CN112531912A - 一种基于退役电池的模块化储能装置及其梯次利用异构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于退役电池的模块化储能装置及其梯次利用异构方法，对退役动力蓄电池梯次利用过程中依据运行效果分析，为电动汽车退役动力蓄电池合理化利用提供数据支持，制定应对未来大量的动力电池退役潮的策略；考虑到不同退役电池的性能不均衡，为了更好地利用退役电池，通过桥接器实现了电池包与整个储能系统无缝衔接之目的，也充分利用了原BMS资源，既减少了原有资源的浪费、又无需拆解电池包，既省时、省力、省钱、又减少工业固废物的排放，符合国家对工业固体废弃物无害化、减量化、资源化与综合利用的政策导向要求，完全利用电池原有的BMS，以达到不需拆解电池，即可达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的。
Description
技术领域
本发明涉及梯次利用电池异构技术，具体涉及一种基于退役电池的模块化储能装置及其梯次利用异构方法。
背景技术
随着新能源汽车市场的不断发展壮大，新能源汽车进入爆发式增长期，配套动力蓄电池需求量及产能逐年攀升，退役电池的梯次利用及报废处理问题也开始受到行业关注。新能源汽车的快速发展，与之搭配的动力锂电池一般使用寿命大概是20年，但是在使用3-5年后，性能就会衰减，一旦电池容量衰减到初始容量80％以下时，电动汽车的续航里程就会明显减少。所以用于新能源汽车的动力电池一般3-5年必须要更换。退役下来的动力电池的经过安全和性能筛选分类后一般作为储能电池使用。
中国已连续4年位居全球新能源汽车产销第一大国，庞大的产销规模，也意味着未来退役动力电池数量也将同样惊人。新能源汽车市场生产企业与动力电池回收企业的数量及规模悬殊较大，动力电池回收利用的行业发展速度及产业链完善程度并未赶上新能源汽车产业的发展速度。与传统燃油车不同，新能源汽车的报废与淘汰必然涉及动力电池的回收处理。值得警惕的是，动力电池报废回收环节若处理不当，不仅会对生态环境造成不良影响，还会引发触电、燃爆、腐蚀等安全隐患。锂离子动力蓄电池含有锂、镍、钴、锰等金属材料，若回收处理不当，会造成重金属污染，并通过生物链进入人体。
当然也应看到，动力电池中的钴、镍及碳酸锂等物质，能为拆解回收带来经济效益。不过，目前动力电池回收尚未形成完善的产业链。由于市面上大部分退役下来的动力锂电池规格各不相同，电池型号繁杂、品种多样，针对单一型号电池的回收难以形成规模，增加了回收成本。此外，残值评估缺乏一致性、尚未建立起共生共赢的产业链生态圈等问题，也影响着动力电池回收产业的发展。何有效的处理不同规格、容量电池的异构兼容问题，是目前退役电池利用亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中低压配电网保护用防雷设备，以解决现有技术存在的问题，本发明具有方便安装的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于退役电池的模块化储能装置及其梯次利用异构方法，采用模块化结构和梯次利用异构方法，提高役电池的利用率，解决多种规格电池利用问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于退役电池的模块化储能装置，包括电动汽车退役动力蓄电池、储能变流器、电池管理系统和能源管理系统；
所述电动汽车退役动力蓄电池选用多种不同来源、不同批次的退役电池；
所述储能变流器作为能量传递和功率控制元件，采用模块化设计，每个回路的储能变流器能够独立调节；
所述电池管理系统具备电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断，同时支持数据上传，电池管理系统还包括多功能表，电池管理系统用于对系统每一个支路交流测电能单独进行计量，其数据与该支路的直流侧电能计量值进行比较，得出储能变流器的电能转换效率；
本装置的数据通讯网络拓扑结构包括设备层、控制层和监控层；所述设备层用于对储能变流器、电池管理系统、多功能仪表、桥接器的数据监测与控制；
所述控制层中包括异构兼容控制器，异构兼容控制器负责将所有电池回路的电池控制策略嵌入微处理器，所述异构兼容控制器操作系统采用支持实时多任务、多线程的嵌入式Linux操作系统；
所述监控层的核心是SCADA系统和SQL SERVER数据库，用于现场设备各种状态数据的采集和控制指令的发送、系统实时报警处理和事故追忆、数据统计分析。
所述桥接器是一个以微处理器为核心的智能通讯管理器，一端通过CAN接口连接电池包、另一端连接能源管理系统，桥接器中嵌入不同的通讯协议，针对不同类型的电池包任意组态，形成梯次利用的专用桥接管理器，利用电池原有的电池管理系统，达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的；
