CN105743111A - 梯次利用车用动力电池储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯次利用车用动力电池储能系统，包括梯次利用电池管理系统、双向储能变流器、功率控制系统、智能配电系统及监控调度系统；所述梯次利用电池管理系统通过双向储能变流器接入智能配电系统，所述梯次利用电池管理系统分别与功率控制系统和监控调度系统通讯连接；所述功率控制系统分别与双向储能变流器、监控调度系统通讯连接。该梯次利用车用动力电池储能系统，通过利用动力电池建立梯次利用电池储能系统，主要用于负荷低谷储能、负荷高峰阶段给重要负荷供电，梯次利用电池储能系统内储能变流器在电压源离网模式和电流源并网模式之间进行平稳切换，在切换过程中应保证负载的安全供电以及梯次利用电池储能系统的稳定运行。

Description

梯次利用车用动力电池储能系统
技术领域
本发明涉及电池再利用技术领域，特别是涉及了一种梯次利用车用动力电池储能系统。
背景技术
锂离子电池的成本较高且车用寿命只有3-4年，这给电池采购和运营方带来了极大的负担。锂离子电池直接淘汰造成资源的严重浪费。当电动汽车电池的容量下降到额定容量的80%后就不宜继续使用，如果直接将电池淘汰，将造成资源的严重浪费。
为了最大化发挥和利用车用动力电池的剩余价值，延长动力电池使用寿命，电动汽车淘汰的动力电池具备在储能系统继续使用条件。通过梯级利用方式，不但可以延长电池使用寿命，降低动力电池全寿命周期成本，还可以在电网故障时为重要负荷供电，平抑充电行为的随机性，控制负荷波动，提高电网电能质量。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种梯次利用车用动力电池储能系统，通过利用动力电池建立梯次利用电池储能系统，主要用于负荷低谷储能、负荷高峰阶段给重要负荷供电，梯次利用电池储能系统内储能变流器在电压源离网模式和电流源并网模式之间进行平稳切换，在切换过程中应保证负载的安全供电以及梯次利用电池储能系统的稳定运行。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：一种梯次利用车用动力电池储能系统，包括梯次利用电池管理系统、双向储能变流器、功率控制系统、智能配电系统及监控调度系统；所述梯次利用电池管理系统通过双向储能变流器接入智能配电系统，所述梯次利用电池管理系统分别与功率控制系统和监控调度系统通讯连接；所述功率控制系统分别与双向储能变流器、监控调度系统通讯连接。
在本发明中，所述梯次利用电池管理系统包括主控单元、多个检测单元及梯次利用车用动力电池；所述主控单元分别与多个检测单元连接，用于收集检测单元的数据并分析电池系统的工作状态，根据分析结果进行电池组故障报警、电池组最大允许充放电功率预测、电池组soc估算、充放电管理；所述多个检测单元负责梯次利用车用动力电池中单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制以及风机控制，并将采集的电池数据和检测单元的实时工作状态发送给主控单元或其他监控设备。
在本发明中，所述梯次利用车用动力电池通过以下方法进行筛选：（1）对废旧的动力电池进行外观筛选；（2）余能检测；（3）自放电检测；（4）一致性检测；其中，所述动力电池为动力电池包、动力电池模块或动力电池单体；
步骤（2）具体包括：（2.1）将所述动力电池按预定充电方法进行充电；（2.2）将充电后的动力电池在20℃±5℃以1I5（A）的电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电并记录放电时间，所述I5（A）就指动力电池5h率放电电流值；（2.3）用1I5(A)的电流值和放电时间数据计算放电容量；判断放电容量是否满足预设的余能要求，若是，则进入步骤（3）；
步骤（3）具体包括：（3.1）将动力电池充电；（3.2）将动力电池在环境温度为20℃±5℃下开路贮存至少28天；（3.3）在不充电条件下进行1I5（A）电流放电并记录贮存后的剩余容量，计算月自放电率；（3.4）判断月自放电率是否符合预设的月自放电率要求，若是，则进入步骤（4）。
在本发明中，所述预定充电方法包括：按动力电池对应的专用规程进行充电；或者，在20℃±5℃条件下，所述动力电池以1I5(A)电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I5(A)恒流充电，至电池电压达到充电终止电压时停止充电，充电后静置1h。
