鉅大LARGE | 點擊量：965次 | 2021年05月19日
退役動力鋰離子電池在光儲微電網的集成與應用
摘要：為實現(xiàn)退役動力鋰離子電池在光儲微電網系統(tǒng)中的集成與應用，從整包利用的角度出發(fā)，檢查80V-60A·h電池包的外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊情況對其進行初選，通過充放電測試對電池包完成二次篩選，并依據(jù)容量大小對電池進行分組，結合多通道儲能變流器將電池成組，應用于光儲微網系統(tǒng)中。結果顯示：80個電池包有8個存在外觀、開路電壓和BMS通訊問題，22個存在容量和CD-OCV曲線異常。剩余50個電池包容量最大值為49.46A·h，容量最小值為45.58A·h，極差值為3.88A·h，占額定容量的6.5%，一致性較好；在0.1、0.2、0.3、0.5C等不同倍率下對電池進行充放電，成組后的電池CD-OCV曲線離散度較?。话?.05C倍率充電、0.1C倍率放電進行削峰填谷，充電量為111kW·h，放電量為103kW·h，轉化效率92.79%。表明篩選和成組后的電池充放電性能正常，具備梯次利用價值。
關鍵詞退役動力鋰離子電池；整包利用；光儲微電網
電力儲能系統(tǒng)集成與應用，E-mail:x6771@163.com；通信作者：嚴加斌，工程師，智能微電網與分布式電力儲能研究，E-mail：niufen_2013@163.com。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，全國新能源汽車保有量達381萬輛，占汽車總量的1.46%。其中，純電動汽車保有量310萬輛，占新能源汽車總量的81.19%。一般來說，車載動力鋰離子電池容量低于80%就不再適合用于電動汽車。隨著產業(yè)規(guī)模還在不斷擴大，我國將迎來車載動力鋰離子電池的大規(guī)?！巴艘邸薄８鶕?jù)相關行業(yè)的專家預測，預計在2020年累計將超過24.6GW·h，而到2022年動力鋰離子電池回收量將接近45GW·h。
此類動力鋰離子電池除了化學活性下降外，電池內部的化學成分沒有發(fā)生改變。當動力鋰離子電池容量衰退至初始容量75%左右時，直流內阻只有小幅新增，電池常溫下的儲存性能、倍率性能、高低溫性能下降不顯著，電池單體和模塊的循環(huán)性能良好，顯示退役LiFePO4電池具有較好的梯次利用價值。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前，有關退役電池的梯次利用的研究，重要為退役電池的篩選評價和電池組一致性管理兩個方面。在退役電池的篩選評價上，文獻提出將電池容量、平衡電動勢與放電直流內阻等特點參數(shù)作為退役電池梯次利用的分選指標。文獻在測得上述各項電池參數(shù)的基礎上，將遺傳算法和K均值算法結合，對電池進行篩選分類。文獻則從電化學角度出發(fā)，分析庫侖效率和電池容量衰減之間的內在關系，提出基于庫侖效率對退役動力鋰離子電池儲能梯次利用進行篩選的方法。
在電池組一致性管理研究方面，朱運征等采用獨用母線的主動均衡設計，提出了基于電源總線平衡的多因素綜合評價分析的均衡策略。趙光金等提出了一種智能分時的主動被動協(xié)同均衡技術，實現(xiàn)了對梯次電池的高效和快速均衡。黃從勝等設計了一種新型均衡電路，解決了現(xiàn)有大型電池組均衡電路均衡用時長、效率低的問題。
本文從退役動力鋰離子電池整包利用的角度出發(fā)，分析了退役動力鋰離子電池梯次利用的全過程。以80V-60A·h磷酸鐵鋰離子電池包為例，從電池包外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面對電池包進行初選，再對電池包進行充放電獲得電池包的容量和CD-OCV(dischargecapacityandopencircuitvoltage)曲線，根據(jù)容量值和電壓曲線對包進行二次篩選。將篩選后的電池包按照容量大小進行排序，并根據(jù)排序結果對電池包進行分組。利用多通道儲能變流器將分組好的電池包進行串聯(lián)成組得到儲能系統(tǒng)，并聯(lián)合分布式光伏系統(tǒng)組建光儲微網電站，實現(xiàn)退役電池的梯次利用。通過在不同倍率下對電池進行充放，依據(jù)CD-OCV曲線的離散情況，驗證了篩選和成組方法的可行性。
1電池篩選
