储能系统

储能技术丨动力电池梯次利用的异构储能电站设计与实践

2020-07-02 10:29:28 晓说浙电论文

随着石油资源的紧张和电池技术的发展,电动汽车在世界范围内逐渐被推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势[1]。作为电动汽车核心部件之一的动力电池,也迎来了前所未有的高速发展期,但受当前电池技术的制约,当电池容量衰减至额定容量的80%以下时,动力电池因容量不足不能保障电动汽车的动力和续航能力要求,已不适合继续应用在电动汽车上,就要从电动汽车上退役[2],即从汽车上的退役下来的电池,至少还有80%的容量,并不是“报废”。根据专家预计,到2020 年动力电池回收量接近25 GWh,整体市场规模将突破百亿元[3]。因此,动力电池的梯次利用市场将迎来爆发式增长,动力电池梯次利用技术已成为国内外研究热点。

本文来源:微信公众号 晓说浙电论文 ID:zjdlbjb

作者:林 武,史新民,蒋丽丽,朱佳伟

(安徽瑞赛克再生资源技术股份有限公司,安徽 芜湖 241000)

储能系统正是目前业内公认的动力电池梯次利用的重要出路[4]。美国SNL(Sandia 国家实验室)的研究发现动力电池的二次利用并没有不可逾越的技术障碍,决定其实际应用效果的关键要素是电池模组的标准化、重组电池模块的人力成本、电池容量保持率状态预测精度因素[5]。在中国,国家电网有限公司从2012 年开始启动大容量梯次利用电池储能技术研究[6]。

对于动力性能要求不高的电力储能场合来说,既可增加电池全寿命周期价值以降低电动汽车成本,又可以减少电池原材料矿产开发和废弃物总量。电力系统对储能有着巨大的需求,但受电池成本的制约,电力储能应用迟迟没有进入商业化运行。但是,即将到来的大量动力电池退役,给降低电力储能的运行成本带来了希望。

一套储能电站的容量少则千瓦时级,多则兆瓦时级,需要由成千上万节电芯串/并联组成,对电池的一致性有着较高的要求,而退役动力电池回收来源和使用状态各异,难以保证电池参数都接近。“即使经过千挑万选,仍无法避免在储能系统运行过程中发生离散”[7]。电池一致性成为电力储能应用的制约因素,而过多的筛选势必增大应用成本。如果有一种方法做到不筛选或少筛选,将会极大提高梯次利用的商业化价值。本文介绍的就是基于这种想法的一个实际工程项目,其目的就是验证一种“异构兼容”的方法,即通过控制手段来解决电池的不一致性问题,以实现对退役动力电池的最低成本应用,为大规模退役动力电池的应用做好技术储备。

1 储能电站的设计

1.1 系统构成

储能电站由退役动力电池、储能PCS(变流器)、BMS(电池管理系统)、EMS(能源管理系统)等组成,为了体现储能电站的异构兼容特征,电站选用5 种不同类型、结构、时期的退役动力电池进行储能(为突出“异构”特色,系统还选用一路退役的铅酸蓄电池)。

为实现储能电站的控制,需要电站中各设备间进行有效的配合与数据通信,电站数据通信网络拓扑结构分3 层,分别为现场应用层、数据控制层和数据调度层,系统中现场应用层主要是对PCS 和BMS 等数据监测与控制,系统网络拓扑结构如图1 所示。PCS 是直流电池和交流电网连接的中间环节[8],是系统能量传递和功率控制的中枢,PCS 采用模块化设计,每个回路的PCS 都可独立调节。系统并网时,PCS 以电流源形式注入电网,自钳位跟踪电网相位角度;系统离网时,以独立电压源方式运行,输出恒定电压和频率供负载使用,各回路主电路拓扑结构如图2 所示。BMS 具备电池参数监测(如总电流、单体电压检测等)、电池状态估计和保护等;数据控制层嵌入了系统针对不同类型、结构、时期的动力电池控制策略,实现系统充放电功率均衡。数据监控层即EMS,主要实现储能电站现场设备中各种状态数据的采集和控制指令的发送、数据分析和事故追忆。

1.2 电池配置

1.2.1 电池配置表

本项目将5 种不同类型、结构、时期的退役动力电池分为5 个回路,每回路电池配置见表1。

图1 系统网络拓扑

图2 各回路PCS 主电路拓扑结构

表1 各回路电池配置

1.2.2 电池选型

电站5 个回路的电池选择如下:

