CN110808598A - 一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统 - Google Patents

一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，对电动汽车上退役的主流三元材料动力电池展开具备实际操作性的，可混搭不同SOH与容量的退役电池的储能系统解决方案研究并建立示范研究平台，实现优化技术经济性的应用与运营场景；研究优化功率变换颗粒度的整体架构及其新型功率变换设备与系统调控技术，实现多种SOH与容量的退役电池模组的混搭；研究退役电池在不同充放电策略与温度下的衰减特性与优化残值回收策略；实现退役电池在储能阶段的数据采集、监控与管理。发明的研究成果将有效促进经济实用的电池储能技术全面应用，促进新能源的应用和普及。

Description

一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，具体涉及一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统。
背景技术
目前应用的储能方案均以锂电池为主，相比其他储能形式，其具有能量密度高循环寿命长、效率高等优势。但是其价格居高不下，也成为了制约储能在电网中规模化应用的重要因素之一。锂电池在储能系统的整体成本中占有较大的比重，不仅初期投资成本过高，而且随着锂电池的消耗，后期也会产生大量的运维成本。近年来，电动汽车逐渐普及，同时也产生了大量的退役动力电池。电动汽车对车载动力电池的容量、比能量等性能参数有较高要求，当电池性能难以满足车用标准时必须进行更换。这些退役的动力电池通常还保有初始容量70％～80％的剩余容量，适于在储能这种对能量密度要求不高的领域发挥余热，因此动力电池梯次利用的概念应运而生。
动力电池的梯次利用在理论上可以解决高昂的电池成本这个限制储能系统推广应用的瓶颈。但是，目前的梯次利用技术缺乏可操作性，其中的核心问题是现有储能系统采用大型串并联电池组来适配大功率AC/DC变流器，因此无法实现不同容量与健康状况的退役电池组的自由混搭使用，而被迫采用新电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，以解决可混搭不同SOH与容量的退役电池的功率变换架构和退役三元电池的储能技术经济性模型的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，包括功率变化构架系统，所述功率变化构架系统包括交流配电网、配电网变压器、配电网断路器、本地负荷、控制调度中心和架构储能系统，所述交流配电网给所述本地负荷供电，所述架构储能系统根据主动配电网中所述控制调度中心的指令输出或吸收有功功率和无功功率，实现无功补偿或者削峰填谷的功能；当所述交流配电网发生故障时，所述配电网断路器断开，所述架构储能系统可以运行在应急电源模式，为所述本地负荷紧急供电；所述架构储能系统包括断路器、变压器、储能变流器(PCS)、DC/DC变换器和储能电池组，其中多个所述DC/DC变换器采用共直流母线的结构，每个所述DC/DC变换器下面接一组特性基本一致的所述储能电池组。
进一步的，所述架构储能系统通过所述断路器与所述本地负荷相连，所述储能变流器(PCS)通过所述隔离变压器与所述断路器相连，所述所述储能变流器(PCS)采用三相三桥臂两电平或三电平拓扑结构，其中所述储能变流器(PCS)的交流滤波器部分采用LCL型滤波器。
进一步的，所述储能变流器(PCS)直流侧母线接有若干所述DC/DC变换器，所述DC/DC变换器采用双向功率半桥结构，直流滤波器采用LC滤波器。
进一步的，所述交流配电网通过静态开关为所述本地负荷供电，当所述交流配电网发生故障后，静态开关可以快速断开，从而让架构储能系统进行应急供电。
进一步的，所述储能系统还包括特性规律测试系统，所述特性规律测试系统包括对于充放电深度，浅充浅放对于所述储能电池组全生命周期的总的能量吞吐量有提升；对于充放电倍率，对于同样的放电深度，充放电倍率对于所述储能电池组容量的衰减的影响；开展对于温度这个参变量对于退役所述储能电池组的总的能量吞吐量的影响；通过后台的在线运行数据来监测容量变化的方法，依据前述规律的检测结果，根据当前容量和温度参变量实现循环深度和充放电倍率的动态调整的充放电策略。
