文章來源：1浙江輝博電力設(shè)備制造有限公司；2寧波中科孚奇能源科技有限公司；3中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，全國新能源汽車保有量達(dá)381萬輛，占汽車總量的1.46%。其中，純電動(dòng)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(dòng)力電池容量低于80%就不再適合用于電動(dòng)汽車。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模還在不斷擴(kuò)大，中國將迎來車載動(dòng)力電池的大規(guī)?！巴艘邸?。根據(jù)相關(guān)行業(yè)的專家預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)在2020年累計(jì)將超過24.6GW·h，而到2022年動(dòng)力電池回收量將接近45GW·h。
當(dāng)動(dòng)力電池容量衰退至初始容量75%左右時(shí)，直流內(nèi)阻只有小幅增加，電池常溫下的儲(chǔ)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LiFePO電池具有較好的梯次利用價(jià)值。
本文從退役動(dòng)力鋰電池整包利用的角度出發(fā)，分析了退役動(dòng)力鋰電池梯次利用的全過程。以80V-60A·h磷酸鐵鋰電池包為例，從電池包外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面對(duì)電池包進(jìn)行初選，再對(duì)電池包進(jìn)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(duì)包進(jìn)行二次篩選。
將篩選后的電池包按照容量大小進(jìn)行排序，并根據(jù)排序結(jié)果對(duì)電池包進(jìn)行分組。利用多通道儲(chǔ)能變流器將分組好的電池包進(jìn)行串聯(lián)成組得到儲(chǔ)能系統(tǒng)，并聯(lián)合分布式光伏系統(tǒng)組建光儲(chǔ)微網(wǎng)電站，實(shí)現(xiàn)退役電池的梯次利用。通過在不同倍率下對(duì)電池進(jìn)行充放，依據(jù)CD-OCV曲線的離散情況，驗(yàn)證了篩選和成組方案的可行性。
1、電池篩選
本項(xiàng)目選用從換電站退役的80V-60A·h磷酸鐵鋰電池包，這批電池于2011年10月出廠，2018年底陸續(xù)退役。其電芯采用中航鋰電3.2V-60A·h方形鋁殼磷酸鐵鋰電池，由24個(gè)電芯串聯(lián)的方式得到電池包。電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
電池包主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
從電池包的外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面對(duì)電池包進(jìn)行初選，對(duì)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(jīng)檢測(cè)，在80個(gè)電池包當(dāng)中存在3個(gè)電池包外觀有破損，4個(gè)電池包開路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個(gè)電池包BMS無法通訊的情況，沒有通過初選，剩下72個(gè)電池包進(jìn)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。
對(duì)剩下的電池包進(jìn)行一次充放電。考慮到電池為退役電池，設(shè)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(jié)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(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)。經(jīng)測(cè)試后，72個(gè)電池包有22個(gè)電池包存在容量不合格及CD-OCV曲線異常的情況，剩下50個(gè)電池包符合要求。電池包二次篩選不合格情況如圖3所示。
2、電池分組與成組
2.1電池分組
退役動(dòng)力電池包容量極差小于額定容量的10%，認(rèn)為這部分電池包具有較好的一致性。二次篩選后的50個(gè)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(gè)電池包具有較好的一致性。將電池包按照容量大小進(jìn)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(gè)電池包進(jìn)行成組，剩余14個(gè)電池包留著備用。電池包的編號(hào)和容量分布如圖4所示。
2.2電池成組
選用多通道儲(chǔ)能變流器作為光儲(chǔ)電站中的交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備，其具有DC/DC+DC/AC兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電池端無并聯(lián)，可以避免電池組間環(huán)流的產(chǎn)生，適用于對(duì)退役電池進(jìn)行成組。將配組完的80V-60A·h電池包4個(gè)組成一串，形成320V/19.2kW·h儲(chǔ)能單元，接入到30kW儲(chǔ)能變流器的一個(gè)直流通道，單個(gè)通道功率10kW。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)共9個(gè)直流通道，儲(chǔ)能容量90kW/172.8kW·h。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3、光儲(chǔ)系統(tǒng)集成
