)行至今，運(yùn)行基本穩(wěn)定，在電網(wǎng)用電谷時段，對儲能電站進(jìn)行充電，電網(wǎng)用電峰時段，儲能電站對電網(wǎng)進(jìn)行放電，圖14 為典型代表日儲能電站削峰填谷運(yùn)行曲線，∑P 是5 個回路功率的累加，因電池容量的差異只能在短時間內(nèi)達(dá)到最大功率的輸入與輸出，表3 所示為典型代表日儲能電站削峰填谷運(yùn)行數(shù)據(jù)，是圖14 的說明。結(jié)合圖14 和表3 數(shù)據(jù)，表4為典型代表日的儲能電站各回路實際充放電電量及效率。
圖14 典型代表日儲能電站削峰填谷運(yùn)行曲線
表3 典型代表日儲能電站削峰填谷運(yùn)行數(shù)據(jù)
表4 典型代表日儲能電站各回路實際充放電電量及效率
GB/T 36549—2018《電化學(xué)儲能電站運(yùn)行指標(biāo)及評價》規(guī)定，儲能單元充放電能量效率是衡量儲能電站能效指標(biāo)之一，依據(jù)表4 數(shù)據(jù)，磷酸鐵鋰的數(shù)據(jù)優(yōu)于三元鋰，鉛酸電池效果最差，第1和2 回路充放電效率在55%左右，其電芯生產(chǎn)日期為2010 年，早期動力電池梯次利用價值不大，近幾年來我國動力電池技術(shù)進(jìn)步迅速，無論是性能還是能量密度都有了很大提升，也有效延長了電池使用壽命。但目前已經(jīng)退役的動力電池多為早期投入市場，這批電池使用能量密度低、性能穩(wěn)定性差，進(jìn)行梯次利用價值并不大，因此其充放電效率也在合理范圍之內(nèi)；第4 和5 回路充放電效率值比較為理想，主要由于現(xiàn)階段制造動力電池工藝水平的進(jìn)步，電池能量密度、性能穩(wěn)定性都有所提升。
2.3 充放電切換時間
調(diào)度響應(yīng)成功率主要包含電站自動化系統(tǒng)響應(yīng)時間及設(shè)備響應(yīng)時間，電站自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用Modbus TCP 通信協(xié)議傳輸，通信介質(zhì)為超6類屏蔽雙絞線，通信響應(yīng)時間小于1 ms。檢測方式在每回路直流側(cè)增設(shè)電流分配器，對儲能變流器進(jìn)行等功率充放電切換，通過采集電流分配器電壓信號判斷儲能變流器充放電切換時間，充放電功率以5 kW 為一個遞增量，一般在80 ms 以內(nèi)，其數(shù)值在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。第1 回路30 kW 充放電切換波形如圖15 所示。
2.4 電能質(zhì)量
電能質(zhì)量是評價某個電網(wǎng)或某個供電點電能質(zhì)量優(yōu)劣的主要方法[12]。儲能電站運(yùn)行期間，利用電能質(zhì)量分析儀對儲能變流器交流側(cè)充放電時的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測項為電流電壓的有效值、電流電壓峰值、諧波、不平衡等。經(jīng)實測，各回路充放電時的電能質(zhì)量均在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，儲能電站各回路25 kW 放電電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)（部分）見表5。
圖15 第1 回路30 kW 恒功率充放電切換波形
表5 儲能電站各回路25 kW 恒功率放電電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)（部分）
3 結(jié)論
儲能電站運(yùn)行效果評價包括充放電能力、能效水平和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)3 個方面[13]，其中，充放電能力評價包括儲能電站實際可充放電功率、實際可放電量以及儲能單元能量保持率指標(biāo)。經(jīng)過對電站各回路的充放電能力、運(yùn)行效果、切換時間和電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析，得出以不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池為儲能載體的異構(gòu)兼容電站符合儲能電站的技術(shù)要求。
動力電池梯次利用異構(gòu)兼容儲能電站已正式投運(yùn)，達(dá)到了對退役動力電池梯次利用過程中的技術(shù)路線探索的目的，經(jīng)運(yùn)行情況分析，得到以下結(jié)論：
（1）退役動力電池類型各異，回收篩選工作量大，異構(gòu)兼容能夠有效解決類型各異的動力電池不兼容問題。
（2）退役動力電池整包利用是成本最低的一種方式，充分利用了原BMS 資源，又無需拆解電池包，既省時、省力，又減少工業(yè)固體廢物的排放，符合國家對工業(yè)固體廢棄物的政策導(dǎo)向要求。
隨著電力市場改革的深入推進(jìn)，儲能電站存在著多場景的復(fù)合運(yùn)行模式，可以為市場參與者提供調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)[14]。發(fā)展梯次利用動力電池儲能產(chǎn)業(yè)具有高度的戰(zhàn)略意義和強(qiáng)烈的能源與環(huán)境訴求，同時也有著廣闊的市場前景[15-20]。退役動力電池的梯次利用具備應(yīng)用潛能，異構(gòu)兼容、整包利用等理念的設(shè)計和實現(xiàn)為退役動力電池的梯次利用尋找新的應(yīng)用點，將不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力電池進(jìn)行梯次利用，應(yīng)用于電力儲能，既可實現(xiàn)能源調(diào)節(jié)，也為社會承擔(dān)起責(zé)任。
參考文獻(xiàn)：（略）