(1)第1 回路:选择2015 年退役电动汽车的电池包,将其拆解至电芯,筛选重组成模组,电芯类型是18650,标称电压为3.6 V,标称容量为2.2 Ah;模组结构25P3S,电池箱内装12个模组,电池组由9 个电池箱(共8 100 只电芯)串接构成,模组及电池箱电气连接如图3 和4 所示。

图3 第1 回路模组电气连接

(2)第2 回路:选择2015 年退役电动汽车的电池包,拆解至电芯,筛选重组成模组,电芯类型是26650,标称电压为3.2 V,标称容量为2.7 Ah;模组结构15P6S,电池箱内装6 个模组,电池组由11 个电池箱(共5 940 只电芯)串接构成,模组及电池箱电气连接如图5 和6 所示。

(3)第3 回路:选择汽车退役的铅酸蓄电池,标称电压为12 V,标称容量为60 Ah,该回路由36 个单体电池串接构成,标称容量为60 Ah,出口电压为432 V。

(4)第4 回路:选用2015 年某品牌Q22 系列电动汽车退役电池包,电池类型为26650,标称容量为126 Ah,标称电压为320 V。

图4 第1 回路电池箱电气连接

图5 第2 回路模组电气连接

图6 第2 回路电池箱电气连接图

(5)第5 回路:选用2015 年某品牌EQ1 电动汽车退役电池包,电池类型为18650,标称容量为92 Ah,标称电压为350 V。

根据以上配置可知,电站各个回路电池的类型、结构、时期都不相同,其初衷是为了体现本储能电站“异构兼容”的特色。

1.2.3 电池检测

梯次电池用恒流方式进行余能检测,首次充放电电流为0.2C[9],若采用恒功率方式进行余能检测,经数据转换充放电功率约为标称容量的0.25 倍。

电站5 个回路按照0.25 倍标称容量进行恒功率充放电检测余能容量,数据见表2,为了体现不同倍率下充放电的余能,又以标称容量的0.1 和0.2 倍率进行DOD(放电深度)测试。

表2 中表述的充放电效率为交流侧效率,容量保持率为本次测试放电电量与原标称电量的百分比,余能为按照0.25 倍标称容量进行恒功率充放电测出容量值。

依据表2 的数据,对退役动力电池的应用得到了初步结论,5 个回路的容量保持率分别是35.2%,52.8%,14.6%,89.8%和83.4%;各回路容量在电站总容量所占的百比例分别为17.7%,21.9%,2.6%,34.4%和23.4%。

1.3 电池一致性解决方案

一致性问题解决方案是通过数据控制层中的“异构兼容控制器”来实现的,是不同类型电池构成储能电站的指挥官,是实现“异构兼容”的关键。该控制器嵌入了针对不同回路的独立控制策略,通过这些控制策略可以针对完全不同的电池分开控制,但在储能系统的外特性上实现统一调度,以实现对电池控制的“异构兼容”。

该控制器硬件以ARM9 处理器为核心,配置大容量的存储器,扩展了6 个通信接口,每个通信口对应一个电池回路,将5 个回路从物理上分开,在信息上合并,各回路单独运行,整体上协同一致。控制器硬件具体配置如图7 所示。

异构兼容控制器的操作系统采用支持实时多任务、多线程的嵌入式Linux 系统,数据处理执行快速准确,同时具备完善的网络功能,兼容Modbus RTU,Modbus TCP,CAN 等工业标准通信协议。控制策略采用动态库动态调用,添加、删除控制策略可以直接在策略库目录下操作,修改策略也只需修改策略库文件本身,不需要改动本体程序,既保障了系统的稳定可靠性,也增加了程序的灵活性。

表2 储能电站梯次利用余能检测数据

图7 异构兼容控制器硬件配置

本系统控制策略是将原本对均衡性要求很严的直流母线集中式控制方式变更为对均衡性要求较弱的分散式交流母线集中控制方式,由原来的电压均衡控制方式,改为功率均衡控制方式,对各组电池性能和品牌不作一致性的要求,分散式交流母线集中控制方式既可视为一个整体集中控制,又可分回路控制、分回路调节功率。

控制策略具体如下:

系统实时采集当前每组(i)的工作参数E(电流I、电压V、功率P),再进行均衡计算,计算出各组当前的平均值Ev,根据各组与平均值Ev的差值(ΔEi)再返调节各组,大于Ev 的减少其给定值,小于Ev 的增加其给定值,使所有组逐次逼近Ev,从而使整个储能系统充放电均衡,使其发挥最佳性能。

