動力鋰離子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.動力鋰離子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鋰離子電池，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，動力鋰離子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年動力鋰離子電池回收量接近25GWh，整體市場規(guī)模將突破百億元[3]。因此，動力鋰離子電池的梯次利用市場將迎來爆發(fā)式上升，動力鋰離子電池梯次利用技術(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)的動力鋰離子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)動力鋰離子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]。在我國，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]。

有關(guān)動力性能要求不高的電力儲能場合來說，既可新增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)化運行。但是，即將到來的大量動力鋰離子電池退役，給降低電力儲能的運行成本帶來了希望。

一套儲能電站的容量少則千瓦時級，多則兆瓦時級，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，而退役動力鋰離子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，仍無法防止在儲能系統(tǒng)運行過程中發(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。假如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)對退役動力鋰離子電池的最低成本應(yīng)用，為大規(guī)模退役動力鋰離子電池的應(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鋰離子電池、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)兼容特點，電站選用5種不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力鋰離子電池進(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，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)用層重要是對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)、時期的動力鋰離子電池控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)充放電功率均衡。數(shù)據(jù)監(jiān)控層即EMS，重要實現(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)、時期的退役動力鋰離子電池分為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)?/p>

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3.6V，標(biāo)稱容量為2.2Ah；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8100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3.2V，標(biāo)稱容量為2.7Ah；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5940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12V，標(biāo)稱容量為60Ah，該回路由36個單體電池串接構(gòu)成，標(biāo)稱容量為60Ah，出口電壓為432V。

（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126Ah，標(biāo)稱電壓為320V。

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92Ah，標(biāo)稱電壓為350V。

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)，對退役動力鋰離子電池的應(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電池一致性解決方法

一致性問題解決方法是通過數(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ModbusRTU，ModbusTCP，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，不要改動本體程序，既保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，也新增了程序的靈活性。

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的新增其給定值，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)、時期的退役動力鋰離子電池，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)用解決方法

動力鋰離子電池在電動汽車上是以電池包總成部件出現(xiàn)的，對退役動力鋰離子電池的梯次利用有多種方法，對電池包進(jìn)行拆解、篩選、重組是常用方法，但篩選不僅工作量大，而且要重新配置BMS，無形中給本來具有價格優(yōu)勢的“梯次電池”新增了大量的成本。

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重要措施之一，其方法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)的梯次利用方法。

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ModbusRTU或IEC103，IEC104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，IEC101，IEC103，IEC104，ModbusRTU，ModbusTCP，DL/T645—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儲能電站運行實踐

2.1充放電能力

動力鋰離子電池安全隱患本質(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氐闹匾騕11]。本電站儲能載體為不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力鋰離子電池，通過控制充放電倍率，降低退役動力鋰離子電池內(nèi)部的熱失控風(fēng)險，提高退役動力鋰離子電池應(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鋰離子電池過充過放，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6.4kW，5.7kW，5kW，10kW和8kW。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)電池的用途；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運行效果

電站從2017年投入運行至今，運行基本穩(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行曲線

表3典型代表日儲能電站削峰填谷運行數(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/T36549—2018《電化學(xué)儲能電站運行指標(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，早期動力鋰離子電池梯次利用價值不大，近幾年來我國動力鋰離子電池技術(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)退役的動力鋰離子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，重要由于現(xiàn)階段制造動力鋰離子電池工藝水平的進(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)成功率重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ModbusTCP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1ms。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5kW為一個遞增量，一般在80ms以內(nèi)，其數(shù)值在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。第1回路30kW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)劣的重要方法[12]。儲能電站運行期間，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25kW放電電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)（部分）見表5。

圖15第1回路30kW恒功率充放電切換波形

表5儲能電站各回路25kW恒功率放電電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)（部分）

3結(jié)論

儲能電站運行效果評價包括充放電能力、能效水平和設(shè)備運行狀態(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)、時期的退役動力鋰離子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。

動力鋰離子電池梯次利用異構(gòu)兼容儲能電站已正式投運，達(dá)到了對退役動力鋰離子電池梯次利用過程中的技術(shù)路線探索的目的，經(jīng)運行情況分析，得到以下結(jié)論：

（1）退役動力鋰離子電池類型各異，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鋰離子電池不兼容問題。

（2）退役動力鋰離子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)合運行模式，可以為市場參與者供應(yīng)調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)[14]。發(fā)展梯次利用動力鋰離子電池儲能產(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]。退役動力鋰離子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)為退役動力鋰離子電池的梯次利用尋找新的應(yīng)用點，將不同類型、結(jié)構(gòu)、時期的退役動力鋰離子電池進(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）