本发明的有益效果是：
本发明一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，围绕三元材料电池这个未来的电动汽车退役动力电池的主流形态，解决梯次利用此类退役电池进行储能的实际技术瓶颈问题。首先，通过优化功率变换颗粒度的整体架构及其新型功率变换设备与系统调控技术，实现多种SOH与容量的退役电池模组的混搭。同时通过退役电池在不同充放电策略与温度下的衰减特性与优化残值回收策略，结合退役电池在储能阶段的全生命周期的数据采集、监控与管理，实现优化技术经济性的应用与运营场景，并建立小规模示范梯次利用储能站点平台。通过本发明的，有效促进经济实用的电力储能技术的快速应用与推广。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明退役电池梯次利用结构示意图；
图2是本发明功率变化构架系统拓扑图；
图3是本发明功率变化构架系统硬件图；
图4是本发明储能电池组充放电功能控制算法框图；
图5是本发明无功补偿、削峰填谷功能控制算法框图；
图6是本发明应急电源功能控制算法框图；
图7是退役动力电池的特性规律测试结构示意图；
图8是电池充放电深度充放电倍率对于电池组容量的衰减(循环寿命)的影响示意图；
图9是电池充放电倍率对于电池组容量的衰减(循环寿命)的影响示意图；
图10是退役电池充放电循环测试曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，对梯次利用退役动力锂电池的储能系统研究采用的主要步骤如下：
(1)通过对电化学储能系统解决方案尤其是基于动力电池梯次利用的项目与文献进行全面的调研，系统分析其功能和性能存在的差异及各自的优缺点，并进行对比总结作为接下来研究的依据，进而制定具体的研究方案。
(2)针对小颗粒度的退役电池模组多种SOH与容量混搭的需求，研究和评估可以独立调控多个退役电池模组的系统功率变换架构。
(3)实现退役电池在储能阶段的全生命周期的数据采集、监控与管理，研究退役电池在不同充放电策略与温度下的衰减特性与优化残值回收策略，开发相应电池管理系统实施策略，保障储能系统的优化运行。
(4)研制出可与小颗粒度储能电池模组高效匹配的功率变换设备，并对样机进行功能和性能的优化，达到储能系统预期的性能要求。
(5)在预先选择试点台区当中建立电化学储能电站，进行现场安装、调试，并投入运行，根据运行数据和状况，进行运行效果和效益分析，作为示范研究平台，验证电动汽车退役电池梯次利用的技术可行性及经济可行性，为未来成规模的商业化运作提供指导，推动储能技术的普及。
如图2所示，针对梯次利用退役动力锂电池的储能系统的拓扑，包括功率变化构架系统，功率变化构架系统包括交流配电网、配电网变压器、配电网断路器、本地负荷、控制调度中心和架构储能系统，交流配电网给本地负荷供电，架构储能系统根据主动配电网中控制调度中心的指令输出或吸收有功功率和无功功率，实现无功补偿或者削峰填谷的功能；当交流配电网发生故障时，配电网断路器断开，架构储能系统可以运行在应急电源模式，为本地负荷紧急供电；架构储能系统包括断路器、变压器、储能变流器(PCS)、DC/DC变换器和储能电池组，其中多个DC/DC变换器采用共直流母线的结构，每个DC/DC变换器下面接一组特性基本一致的储能电池组。
如图3所示，针对梯次利用退役动力锂电池的储能系统的硬件电路，架构储能系统通过断路器与本地负荷相连，储能变流器(PCS)通过d/Yn11型号隔离变压器与断路器相连，储能变流器(PCS)采用三相三桥臂两电平或三电平拓扑结构，其中储能变流器(PCS)的交流滤波器部分采用LCL型滤波器。储能变流器(PCS)直流侧母线接有若干DC/DC变换器，DC/DC变换器采用双向功率半桥结构，直流滤波器采用LC滤波器。交流配电网通过静态开关为本地负荷供电，当交流配电网发生故障后，静态开关可以快速断开，从而让架构储能系统进行应急供电。
如图4所示，在上述硬件电路的基础上，针对储能系统所实现的不同功能，需要不同的控制算法。首先来说明储能电池充放电功能的控制算法框图，由于上述方案采用的功率变换构架为两级变化，所以涉及到PCS和DC/DC变换器的分别控制。为了实现储能电池的充电和放电功能，PCS需要用来稳住直流母线电压，采用输出电流内环和直流侧电压外环的双环控制方法，PCS相当于运行在整流器模式。当PCS控制住直流侧电压后，DC/DC变换器可以通过直流电流输出电流反馈控制实现储能电池的充电和放电功能。