在本发明中，当动力电池为磷酸铁锂动力电池，所述预定充电方法包括：按动力电池对应的专用规程进行充电；或者，在20℃±5℃条件下，所述动力电池以1I5(A)电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I5(A)恒流充电，至电池电压达到充电终止电压时转恒压充电，至充电电流降至0.1I5（A）时停止充电，充电后静置1h。
在本发明中，所述余能要求为：20℃士5℃条件下，动力电池包的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的50%；20℃士5℃条件下，动力电池模块的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的60%；20℃士5℃条件下，动力电池单体的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的60%。
在本发明中，所述月自放电率要求包括：废旧锂电池的月自放电率不高于5%，废旧镍氢电池的月自放电率不高于10%。
本发明具有如下有益效果：梯次利用电池储能系统的目标是在监控调度系统的控制下，协调系统各部分的工作，以满足在并网和离网情况下负荷的供电要求，以及电池的定期维护。在并网情况下，一般负荷及重要负荷都通过智能配电系统接入梯次利用电池储能系统，在并网情况下，一方面储能系统可储存电网的能量，满足电网故障情况下重要负荷的供电需求，同时可通过在电网的用电低谷时段存储能量，用电高峰时段释放能量，以利用电网的峰谷电价差，降低用电成本。在离网情况下只保留重要负荷及储能系统协调工作，保证供电的质量，实现供电和用电的功率平衡。
附图说明
图1为本发明梯次利用车用动力电池储能系统的原理框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种梯次利用车用动力电池储能系统，其包括梯次利用电池管理系统、双向储能变流器、功率控制系统、智能配电系统及监控调度系统；所述梯次利用电池管理系统通过双向储能变流器接入智能配电系统，所述梯次利用电池管理系统分别与功率控制系统和监控调度系统通讯连接；所述功率控制系统分别与双向储能变流器、监控调度系统通讯连接。
所述梯次利用电池管理系统采用分布式拓扑结构，由一个主控单元（bcu，batterycontrolunit）、多个检测单元（bmu，batterymeasureunit）及梯级利用动力电池组成，各个单元之间通过高速can总线进行互联，完成数据的实时传输与控制。其中，所述多个检测单元分别负责所述梯级利用动力电池中单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制以及风机控制，并将采集的电池数据和检测单元的实时工作状态通过can总线发送给所述主控单元或其他监控设备。所述主控单元负责电池组工作电流测量、充放电量（ah）累计、总电压检测、绝缘检测、soc估算，其通过can总线收集多个检测单元的数据并在线分析电池系统的工作状态，根据分析结果进行电池组故障报警、电池组最大允许充放电功率预测、电池组soc估算、充放电管理。优选地，所述主控单元提供2路独立的高速can总线，分别与功率控制系统（pcs，powercontrolsystem）、监控系统等通信，以供外部设备更合理的管控电池组的充放电，优化电能的使用调度，提高锂电池组的整体性能；同时，在系统运行过程中，实时监控电池组的详细状态。
其中，主控单元（bcu）作为梯次利用电池管理系统的控制中心，负责系统运行过程的监控、数据处理、控制策略实现和外界通讯控制，配备了汽车级别中央控制处理器及丰富的外设资源。检测单元（bmu）是获取电池状态最直接和最重要的部分，通常检测单元被安装在电池箱内部，靠近电池附近，负责该箱单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制、风机控制等。
所述双向储能变流器实现所述梯级利用电池管理系统与智能配电系统之间的链接。所述双向储能变流器能实现交流母线与电池组之间的双向可控的能量交换，满足电池的充放电要求。所述双向储能变流器采用单级结构，额定功率为25kw，中间直流电压为650v，输出端与380v三相交流母线链接；采用电流源/电压源切换模式工作，在并网状态下控制电池充放电功率，起到双向可控负载的作用，实现系统能量的均衡控制；在离网模式下，可保证重要负荷的供电，实现梯次利用电池储能系统供电和用电的平衡。
所述功率控制系统（pcs）与梯级利用电池管理系统、双向储能变流器、监控调度系统连接，采集双向储能变流器的状态信息，并反馈到监控系统。在电网薄弱地区，pcs可实现无功补偿功能，提高本地供电电能质量。