本項目選用從換電站退役的80V-60A·h磷酸鐵鋰離子電池包，這批電池于2011年十月出廠，2018年底陸續(xù)退役。其電芯采用中航鋰電3.2V-60A·h方形鋁殼磷酸鐵鋰離子電池，由24個電芯串聯(lián)的方式得到電池包。電池包內部結構圖如圖1所示。
圖180V-60A·h磷酸鐵鋰離子電池包
電池包重要技術參數(shù)如表1所示。
表1退役動力鋰離子電池規(guī)格參數(shù)
從電池包的外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面對電池包進行初選，對外觀有缺陷、銘牌信息缺失、開路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%范圍、BMS無法正常通訊的電池包予以剔除。經檢測，在80個電池包當中存在3個電池包外觀有破損，4個電池包開路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個電池包BMS無法通訊的情況，沒有通過初選，剩下72個電池包進入到二次篩選環(huán)節(jié)。電池包初選不合格情況如圖2所示。
圖2電池包初選結果
對剩下的電池包進行一次充放電。考慮到電池為退役電池，設置充電電流為0.3C，放電電流為1C，充電截止電壓87.6V(單體3.65V)，放電截止電壓70V(單體2.9V)。放電結束后，得到電池包的容量和CD-OCV曲線，判定電池放電容量在額定容量的75%以上，CD-OCV曲線未出現(xiàn)“跳水”現(xiàn)象的電池包合格，可以進入梯次利用環(huán)節(jié)。經測試后，72個電池包有22個電池包存在容量不合格及CD-OCV曲線異常的情況，剩下50個電池包符合要求。電池包二次篩選不合格情況如圖3所示。
圖3容量不符合及CD-OCV曲線“跳水”的電池包
2電池分組與成組
2.1電池分組
退役動力鋰離子電池包容量極差小于額定容量的10%，認為這部分電池包具有較好的一致性。二次篩選后的50個電池包容量最大值為49.46A·h，容量最小值為45.58A·h，極差值為3.88A·h，占額定容量的6.5%，表征該50個電池包具有較好的一致性。將電池包按照容量大小進行排序，根據(jù)電池容量的分布情況，選擇容量最接近的36個電池包進行成組，剩余14個電池包留著備用。電池包的編號和容量分布如圖4所示。
圖4電池包容量和編號分布圖
2.2電池成組
選用多通道儲能變流器作為光儲電站中的交直流轉換設備，其具有DC/DC+DC/AC兩級式拓撲結構，在電池端無并聯(lián)，可以防止電池組間環(huán)流的出現(xiàn)，適用于對退役電池進行成組。將配組完的80V-60A·h電池包4個組成一串，形成320V/19.2kW·h儲能單元，接入到30kW儲能變流器的一個直流通道，單個通道功率10kW。整個儲能系統(tǒng)共9個直流通道，儲能容量90kW/172.8kW·h。系統(tǒng)結構如圖5所示。
圖590kW/172.8kW·h儲能系統(tǒng)
3光儲系統(tǒng)集成
將90kW/172.8kW·h儲能系統(tǒng)同50kWp分布式光伏系統(tǒng)在交流側并聯(lián)，并通過快速并離網切換開關接入到廠區(qū)0.4kV交流母線上，構成光儲微網系統(tǒng)。其中，分布式光伏系統(tǒng)采用單晶硅組件，串聯(lián)后經過直流匯流箱接入到組串式光伏逆變器中，與儲能系統(tǒng)在交流側耦合。儲能變流器的交流輸出端同時關聯(lián)部分重要負載，在市電異常時，由光儲系統(tǒng)保障重要負載的供電。光儲系統(tǒng)拓撲圖如圖6所示。
圖6光儲微電網系統(tǒng)拓撲圖
系統(tǒng)集成能量管理系統(tǒng)，用于制定光儲系統(tǒng)在并網和離網兩種工況下的運行控制策略。并網時，儲能變流器和光伏逆變器均以有功無功解耦(P/Q)方式運行，由EMS根據(jù)電價時段控制儲能充放電，實現(xiàn)削峰填谷。同時，在儲能放電期間，檢測公共連接點(PCC)的反向功率。當出現(xiàn)反向功率時，由EMS給儲能系統(tǒng)發(fā)降功率命令，防止儲能放出的電進入電網，實現(xiàn)逆功率保護。
離網時，由儲能、光伏、負載組建微網方式運行。此時，儲能變流器以恒壓恒頻(V/F)方式運行，建立幅值和頻率穩(wěn)定的電壓，光伏逆變器以P/Q方式運行，以電流源的方式注入微網系統(tǒng)。EMS根據(jù)負載的大小，來協(xié)調光伏和儲能的出力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運行。