如图5所示，储能系统的另外一种工作模式为无功补偿或者移峰填谷功能，此两种功能的控制框图类似，无功补偿功能需要输出或吸收无功功率，移峰填谷功能需要输出或吸收有功功率。此时PCS工作于功率控制模式，本质上是工作在逆变器模式，向配电网输出或吸收相应的电流。此种情况下的直流母线电压由DC/DC变换器控制。每个DC/DC变换器需要控制输出的直流电压一致，但是此时存在的问题是：由于多个DC/DC变换器同时参与直流母线的稳压控制，如果放任多个DC/DC变换器独自进行输出电压的控制，可能会造成DC/DC变换器之间的单流环流，从而导致各个DC/DC变换器的出力不一致，不利于最大功率的输出，所以此处涉及到多个DC/DC变换器输出电流的均流控制。为了实现多个DC/DC变换器的协同控制，此处采用集中均流控制的方法：首先集中控制器采集直流母线电压，通过反馈控制得到总的输出电流命令，然后将总的输出电流命令分别乘以相应的系数传送到各个DC/DC变换器，例如在图6中K1+K2+…+Kn＝1，但是K1～Kn不一定完全一致。
如图6所示，应急电源功能，在此种功能的情况下，储能系统的控制算法涉及到两个方面，第一个方面是稳态控制特性：当储能系统运行在应急电源状态时，DC/DC变换器用于控制直流母线的电压，由于采用多个DC/DC变换器，此处也需采用如上所示的均流控制，此时PCS运行在VF模式，控制目标是输出电压为稳定的工频电压；第二个方面是暂态控制特性：当储能系统运行在电池充电、无功补偿和削峰填谷功能时，储能系统需要能够快速切换到应急电源工作模式，在储能系统工作于电池充电功能时，由于直流母线电压由PCS进行控制，所以此时PCS和DC/DC变换器的控制算法均需进行切换，所以此时切换速度较为复杂；而当储能系统工作于无功补偿或者削峰填谷功能时，直流母线电压由DC/DC变换器控制，当切换到应急电源功能时，DC/DC变换器的控制算法无需切换，只需切换PCS的控制算法，所以此种情况下可以实现应急电源的无缝切换。
如图7所示，储能系统还包括特性规律测试系统，特性规律测试系统包括对于充放电深度，浅充浅放对于储能电池组全生命周期的总的能量吞吐量有提升；对于充放电倍率，对于同样的放电深度，充放电倍率对于储能电池组容量的衰减的影响；开展对于温度这个参变量对于退役储能电池组的总的能量吞吐量的影响；通过后台的在线运行数据来监测容量变化的方法，依据前述规律的检测结果，根据当前容量和温度参变量实现循环深度和充放电倍率的动态调整的充放电策略。
目前动力电池业界测试数据的盲区是当电池容量低于80％时。业界直观定性地认为此阶段的电池容量衰减速度将加快，但是并没有任何测试数据和理论模型来支撑这一推断；尤其对于这一段电池生命周期内的充放电深度、充电倍率和温度对于电池寿命或总能量吞吐量的影响的规律，基本没有任何测试数据与研究。同时，目前有限的几个电池梯次利用储能的项目中，都是采用的昂贵的新电池，亦没有生成电池全寿命周期的实际数据。此外，对于从容量的80％开始，到40％还是60％来作为储能梯次利用的下限的问题也尚没有定论。本项目在储能相关的上述空白领域，针对实际的动力电池模组进行整体充放电测试，开展对于影响退役动力电池的总能量吞吐量的三大参变量(充放电深度、倍率与温度)的规律的研究；基于前述规律，并同时建立动态容量监测方法，以研究实现充放电倍率与深度的动态调节(能量控制)策略，达到提升梯次利用储能电池组总的能量吞吐量和提高梯次利用电池经济性的目的。
首先，对于充放电深度，浅充浅放对于电池组全生命周期的总的能量吞吐量有提升，如下图8所示，充放电深度越小，总的充放电吞吐量就越大。因此，这对于实现动力电池的尽限使用，提升其储能梯次利用的经济性尤其重要。但是，通用汽车的测试结果只做到了电池衰减到70％的容量；而实际上对于动力电池退役为储能应用的80％到40％的容量范围，目前业界尚无测试结果与研究。另一方面，此类测试都是基于单体电池，而不是在多个电池单体组成的模块或多个模块组成的整车动力电池模组里，因此其实际运行时由于外加预紧力和温度分布与实际的动力电池的运行环境相差较大，测试结果必然会表现出不同的规律，无法正确应用于对于电池充放电倍率与深度的动态控制。本项目通过实际的动力电池模组进行整体充放电的大规模的参变量矩阵化组合的测试，获取到在在低于80％的电池容量衰减状态下，和在不同的荷电状态的起点下的充放电深度对于总的能量吞吐量的影响；