本装置以储能变流器作为双向能量传递和功率控制的中枢，以智能化的能源管理系统作为系统管理和控制的枢纽，实现梯次电池储能装置的接入电网与运行。
进一步，所述电池管理系统监测的电池参数包括总电压、总电流、单体电池电压检测、温度监测和绝缘检测；对电池状态估计包括SOC和SOH。
进一步，所述异构兼容控制器以ARM9的处理器AT91SAM9260为核心，配置有大容量的存储器。
进一步，所述异构兼容控制器配置有6个通讯接口，每个通讯口采用高速串行通讯，额外设置有用于与第三方监控系统交互的一个网口，一个CAN口，一个USB，一个IRIG。
进一步，所述异构兼容控制器兼容MODBUS RTU、MODBUS TCP和CAN工业标准通讯协议。
退役电池梯次利用异构方法，包括以下步骤：
1)筛选：
应用对电池包进行检测和筛选，剔除有安全隐患的电芯；
2)监视：
过温报警：对每节单串电池进行温度和电压采样，随时检测温度和电压变化情况，在监控层SCADA系统画面中设置有报警画面，温度超高时弹出超温的回路，并给出具体电池包电芯；
烟感报警：每台电池柜配备烟感报警器，当发生烟雾时不仅在就地发出声光报警，而且在监控层SCADA系统画面中弹出故障画面，并将该画面共享于网络，使有权限的人员均通过电脑、手机观看到现场情况；
3)控制：在充电过程中控制充放电倍率，最大不超过0.25C，即先从0.1C开始充放电，观察电池的温度变化，监测电池温度的变化控制温度在40℃以内；
4)保护：在电气控制上配有过流保护、短路保护措施，预防因电气环节引发的安全事故。
进一步，步骤1)检测参数包括外观检测：有无变形，漏液；电压检测：空载电压不能低于标称电压的80％；温度：电池管理系统读取的温度不能与环温偏差3℃；电芯容量：电芯电压均方根值误差小于0.015。
进一步，步骤3)控制阶段在无人值守时设置充放电倍率为0.1C。
进一步，所述的电动汽车退役动力蓄电池采用电池包整包，利用原电池包的电池管理系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
通过动力蓄电池梯次利用异构兼容储能设计和应用，对退役动力蓄电池梯次利用过程中依据运行效果分析，为电动汽车退役动力蓄电池合理化利用提供数据支持，制定应对未来大量的动力电池退役潮的策略；考虑到不同退役电池的性能不均衡，为了更好地利用退役电池，通过桥接器实现了电池包与整个储能系统无缝衔接之目的，也充分利用了原BMS资源，既减少了原有资源的浪费、又无需拆解电池包，既省时、省力、省钱、又减少工业固废物的排放，符合国家对工业固体废弃物无害化、减量化、资源化与综合利用的政策导向要求。
本装置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，对电池组没有性能一致的要求，也没有品牌一致的要求，分散式交流母线集中控制方式可监测充放电电流、电压、功率，也可实时调整控制参数(电压、电流或功率)，做到分支路管理，多支路配置。仅仅需要要对单组电池进行筛选，只要在组内保持性能一致，而无须使整个系统都保持一致，在这个意义下整个储能系统更不一定是同品牌电池，甚至可以是不同结构，不同种类的电池，实现了异构电池系统的兼容控制，针对不同类型的电池包，形成梯次利用，完全利用电池原有的BMS，以达到不需拆解电池，即可达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的。
附图说明
图1为异构兼容储能电站网络架构图；
图2为异构兼容控制器硬件配置图；
图3为异构兼容储能电站控制流程图；
图4为18650模组串并联图；
图5为18650电池箱串并联图；
图6为6650模组串并联图；
图7为26650模组串并联图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明的基于退役电池的模块化储能装置包括电动汽车退役动力蓄电池、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能源管理系统(EMS)等组成，为了体现储能电站异构兼容的特征，电站选用4种电动汽车上不同来源、不同批次退役电池进行储能，以储能变流器作为双向能量传递和功率控制的中枢，以智能化的能源管理系统作为系统管理和控制的枢纽，实现梯次电池储能装置的接入电网与运行。
如图1所示，为了实现异构兼容储能电站控制需要电站中各设备间进行有效的配合与数据通信，电站数据通讯网络拓扑结构分三层，分别为设备层、控制层和监控层。
系统中设备层主要是对储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、多功能仪表、桥接器等数据监测与控制。