所述智能配电系统给电网、负荷、双向储能变流器等提供接入的端口，并将负荷按照重要性分为一级负荷和二级负荷。当电网有电时将电网接入，给所有负荷供电；当电网无电时，断开与电网的连接并切除一般负荷，通过微网的孤岛运行给重要负荷供电。所述智能配电系统包括1个变流器端口、1个电网端口、1个一般负荷端口、2个重要负荷端口（即一级、二级负荷端口），每个端口都配置断路器。在电网端口设置电压、电流、功率和频率的测量环节，负荷端口设置电流和功率测量环节。
所述监控调度管理系统是本储能系统的控制中枢，实时采集储能电池、储能变流器、智能配电装置等的运行参数和状态信息，将这些信息显示出来，同时利用这些信息实现梯次利用电池储能系统的协调控制和故障保护，监控调度系统通过网络与系统其它各部分保持实时通讯。
梯次利用电池储能系统的目标是在监控调度系统的控制下，协调系统各部分的工作，以满足在并网和离网情况下负荷的供电要求，以及电池的定期维护。在并网情况下，一般负荷及重要负荷都通过智能配电系统接入梯次利用电池储能系统，在并网情况下，一方面储能系统可储存电网的能量，满足电网故障情况下重要负荷的供电需求，同时可通过在电网的用电低谷时段存储能量，用电高峰时段释放能量，以利用电网的峰谷电价差，降低用电成本。在离网情况下只保留重要负荷及储能系统协调工作，保证供电的质量，实现供电和用电的功率平衡。
进一步地，所述梯级利用车用动力电池通过以下方法进行筛选：
（1）对废旧的动力电池进行外观筛选
在良好的光线条件下，通过目测法检查动力电池的外观，动力电池单体不得有泄漏、破损、腐蚀、变形，表面应平整无外伤、无污物等，且标志清晰、正确；动力电池包或模组外壳完好，外观不得有变形、裂纹及漏液，表面应平整、干燥、无外伤，且排列整齐，连接完好。
（2）余能检测
（2.1）将所述动力电池按预定充电方法进行充电；所述预定充电方法包括：按动力电池对应的厂家所提供的专用规程进行充电；或者，在20℃±5℃条件下，所述动力电池以1I5(A)电流放电，所述I5（A）就指动力电池5h率放电电流值，至电池电压达到企业技术条件中规定的放电终止电压时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I5(A)恒流充电，至电池电压达到企业技术条件中规定的充电终止电压时停止充电，充电后静置1h；
（2.2）将充电后的动力电池在20℃±5℃以1I5（A）的电流放电，至电池电压达到企业技术条件中规定的放电终止电压时停止放电并记录放电时间；
（2.3）用1I5(A)的电流值和放电时间数据计算放电容量（以Ah计）；判断放电容量是否满足预设的余能要求，余能要求：20℃±5℃条件下，动力电池包的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的50%；20℃±5℃条件下，动力电池模块的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的60%；20℃±5℃条件下，动力电池单体的1I5（A）电流值的放电容量应不低于标称容量的60%；若是，则进入步骤（3）。
（3）自放电检测
（3.1）将动力电池充电；
（3.2）将动力电池在环境温度为20℃±5℃下开路贮存28天，具体贮存的天数可以根据动力电池的使用规范予以确定，一般地，至少需要贮存28天；
（3.3）在不充电条件下进行1I5（A）电流放电并记录贮存后的剩余容量（以Ah计），计算月自放电率，月自放电率可表达为实际容量的百分数；
（3.4）判断月自放电率是否符合预设的月自放电率要求，所述月自放电率要求包括：废旧锂电池的月自放电率应不高于5%，废旧镍氢电池的月自放电率应不高于10%；若是，则进入步骤（4）；若否，即自放电率高的电池直接淘汰。
（4）一致性检测
动力电池包或动力电池模块内的动力电池单体间的1I５（A）电流值的放电容量不大于10%；动力电池单体的直流内阻值，不能超过原标称值的1.5倍，重组电池组后维持电池间的一致性。
该筛选方法所采用的都是无损检测方法和手段，既能保证筛选出的电池可以满足梯级利用的要求，又避免了对电池的破坏；对废旧动力电池进行快速有效地筛选，与储能电网配合使用，最终对报废的电池进行回收梯级利用，保证筛选出的动力电池在梯级利用过程中的安全性和可靠性，实现动力电池的最大化利用率，降低储能电池使用成本，节约清洁能源，造福人类；降低设备成本，且方法、步骤简单，降低人工成本。
本发明梯次利用车用动力电池储能系统利用电动汽车淘汰的动力电池来进行储能，并且系统中还包括了对动力电池进行筛选的装置和流程，实现了动力电池梯次利用和储能的一体化。
全球各国都在积极开展动力电池梯次利用方面的实验研究和工程应用，其中日本、美国和德国等国家走的比较早，并且已经有一些成功应用的工程和商业项目。我国从近几年才慢慢开始开展相关的理论研究和示范工程，步伐相对慢一些，成规模的商业化运作还未真正开始。