第二，对于充放电倍率，如下图9所示，对于同样的放电深度，充放电倍率对于电池组容量的衰减(循环寿命)有极大影响。同样地，此类测试起点都是从100％的新电池容量开始，终点为电池容量衰减到80％。本项目将对于储能相关的应用，没有在电池容量衰减低于80％后的测试数据与规律模型，填补这个空白。
第三点是要开展对于温度这个参变量对于退役电池组的总的能量吞吐量的影响，首先将获取低于80％残余容量下的测试数据与规律。另外，从下图10所示的包含多个循环的测试曲线可以看出此类测试耗时耗能较多，而包括温度在内的多个参变量对于总的能量吞吐量的影响相互耦合，需要海量的测试及相关的电池模组、充放电设备与人力。本项目将根据测试数据结果，判断参变量的相关程度，尝试建立简化的测试方案，减少测试数量，争取将完整测试时间从年为单位减低到以月为单位。
基于上述的规律研究，尤其是在空白领域的容量的规律研究，和考虑温度等多个参变量的规律研究，接下来是要实现提升梯次利用储能电池总能量吞吐量的策略，而实现策略就需要知道当前实时容量。但是，业界目前的容量的测试方法是基于国标GB/T18287_2013的静态方法。在实际储能应用中，没有办法来在线执行这种容量测试方法以获取当前容量。本项目将发明通过后台的在线运行数据来监测容量变化的方法，依据前述规律的研究结果，根据当前容量和温度等参变量实现循环深度和充放电倍率的动态调整的充放电(能量控制)策略。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，其特征在于，包括功率变化构架系统，所述功率变化构架系统包括交流配电网、配电网变压器、配电网断路器、本地负荷、控制调度中心和架构储能系统，所述交流配电网给所述本地负荷供电，所述架构储能系统根据主动配电网中所述控制调度中心的指令输出或吸收有功功率和无功功率，实现无功补偿或者削峰填谷的功能；当所述交流配电网发生故障时，所述配电网断路器断开，所述架构储能系统可以运行在应急电源模式，为所述本地负荷紧急供电；所述架构储能系统包括断路器、变压器、储能变流器(PCS)、DC/DC变换器和储能电池组，其中多个所述DC/DC变换器采用共直流母线的结构，每个所述DC/DC变换器下面接一组特性基本一致的所述储能电池组。
2.根据权利要求1所述的一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，其特征在于，所述架构储能系统通过所述断路器与所述本地负荷相连，所述储能变流器(PCS)通过所述隔离变压器与所述断路器相连，所述所述储能变流器(PCS)采用三相三桥臂两电平或三电平拓扑结构，其中所述储能变流器(PCS)的交流滤波器部分采用LCL型滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，其特征在于，所述储能变流器(PCS)直流侧母线接有若干所述DC/DC变换器，所述DC/DC变换器采用双向功率半桥结构，直流滤波器采用LC滤波器。
4.根据权利要求3所述的一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，其特征在于，所述交流配电网通过静态开关为所述本地负荷供电，当所述交流配电网发生故障后，静态开关可以快速断开，从而让架构储能系统进行应急供电。
5.根据权利要求1所述的一种梯次利用退役动力锂电池的储能系统，其特征在于，所述储能系统还包括特性规律测试系统，所述特性规律测试系统包括对于充放电深度，浅充浅放对于所述储能电池组全生命周期的总的能量吞吐量有提升；对于充放电倍率，对于同样的放电深度，充放电倍率对于所述储能电池组容量的衰减的影响；开展对于温度这个参变量对于退役所述储能电池组的总的能量吞吐量的影响；通过后台的在线运行数据来监测容量变化的方法，依据前述规律的检测结果，根据当前容量和温度参变量实现循环深度和充放电倍率的动态调整的充放电策略。
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