將90kW/172.8kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)同50kWp分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)并聯(lián)，并通過快速并離網(wǎng)切換開關(guān)接入到廠區(qū)0.4kV交流母線上，構(gòu)成光儲(chǔ)微網(wǎng)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(jīng)過直流匯流箱接入到組串式光伏逆變器中，與儲(chǔ)能系統(tǒng)在交流側(cè)耦合。儲(chǔ)能變流器的交流輸出端同時(shí)關(guān)聯(lián)部分重要負(fù)載，在市電異常時(shí)，由光儲(chǔ)系統(tǒng)保障重要負(fù)載的供電。光儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示。
系統(tǒng)集成能量管理系統(tǒng)，用于制定光儲(chǔ)系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的運(yùn)行控制策略。并網(wǎng)時(shí)，儲(chǔ)能變流器和光伏逆變器均以有功無功解耦(P/Q)方式運(yùn)行，由EMS根據(jù)電價(jià)時(shí)段控制儲(chǔ)能充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。同時(shí)，在儲(chǔ)能放電期間，檢測(cè)公共連接點(diǎn)(PCC)的反向功率。當(dāng)出現(xiàn)反向功率時(shí)，由EMS給儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)降功率命令，防止儲(chǔ)能放出的電進(jìn)入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)逆功率保護(hù)。
離網(wǎng)時(shí)，由儲(chǔ)能、光伏、負(fù)載組建微網(wǎng)方式運(yùn)行。此時(shí)，儲(chǔ)能變流器以恒壓恒頻(V/F)方式運(yùn)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(yùn)行，以電流源的方式注入微網(wǎng)系統(tǒng)。EMS根據(jù)負(fù)載的大小，來協(xié)調(diào)光伏和儲(chǔ)能的出力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。
4、試運(yùn)行結(jié)果
4.1多倍率下電池組充放電
在不同倍率下對(duì)電池組進(jìn)行多個(gè)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(gè)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(duì)電池成組配組情況進(jìn)行驗(yàn)證。
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(shì)相近，符合工程應(yīng)用的要求，可以依據(jù)排序結(jié)果對(duì)電池進(jìn)行配組。
4.2削峰填谷
將篩選并成組后的退役動(dòng)力鋰電池應(yīng)用于光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)置電池放電倍率為0.1C，充電倍率為0.05C，并依據(jù)當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)時(shí)段進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。
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(shí)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?fù)載狀態(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(dá)放電截止時(shí)間(21：30)，此時(shí)對(duì)應(yīng)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(fù)到額定電壓，總充電量111kW·h，轉(zhuǎn)化效率92.79%。
5、結(jié)論
通過對(duì)退役電池包的篩選、分組、成組以及在光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的集成與應(yīng)用，完成了退役動(dòng)力鋰電池梯次利用全過程的分析研究，得出了以下結(jié)論。
（1）對(duì)80個(gè)退役動(dòng)力鋰電池包從外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面進(jìn)行初選，其中3個(gè)電池包外觀有破損，4個(gè)電池包電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個(gè)電池包BMS無法通訊；剩下72個(gè)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(gè)電池包符合梯次利用價(jià)值。
（2）二次篩選后的50 個(gè)電池包容量最大值為49.46 A·h， 容量最小值為45.58 A·h， 極差值為3.88 A·h，占額定容量的6.5%，小于10% 的判定標(biāo)準(zhǔn)，表征該50 個(gè)電池包具有較好的一致性；DC/DC+DC/AC雙級(jí)結(jié)構(gòu)的多通道儲(chǔ)能變流器，直流側(cè)無并聯(lián)，可以阻止電池組組間環(huán)流產(chǎn)生，適用于退役動(dòng)力鋰電池進(jìn)行成組。
（3）利用成組后的90 kW/172.8 kW·h 儲(chǔ)能系統(tǒng)同分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)耦合，組建光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的退役電池梯次利用。試運(yùn)行結(jié)果顯示：在0.1、0.2、0.3和0.5 C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0.1 C 倍率下放電，0.05 C 倍率充電，進(jìn)行削峰填谷運(yùn)行，總充電量111 kW·h，總放電量103 kW·h，轉(zhuǎn)化效率92.79%。表明按照本文所述方法篩選并成組的退役動(dòng)力鋰電池具備梯次利用價(jià)值，可以在工程上進(jìn)行應(yīng)用。