4試運行結果
4.1多倍率下電池組充放電
在不同倍率下對電池組進行多個循環(huán)周期的恒功率充放電，利用電池管理系統(tǒng)記錄每組中各個電池包的放電容量及電壓值，得到電池的CD-OCV曲線，根據(jù)曲線的離散情況對電池成組配組情況進行驗證。
圖7不同放電倍率下，同組電池的CD-OCV曲線
Fig.7CD-OCVcurveofsamegroupbatteriesunderdifferentdischargingrate
可見，依據(jù)電池包有效容量和電芯一致性排序后，在0.1、0.2、0.3C放電倍率下，電池包的CD-OCV曲線基本吻合；在0.5C倍率下，曲線有一定偏差，但總體趨勢相近，符合工程應用的要求，可以依據(jù)排序結果對電池進行配組。
4.2削峰填谷
將篩選并成組后的退役動力鋰離子電池應用于光儲微電網系統(tǒng)中，設置電池放電倍率為0.1C，充電倍率為0.05C，并依據(jù)當?shù)胤骞入妰r時段進行充放電，實現(xiàn)削峰填谷，運行結果如圖8所示。
圖8光儲微電網削峰填谷運行
從圖中可見電池成組后，在0.1C倍率條件下電池組電壓從放電開始時刻(18：00)的320.69V下降至316.16V，這是由于電池由原來的開路狀態(tài)變?yōu)閹ж撦d狀態(tài)引起的跌落。之后電池組電壓隨著放電的持續(xù)平緩地下降，直至到達放電截止時間(21：30)，此時對應電池組電壓為306.22V，總放電量103kW·h。停止放電后，電池組電壓由306.22V回升至308.82V，充電后(22：00—次日3：00)電池組電壓逐漸恢復到額定電壓，總充電量111kW·h，轉化效率92.79%。
5結論
通過對退役電池包的篩選、分組、成組以及在光儲微電網系統(tǒng)中的集成與應用，完成了退役動力鋰離子電池梯次利用全過程的分析研究，得出了以下結論。
（1）對80個退役動力鋰離子電池包從外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面進行初選，其中3個電池包外觀有破損，4個電池包電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個電池包BMS無法通訊；剩下72個電池包中有22只存在容量不符合額定容量的75%以上或CD-OCV曲線“跳水”的情況，只有50個電池包符合梯次利用價值。
（2）二次篩選后的50個電池包容量最大值為49.46A·h，容量最小值為45.58A·h，極差值為3.88A·h，占額定容量的6.5%，小于10%的判定標準，表征該50個電池包具有較好的一致性；DC/DC+DC/AC雙級結構的多通道儲能變流器，直流側無并聯(lián)，可以阻止電池組組間環(huán)流出現(xiàn)，適用于退役動力鋰離子電池進行成組。
（3）利用成組后的90kW/172.8kW·h儲能系統(tǒng)同分布式光伏系統(tǒng)在交流側耦合，組建光儲微網系統(tǒng)，實現(xiàn)了在并網和離網兩種工況下的退役電池梯次利用。試運行結果顯示：在0.1、0.2、0.3和0.5C等不同倍率下，成組后的電池CD-OCV曲線呈現(xiàn)較好的一致性；成組后的電池在0.1C倍率下放電，0.05C倍率充電，進行削峰填谷運行，總充電量111kW·h，總放電量103kW·h，轉化效率92.79%。表明按照本文所述方法篩選并成組的退役動力鋰離子電池具備梯次利用價值，可以在工程上進行應用。
引用本文：徐余豐,嚴加斌,何建明等.退役動力鋰離子電池在光儲微電網的集成與應用[J].儲能科學與技術,2021,10(01):349-354.(XUYufeng,YANJiabin,HEJianming,etal.IntegrationandapplicationofretriedLIBsinphotovoltaicandenergystoragemicrogrid[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2021,10(01):349-354.)
第一作者：徐余豐（1972—），男，碩士研究生，高級工程師，分布式
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