针对不同品牌、不同结构的电池可预先设置其控制“子程序”(以动态库形式),根据电站的不同电池配置,不同性能的电池组调用其相应的“子程序”,使其成为一种智能“选择”。

这样仅对单组电池进行筛选,只要求在组内保持性能一致,无需整个系统保持一致,从而使整个储能载体可以是不同类型、结构、时期的退役动力电池,实现了异构电池系统的兼容控制。具体流程如图8 所示。

1.4 整包应用解决方案

动力电池在电动汽车上是以电池包总成部件出现的,对退役动力电池的梯次利用有多种方法,对电池包进行拆解、筛选、重组是常用方案,但筛选不仅工作量大,而且需要重新配置BMS,无形中给本来具有价格优势的“梯次电池”增加了大量的成本。

图8 异构兼容储能电站控制流程

随着制造技术和信息化技术的提高与普及,工业领域的零件材料成本大幅度下降,而人工成本大幅度上涨,减少对退役电池的筛选则是降低梯次利用成本的主要措施之一,其方案就是对退役电池包的整包应用。

电池包退役时是以总成的形式,具有完整的充放电接口和

BMS,只需测试其好坏,便是一套现成的电池系统,显然电池包的整包利用是最经济的梯次利用方案。

原电池包的BMS 用于汽车上,所采用的是适用于汽车的CAN 总线和汽车专用协议,而电力行业与汽车行业所采用的通信总线不同,电力行业一般采用Modbus RTU 或IEC 103,IEC 104等协议,若要不拆解电池包直接用于电力储能系统,就必须解决通信不兼容的问题[10]。

为此需要专门开发出一款通信桥接器,实现了原电池包BMS 的CAN 协议与电力系统专用协议之间的转换。

桥接器是一个以微处理器为核心的“智能通信管理器”,设置5 个通信口:1 个CAN 接口,2 个RS485 接口,1 个LAN,1 个WIFI;CAN 接电池包,其他4 个可接储能系统不同形式的通信接口。在软件上可对电池包BMS 的信息进行管理,可任意调整参数的数据域,可把不同电池包的不同数据域重新调整为完全相同的数据域,供储能系统不同硬件接口的设备标准化访问。形成一个虚拟的“桥”,这个“桥”一头接电池包,另一头接储能系统,以解决通信硬件、软件不兼容的问题,为整包梯次利用建立数据通信。图1 中第4 或5回路即是电池包桥接器的应用框图。

通信桥接管理器内嵌Linux 实时多任务操作系统和多种通信规约,如:SC-1801,部颁CDT,IEC 101,IEC 103,IEC 104,Modbus RTU,Modbus TCP,DL/T 645—2007 等,采用动态库动态调用。根据不同的PCS 调用不同的通信协议,这些协议可以任意组态,针对不同类型的电池包,形成一种梯次利用的专用“桥接管理器”,完全利用电池原有的BMS,即可达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的,几乎没有拆解与重组成本,更无需额外配置BMS。

2 储能电站运行实践

2.1 充放电能力

动力电池安全隐患本质是电池热失控,而对电池过充、快充、低温充电等导致的析锂是诱发电池热失控的主要原因[11]。本电站储能载体为不同类型、结构、时期的退役动力电池,通过控制充放电倍率,降低退役动力电池内部的热失控风险,提高退役动力电池应用的安全性。结合表2及配合电站功率均衡的控制策略,将储能电站各回路充放电功率分别设置为各回路标称容量0.1倍、0.1 倍、0.2 倍、0.25 倍、0.25 倍,目的是防止对退役动力电池过充过放,测试工作环境为室温。图9—13 分别是各回路充放电电流及容量变化曲线。

图9 第1 回路充放电电流及容量曲线

图10 第2 回路充放电电流及容量曲线

图11 第3 回路充放电电流及容量曲线

图12 第4 回路充放电电流及容量曲线

图13 第5 回路充放电电流及容量曲线

电站各回路按照恒功率的控制方式,各回路充放电的功率分别是6.4 kW,5.7 kW,5 kW,10 kW 和8 kW。在充放电过程中,各回路配置BMS 进行保护,为了安全起见,电芯间压差过大或过温等情况下,BMS 将进行保护,因此,各回路电池容量并没有完全充满或放空。各回路充放电设定的功率是恒定的,电压则不断变化,根据公式I=P/U,PCS 不断地调节电流以达到恒功率充放电的目的。依照图9—13 可知,在初始和结束阶段会以一个较小的电流进行充放,起到激活和保护电池的作用;整个充放电过程中,各回路的退役电池不会出现“一充就饱,一放就了”的情况,放电功率不会随电池的容量降低而下降。

