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退役動力鋰電池在光儲微電網的集成與應用

作者:徐余豐等 來源:電動學堂 發布時間:2021-01-21 瀏覽:
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文章來源:1浙江輝博電力設備制造有限公司;2寧波中科孚奇能源科技有限公司;3中國科學院寧波材料技術與工程研究所

統計數據顯示,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,車載動力電池容量低于80%就不再適合用于電動汽車。隨著產業規模還在不斷擴大,中國將迎來車載動力電池的大規?!巴艘邸?。根據相關行業的專家預測,預計在2020年累計將超過24.6GW·h,而到2022年動力電池回收量將接近45GW·h。

當動力電池容量衰退至初始容量75%左右時,直流內阻只有小幅增加,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性能良好,顯示退役LiFePO電池具有較好的梯次利用價值。

本文從退役動力鋰電池整包利用的角度出發,分析了退役動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成組得到儲能系統,并聯合分布式光伏系統組建光儲微網電站,實現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CD-OCV曲線的離散情況,驗證了篩選和成組方案的可行性。

1、電池篩選

本項目選用從換電站退役的80V-60A·h磷酸鐵鋰電池包,這批電池于2011年10月出廠,2018年底陸續退役。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個電芯串聯的方式得到電池包。電池包內部結構圖如圖1所示。

電池包主要技術參數如表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節。電池包初選不合格情況如圖2所示。

對剩下的電池包進行一次充放電??紤]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“跳水”現象的電池包合格,可以進入梯次利用環節。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。

2、電池分組與成組

2.1電池分組

退役動力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。

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,可以避免電池組間環流的產生,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。整個儲能系統共9個直流通道,儲能容量90kW/172.8kW·h。系統結構如圖5所示。

3、光儲系統集成

將90kW/172.8kW·h儲能系統同50kWp分布式光伏系統在交流側并聯,并通過快速并離網切換開關接入到廠區0.4kV交流母線上,構成光儲微網系統。其中,分布式光伏系統采用單晶硅組件,串聯后經過直流匯流箱接入到組串式光伏逆變器中,與儲能系統在交流側耦合。儲能變流器的交流輸出端同時關聯部分重要負載,在市電異常時,由光儲系統保障重要負載的供電。光儲系統拓撲圖如圖6所示。

系統集成能量管理系統,用于制定光儲系統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根據電價時段控制儲能充放電,實現削峰填谷。同時,在儲能放電期間,檢測公共連接點(PCC)的反向功率。當出現反向功率時,由EMS給儲能系統發降功率命令,防止儲能放出的電進入電網,實現逆功率保護。

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。EMS根據負載的大小,來協調光伏和儲能的出力,維持系統穩定、持續運行。

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周期的恒功率充放電,利用電池管理系統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,根據曲線的離散情況對電池成組配組情況進行驗證。

可見,依據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電池應用于光儲微電網系統中,設置電池放電倍率為0.1C,充電倍率為0.05C,并依據當地峰谷電價時段進行充放電,實現削峰填谷,運行結果如圖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變為帶負載狀態引起的跌落。之后電池組電壓隨著放電的持續平緩地下降,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中的集成與應用,完成了退役動力鋰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49.46 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,可以阻止電池組組間環流產生,適用于退役動力鋰電池進行成組。

(3)利用成組后的90 kW/172.8 kW·h 儲能系統同分布式光伏系統在交流側耦合,組建光儲微網系統,實現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0.5 C等不同倍率下,成組后的電池CD-OCV曲線呈現較好的一致性;成組后的電池在0.1 C 倍率下放電,0.05 C 倍率充電,進行削峰填谷運行,總充電量111 kW·h,總放電量103 kW·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電池具備梯次利用價值,可以在工程上進行應用。

關鍵字:微電網,儲能

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