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1、 梯次利用车用电池储能系统初探梯次利用车用电池储能系统初探【摘 要】作为国家电网公司智能电网综合建设工程之一，唐山将在曹妃甸工业区建成一座大型充换电站。为更好地梯次利用充换电站淘汰的车用动力电池，减少资源浪费，本文对建设梯次利用动力电池的储能系统进行了初步的研究和探讨，分析了国内外的技术现状，提出了储能系统设计方案，为动力电池的梯次利用和综合效益发挥提供了新的思路。【关键词】车用电池；梯次利用；初探1 背景和意义曹妃甸智能电网综合建设工程坐落在唐山曹妃甸工业区，计划在 2012 年底 2013 年初（一期）建成 1 座含 1 个大巴车的换电工位及 2 个大巴车的充电工位的大型充换电站，占地约
2、2000m2，可以满足曹妃甸工业区内 10 辆电动大巴车辆的充电及运行需求。为了最大化发挥和利用车用动力电池的剩余价值，延长动力电池使用寿命，电动汽车淘汰的电池具备在储能系统继续使用条件。通过梯级利用方式，不但可以延长电池使用寿命，降低动力电池全寿命周期成本，还可以在电网故障时为重要负荷供电，平抑充电行为的随机性，控制负荷波动，提高电网电能质量。本次研究结合曹妃甸充换电站的建设，通过利用其动力电池建立梯次利用电池储能系统，主要用于负荷低谷储能、负荷高峰阶段给电动汽车补充电能。2 国内外现状自从锂离子电池在北京奥运纯电动客车取得成功运行后，该模式已经在上海世博会等处得到推广应用，但在电动汽车大规
3、模商业推广中尤其是车用动力电池的利用方面仍存在一些问题：2.1 锂离子电池的成本较高且车用寿命只有 3-4 年，这给电池采购和运营方带来了极大的负担。2.2 锂离子电池直接淘汰造成资源的严重浪费。当电动汽车电池的容量下降到额定容量的 80%后就不宜继续使用，如果直接将电池淘汰，将造成资源的严重浪费。2.3 电动汽车锂离子电池的出路问题亟待解决。根据唐山曹妃甸未来电动汽车发展预测，电动汽车达到 30 辆时对应的锂离子电池将达 4500kwh，锂离子电池的“出路”问题日渐凸显。2.4 充电站负载波动性给充电站配电带来了困难。由于充电站负荷存在明显的波动性，在充电站建立储能系统是平抑充电站负载变化的
4、重要解决途径。3 研究的理论和实践依据3.1 为达到纯电动汽车使用寿命的批量动力电池提供筛选机制和评估方法；给出储能应用条件下梯次利用电池容量、可用功率衰退规律；提出动力电池储能系统的均衡方案；形成动力电池梯次利用经济性分析报告，为动力电池的定价机制提供参考。3.2 梯次利用电池储能系统的稳定供电技术研究：梯次利用电池储能系统内储能变流器在电压源离网模式和电流源并网模式之间进行平稳切换，在切换过程中应保证负载的安全供电以及梯次利用电池储能系统的稳定运行。3.3 梯次利用电池储能系统中的电能质量问题研究：在非理想电网环境下，通过研究梯次利用电池储能系统中谐波相互作用的机理，以及电网谐波与变流器的
5、相互作用，通过合理的控制方法，尽量消除电网背景谐波对变流器输出电流畸变的影响，通过储能变流器集成谐波补偿和无功补偿功能，提高微网内部的电能质量。4 研究内容和设计方案4.1 探索动力电池的梯次利用需要建成 1 套含 25kw 储能变流器，100kwh 储能电池及相应的智能配电系统、电池管理系统、能量调度系统等在内的梯次利用电池储能系统，以便探索车用淘汰锂离子动力电池在储能系统中的应用模式，以及储能系统在电动汽车充电站中的运行方式及规律。4.2 具体的设计方案4.2.1 梯次利用电池储能系统基于微网能量控制系统管理，梯次利用电池储能系统可保证对用户供电的可靠性和电能质量。微网技术可以提高供电的可
6、靠性，成为解决冲击性负荷功率波动的重要手段。梯次利用电池储能系统可以在电网故障或异常等情况下与外部配电网断开，依靠储能维持梯次利用电池储能系统内部负荷的正常电力供应，实现并网模式和离网模式之间灵活转换。典型的梯次利用电池储能系统结构如图所示。图 梯次利用电池储能系统结构4.2.2 电池梯次利用筛选成组方案建设 100kwh 车用淘汰锂离子动力电池储能系统，用以平抑充换电站负荷波动，在负荷高峰阶段放电给电动汽车充电，在负荷低谷充电将能量存储起来，起到移峰填谷的作用。在对车用淘汰电池进行梯级使用时，需要对梯级利用电池重新筛选成组。本研究拟采用淘汰下来纯电动客车锂离子动力电池，首先将车用动力电池组拆
7、箱为单体，搭建车用淘汰锂离子动力电池测试平台，通过表面观察、确定老化程度、测量电池电压与内阻，淘汰损坏、老化、失效的电池，并进行回收利用；其次将电池单体放置在测试平台上，按照给定的测试方法，分别测试电池的容量和峰值功率，依据结果对电池进行分类，结合储能系统应用要求和电池箱电压容量等级，组成新的电池组。选定一定量的电池，按照选定的储能工况进行寿命测试，分析电池容量衰退规律，内阻变化特性，分析储能用电池的使用寿命终止方式。对电池进行电化学拆解，分析不同阶段的电池（如容量衰减30%、40%、50%、60%等）的关键材料（正极材料、负极材料、电解液、隔膜、sei 膜）结构和性能的变化，以及锂离子在碳负