2.2 运行效果

电站从2017 年投入运行至今,运行基本稳定,在电网用电谷时段,对储能电站进行充电,电网用电峰时段,储能电站对电网进行放电,图14 为典型代表日储能电站削峰填谷运行曲线,∑P 是5 个回路功率的累加,因电池容量的差异只能在短时间内达到最大功率的输入与输出,表3 所示为典型代表日储能电站削峰填谷运行数据,是图14 的说明。结合图14 和表3 数据,表4为典型代表日的储能电站各回路实际充放电电量及效率。

图14 典型代表日储能电站削峰填谷运行曲线

表3 典型代表日储能电站削峰填谷运行数据

表4 典型代表日储能电站各回路实际充放电电量及效率

GB/T 36549—2018《电化学储能电站运行指标及评价》规定,储能单元充放电能量效率是衡量储能电站能效指标之一,依据表4 数据,磷酸铁锂的数据优于三元锂,铅酸电池效果最差,第1和2 回路充放电效率在55%左右,其电芯生产日期为2010 年,早期动力电池梯次利用价值不大,近几年来我国动力电池技术进步迅速,无论是性能还是能量密度都有了很大提升,也有效延长了电池使用寿命。但目前已经退役的动力电池多为早期投入市场,这批电池使用能量密度低、性能稳定性差,进行梯次利用价值并不大,因此其充放电效率也在合理范围之内;第4 和5 回路充放电效率值比较为理想,主要由于现阶段制造动力电池工艺水平的进步,电池能量密度、性能稳定性都有所提升。

2.3 充放电切换时间

调度响应成功率主要包含电站自动化系统响应时间及设备响应时间,电站自动化系统数据采用Modbus TCP 通信协议传输,通信介质为超6类屏蔽双绞线,通信响应时间小于1 ms。检测方式在每回路直流侧增设电流分配器,对储能变流器进行等功率充放电切换,通过采集电流分配器电压信号判断储能变流器充放电切换时间,充放电功率以5 kW 为一个递增量,一般在80 ms 以内,其数值在国标规定的范围内。第1 回路30 kW 充放电切换波形如图15 所示。

2.4 电能质量

电能质量是评价某个电网或某个供电点电能质量优劣的主要方法[12]。储能电站运行期间,利用电能质量分析仪对储能变流器交流侧充放电时的电能质量进行检测,检测项为电流电压的有效值、电流电压峰值、谐波、不平衡等。经实测,各回路充放电时的电能质量均在国家标准规定范围内,储能电站各回路25 kW 放电电能质量测试数据(部分)见表5。

图15 第1 回路30 kW 恒功率充放电切换波形

表5 储能电站各回路25 kW 恒功率放电电能质量测试数据(部分)

3 结论

储能电站运行效果评价包括充放电能力、能效水平和设备运行状态3 个方面[13],其中,充放电能力评价包括储能电站实际可充放电功率、实际可放电量以及储能单元能量保持率指标。经过对电站各回路的充放电能力、运行效果、切换时间和电能质量的数据分析,得出以不同类型、结构、时期的退役动力电池为储能载体的异构兼容电站符合储能电站的技术要求。

动力电池梯次利用异构兼容储能电站已正式投运,达到了对退役动力电池梯次利用过程中的技术路线探索的目的,经运行情况分析,得到以下结论:

(1)退役动力电池类型各异,回收筛选工作量大,异构兼容能够有效解决类型各异的动力电池不兼容问题。

(2)退役动力电池整包利用是成本最低的一种方式,充分利用了原BMS 资源,又无需拆解电池包,既省时、省力,又减少工业固体废物的排放,符合国家对工业固体废弃物的政策导向要求。

随着电力市场改革的深入推进,储能电站存在着多场景的复合运行模式,可以为市场参与者提供调频、调峰等辅助服务[14]。发展梯次利用动力电池储能产业具有高度的战略意义和强烈的能源与环境诉求,同时也有着广阔的市场前景[15-20]。退役动力电池的梯次利用具备应用潜能,异构兼容、整包利用等理念的设计和实现为退役动力电池的梯次利用寻找新的应用点,将不同类型、结构、时期的退役动力电池进行梯次利用,应用于电力储能,既可实现能源调节,也为社会承担起责任。

参考文献:(略)

DOI:10.19585/j.zjdl.202005007

 

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