本发明梯次利用车用动力电池储能系统，基于微网能量控制系统管理，可保证对用户供电的可靠性和电能质量；通过利用动力电池建立梯次利用电池储能系统，主要用于负荷低谷储能、负荷高峰阶段给重要负荷供电，梯次利用电池储能系统内储能变流器在电压源离网模式和电流源并网模式之间进行平稳切换，在切换过程中应保证负载的安全供电以及梯次利用电池储能系统的稳定运行。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，包括梯次利用电池管理系统、双向储能变流器、功率控制系统、智能配电系统及监控调度系统；所述梯次利用电池管理系统通过双向储能变流器接入智能配电系统，所述梯次利用电池管理系统分别与功率控制系统和监控调度系统通讯连接；所述功率控制系统分别与双向储能变流器、监控调度系统通讯连接。
2.根据权利要求1所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，所述梯次利用电池管理系统包括主控单元、多个检测单元及梯次利用车用动力电池；所述主控单元分别与多个检测单元连接，用于收集检测单元的数据并分析电池系统的工作状态，根据分析结果进行电池组故障报警、电池组最大允许充放电功率预测、电池组soc估算、充放电管理；所述多个检测单元负责梯次利用车用动力电池中单体电池电压检测、电池温度检测、均衡控制以及风机控制，并将采集的电池数据和检测单元的实时工作状态发送给主控单元或其他监控设备。
3.根据权利要求1所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，所述梯次利用车用动力电池通过以下方法进行筛选：（1）对废旧的动力电池进行外观筛选；（2）余能检测；（3）自放电检测；（4）一致性检测；其中，所述动力电池为动力电池包、动力电池模块或动力电池单体；
步骤（2）具体包括：（2.1）将所述动力电池按预定充电方法进行充电；（2.2）将充电后的动力电池在20℃±5℃以1I5（A）的电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电并记录放电时间，所述I5（A）就指动力电池5h率放电电流值；（2.3）用1I5(A)的电流值和放电时间数据计算放电容量；判断放电容量是否满足预设的余能要求，若是，则进入步骤（3）；
步骤（3）具体包括：（3.1）将动力电池充电；（3.2）将动力电池在环境温度为20℃±5℃下开路贮存至少28天；（3.3）在不充电条件下进行1I5(A)电流放电并记录贮存后的剩余容量，计算月自放电率；（3.4）判断月自放电率是否符合预设的月自放电率要求，若是，则进入步骤（4）。
4.根据权利要求3所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，所述预定充电方法包括：按动力电池对应的专用规程进行充电；或者，在20℃±5℃条件下，所述动力电池以1I5(A)电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I5(A)恒流充电，至电池电压达到充电终止电压时停止充电，充电后静置1h。
5.根据权利要求3所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，当动力电池为磷酸铁锂动力电池，所述预定充电方法包括：按动力电池对应的专用规程进行充电；或者，在20℃±5℃条件下，所述动力电池以1I5(A)电流放电，至电池电压达到放电终止电压时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1I5(A)恒流充电，至电池电压达到充电终止电压时转恒压充电，至充电电流降至0.1I5(A)时停止充电，充电后静置1h。
6.根据权利要求3所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，所述余能要求为：20℃士5℃条件下，动力电池包的1I5(A)电流值的放电容量应不低于标称容量的50%；20℃士5℃条件下，动力电池模块的1I5(A)电流值的放电容量应不低于标称容量的60%；20℃士5℃条件下，动力电池单体的1I5(A)电流值的放电容量应不低于标称容量的60%。
7.根据权利要求3所述的梯次利用车用动力电池储能系统，其特征在于，所述月自放电率要求包括：废旧锂电池的月自放电率不高于5%，废旧镍氢电池的月自放电率不高于10%。
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