梯次利用車用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

 

自從鋰離子電池在北京奧運(yùn)純電動(dòng)客車取得成功運(yùn)行后，該模式已經(jīng)在上海世博會(huì)等處得到推廣應(yīng)用，但在電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)推廣中尤其是車用動(dòng)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(gòu)和運(yùn)營(yíng)方帶來(lái)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(fèi)。當(dāng)電動(dòng)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(fèi)。

 

1.3 電動(dòng)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(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車達(dá)到30輛時(shí)對(duì)應(yīng)的鋰離子電池將達(dá)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(dòng)性給充電站配電帶來(lái)了困難。由于充電站負(fù)荷存在明顯的波動(dòng)性，在充電站建立儲(chǔ)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(shí)踐依據(jù)

 

2.1 為達(dá)到純電動(dòng)汽車使用壽命的批量動(dòng)力電池提供篩選機(jī)制和評(píng)估方法；給出儲(chǔ)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(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的均衡方案；形成動(dòng)力電池梯次利用經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，為動(dòng)力電池的定價(jià)機(jī)制提供參考。

 

2.2 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定供電技術(shù)研究：梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)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(jìn)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(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

2.3 梯次利用電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)中諧波相互作用的機(jī)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(duì)變流器輸出電流畸變的影響，通過儲(chǔ)能變流器集成諧波補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償功能，提高微網(wǎng)內(nèi)部的電能質(zhì)量。

 

3 研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)方案

 

3.1 探索動(dòng)力電池的梯次利用需要建成1套含25kw儲(chǔ)能變流器，100kwh儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，以便探索車用淘汰鋰離子動(dòng)力電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)在電動(dòng)汽車充電站中的運(yùn)行方式及規(guī)律。

 

3.2 具體的設(shè)計(jì)方案

 

3.2.1 梯次利用電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)可保證對(duì)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(dòng)的重要手段。梯次利用電池儲(chǔ)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?jī)?chǔ)能維持梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)荷的正常電力供應(yīng)，實(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

 

圖 梯次利用電池儲(chǔ)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(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用以平抑充換電站負(fù)荷波動(dòng)，在負(fù)荷高峰階段放電給電動(dòng)汽車充電，在負(fù)荷低谷充電將能量存儲(chǔ)起來(lái)，起到移峰填谷的作用。

 

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

 

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

 

對(duì)電池進(jìn)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(kuò)散行為，從電池充放電內(nèi)在機(jī)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(chǔ)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(gè)主控單元（bcu，battery control unit），多個(gè)檢測(cè)單元（bmu，battery measure unit ）。各個(gè)單元之間通過高速 can 總線進(jìn)行互聯(lián)，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與控制。bmu負(fù)責(zé)單體電池電壓檢測(cè)、電池溫度檢測(cè)、均衡控制以及風(fēng)機(jī)控制，并將采集的電池?cái)?shù)據(jù)和檢測(cè)單元的實(shí)時(shí)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(cè)量、充放電量（ah）累計(jì)、總電壓檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、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(jìn)行電池組故障報(bào)警、電池組最大允許充放電功率預(yù)測(cè)、電池組soc 估算、充放電管理。bcu 提供2 路獨(dú)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(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的詳細(xì)狀態(tài)。

 

2）主控單元

 

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

 

3）檢測(cè)單元

 

檢測(cè)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(cè)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(cè)、電池溫度檢測(cè)、均衡控制、風(fēng)機(jī)控制等。

 

4.2.4 儲(chǔ)能變流器

 

儲(chǔ)能變流器能實(shí)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(chǔ)能變流器采用單級(jí)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(shí)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(shí)現(xiàn)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供電和用電的平衡。在電網(wǎng)薄弱地區(qū)，pcs可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)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(chǔ)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(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷。當(dāng)電網(wǎng)有電時(shí)將電網(wǎng)接入，給所有負(fù)荷供電；當(dāng)電網(wǎng)無(wú)電時(shí)，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(yùn)行給重要負(fù)荷供電。

 

智能配電柜包括1個(gè)變流器端口、1個(gè)電網(wǎng)端口、1個(gè)一般負(fù)荷端口、2個(gè)重要負(fù)荷端口（即一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷端口），每個(gè)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(cè)量環(huán)節(jié)，負(fù)荷端口設(shè)置電流和功率測(cè)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(chǔ)能系統(tǒng)的控制中樞，實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、智能配電柜等的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息，將這些信息通過人機(jī)界面顯示，同時(shí)利用這些信息實(shí)現(xiàn)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和故障保護(hù)，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(shí)時(shí)通訊。

 

梯次利用電池儲(chǔ)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(hù)。為達(dá)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(yùn)行監(jiān)控和故障保護(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)，在并網(wǎng)情況下，一方面儲(chǔ)能系統(tǒng)可儲(chǔ)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(shí)可通過在電網(wǎng)的用電低谷時(shí)段存儲(chǔ)能量，用電高峰時(shí)段釋放能量，以利用電網(wǎng)的峰谷電價(jià)差，降低用電成本。在離網(wǎng)情況下只保留重要負(fù)荷及儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，保證供電的質(zhì)量，實(shí)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(dá)到的目標(biāo)

 

5.1.1 建立25kw/100kwh車用淘汰鋰離子電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移峰填谷、離網(wǎng)運(yùn)行功能；

 

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

 

5.1.3 示范應(yīng)用于儲(chǔ)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(chǔ)能變流器，可以實(shí)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_(dá)到純電動(dòng)汽車使用壽命的動(dòng)力電池進(jìn)行重新配組進(jìn)行大型電力儲(chǔ)能應(yīng)用，為鋰離子電池的梯級(jí)利用提供可靠的保障，從而有效地降低電池成本，使電動(dòng)汽車和充電站的運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)可盈利的空間，同時(shí)滿足國(guó)家對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，促進(jìn)國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

 

可以將研究成果推廣到全國(guó)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(jí)和技術(shù)創(chuàng)新，使更多的企業(yè)投身到電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，提升電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平。