8、极材料上的嵌入、脱嵌及扩散行为，从电池充放电内在机理角度研究电池的老化特性。4.2.3 梯次利用电池管理系统1）管理系统储能用梯次利用电池管理系统采用分布式拓扑结构，系统由一个主控单元（bcu，battery control unit） ，多个检测单元（bmu，battery measure unit ） 。各个单元之间通过高速 can 总线进行互联，完成数据的实时传输与控制。bmu 负责单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制以及风机控制，并将采集的电池数据和检测单元的实时工作状态通过 can 总线发送给 bcu 或其他监控设备。bcu 负责电池组工作电流测量、充放电量（ah）累计、总电压检
9、测、绝缘检测、soc 估算。bcu 通过 can 总线收集 bmu 的数据并在线分析电池系统的工作状态，根据分析结果进行电池组故障报警、电池组最大允许充放电功率预测、电池组 soc 估算、充放电管理。bcu 提供 2 路独立的高速 can ，分别与功率控制系统（pcs，power control system ） 、监控系统等通信，以供外部设备更合理的管控电池组的充放电，优化电能的使用调度，提高锂电池组的整体性能；同时，在系统运行过程中，实时监控电池组的详细状态。2）主控单元主控单元（bcu）作为储能电池管理系统的控制中心，负责系统运行过程的监控、数据处理、控制策略实现和外界通讯控制，配备了汽
10、车级别中央控制处理器及丰富的外设资源。3）检测单元检测单元（bmu）是获取电池状态最直接和最重要的部分，通常检测单元被安装在电池箱内部，靠近电池附近，负责该箱单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制、风机控制等。4.2.4 储能变流器储能变流器能实现交流母线与电池组之间的双向可控的能量交换，满足电池的充放要求。储能变流器采用单级结构，额定功率为 25kw，中间直流电压为 650v，输出端与 380v 三相交流母线链接。采用电流源/电压源切换模式工作，在并网状态下控制电池充放电功率，起到双向可控负载的作用，实现系统能量的均衡控制；在离网模式下，可保证重要负荷的供电，实现梯次利用电池储能系统供电和
11、用电的平衡。在电网薄弱地区，pcs 可实现无功补偿功能，提高本地供电电能质量。4.2.5 智能配电柜装置智能配电柜给电网、负荷、储能变流器等提供接入的端口，并将负荷按照重要性分为一级负荷和二级负荷。当电网有电时将电网接入，给所有负荷供电；当电网无电时，断开与电网的连接并切除一般负荷，通过微网的孤岛运行给重要负荷供电。智能配电柜包括 1 个变流器端口、1 个电网端口、1 个一般负荷端口、2 个重要负荷端口（即一级、二级负荷端口） ，每个端口都配置断路器。在电网端口设置电压、电流、功率和频率的测量环节，负荷端口设置电流和功率测量环节。4.2.6 微网的监控调度系统监控调度管理系统是本储能系统的控制
12、中枢，实时采集储能电池、储能变流器、智能配电柜等的运行参数和状态信息，将这些信息通过人机界面显示，同时利用这些信息实现梯次利用电池储能系统的协调控制和故障保护，监控调度系统通过网络与系统其它各部分保持实时通讯。梯次利用电池储能系统的目标是在监控调度系统的控制下，协调系统各部分的工作，以满足在并网和离网情况下负荷的供电要求，以及电池的定期维护。为达到此目标，需要在系统及组成部分的层面制定完善的能量调度、状态切换、运行监控和故障保护策略。在并网情况下，一般负荷及重要负荷都通过智能配电柜接入梯次利用电池储能系统，在并网情况下，一方面储能系统可储存电网的能量，满足电网故障情况下重要负荷的供电需求，同时
13、可通过在电网的用电低谷时段存储能量，用电高峰时段释放能量，以利用电网的峰谷电价差，降低用电成本。在离网情况下只保留重要负荷及储能系统协调工作，保证供电的质量，实现供电和用电的功率平衡。5 预期目标和成果形式5.1 预期达到的目标5.1.1 建立 25kw/100kwh 车用淘汰锂离子电池储能示范系统，实现移峰填谷、离网运行功能；5.1.2 示范应用于梯次利用电池储能用的电池管理系统；5.1.3 示范应用于储能系统的能量管理系统，保证用户供电可靠性和电能质量；5.1.4 示范应用于微网条件下的储能变流器，可以实现并离网切换。5.2 成果形式通过研究电池筛选方法，能够将达到纯电动汽车使用寿命的动力电池进行重新配组进行大型电力储能应用，为锂离子电池的梯级利用提供可靠的保障，从而有效地降低电池成本，使电动汽车和充电站的运营出现可盈利的空间，同时满足国家对智能电网发展战略的需要，促进国家新能源产业的发展，从而带来巨大的社会效益。可以将研究成果推广到全国范围内，为相关企业服务，加速相关企业的产业升级和技术创新，使更多的企业投身到电动汽车产业链中，提升电动汽车产业的规模和技术水平。责任编辑：曹明明