储能变流器(PCS)作为能量传递和功率控制元件，电站针对PCS采用模块化设计，每个回路的PCS都可独立调节。电池管理系统(BMS)具备电池参数监测(包括总电压、总电流、单体电池电压检测、温度监测、绝缘检测等)、电池状态估计(包括SOC、SOH等)、在线故障诊断等，同时支持数据上传。多功能表用途是对系统每一个支路交流测电能单独进行计量，其数据与该支路的直流侧电能计量值进行比较，得出PCS的电能转换效率。
控制层中的异构兼容控制器是电站的指挥官，异构兼容控制器负责将这5个回路电池控制策略嵌入微处理器。控制器的硬件以ARM9的处理器AT91SAM9260为核心，配置大容量的存储器，扩展了6个通讯接口，每个通讯口采用高速串行通讯，通讯速率为11520bps，额外设置了4个附加口(一个网口，一个CAN口，一个USB，一个IRIG)用于与第三方监控系统交互，进行数据管理和软件升级，硬件配置图如图2所示。
异构兼容控制器操作系统采用支持实时多任务、多线程的嵌入式Linux操作系统，数据处理执行快速准确、效率高，同时具备完善的网络功能，兼容MODBUS RTU、MODBUS TCP、CAN等工业标准通讯协议。
监控层的核心是SCADA系统和SQL SERVER数据库，主要实现电站现场设备各种状态数据的采集和控制指令的发送、系统实时报警处理和事故追忆、数据统计分析。
该系统用到了5种不同结构的电池，为将这5种不同的电池能协调控制，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，这样对各串之间不仅没有性能一致的要求，更没有品牌一致的要求，控制器采集相关信号，由控制器综合运算，得到储能系统的功率均值，再向各串发布功率调节指令，使整个储能系统在外特性上来看就是一个整体均衡的储能系统。
电池包整包利用的关键技术是利用原电池包的BMS，直接使用原BMS的关键又是解析原电池包BMS的通讯协议。
因原电池包用于汽车上，所采用的是适用于汽车的CAN总线和汽车专用协议，储能行业与汽车行业所采用的通讯总线不同，电力系统一般采用MODBUS-RTU或IEC-103/104协议，若要不拆解电池包直接用于储能系统，就必须解决通讯不兼容的问题。桥接器是一个以微处理器为核心的“智能通讯管理器”，一头CAN接口接电池包、另一头接储能控制器，桥接器中嵌入不同的通讯协议，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，以达到不需拆解电池，即可达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的。
通过桥接器实现了电池包与整个储能系统无缝衔接之目的，也充分利用了原BMS资源，既减少了原有资源的浪费、又无需拆解电池包，既省时、省力、省钱、又减少工业固废物的排放，符合国家对工业固体废弃物无害化、减量化、资源化与综合利用的政策导向要求。
选用4种不同来源、不同批次、不同结构的退役电动汽车动力蓄电池作为电站的储能载体，共分为5个回路。
5个回路的电池选择如下：
1)18650电池组：选用2011年出厂，2016年退役的拆解汽车站电池包中的模组，电池类型为三元锂，拆解至电芯后重组成电池箱。
电芯：标称电压为3.6V，单体容量为2200mAh(7.92Wh)。
模组：由75个电芯，经25并3串组成模组，端电压为10.8V，模组配BMS，模组串并联图如图4所示。
电池箱：一个电池箱内装12个模组，共900节电芯(7.1kWh)，对模组再串并联后端电压为43.2V；电池箱串并联图如图5所示。
电池回路：该电池组由9个电池箱(共8100只电芯)串接构成18650储能支路，标称容量为64kWh(165Ah)，出口电压为389V。
2)26650电池组：选用2011年出厂，2016年退役的拆解汽车站电池包中的模组，电池类型为磷酸铁锂(26650)，该回路与第一个回路一样，也是对原电池包拆解至电芯后重组成电池箱。
电芯：单芯标称电压为3.2V，单体容量为2700mAh(8.6Wh)。
电池模组：由90个电芯，经15并6串组成模组，端电压为19.2V，模组配BMS，模组串并联图如图6所示。
电池箱：一个电池箱内装6个模组，共540节电芯(5.2kWh)，对模组再串并联后端电压为35.2V。电池箱串并联图如图7所示。
电池回路：该电池组为11个电池箱(共5940只电芯)串接构成，单个电池组出口电压为422V，标称容量为135Ah，出口电压为422V。
3)铅酸电池：该回路电池来自汽车上退役的铅酸蓄电池，出厂日期为2013年至2015年，单芯标称电压为12V，单体容量为60Ah，该电池组为36个单体电池串接构成，电池组出口电压为432V，标称容量为60Ah。
4)Q22电池包：选用奇瑞商用电动汽车Q22退役动力电池包，出厂日期为2016年，电池类型为磷酸铁锂(26650)，单芯标称电压为3.2V，单体容量为3000mAh，电池组出口电压为320V，标称容量为126Ah(40kWh)。该回收电池包未拆解直接使用。
5)EQ1电池包：选用奇瑞乘用电动小轿车EQ1退役动力电池包，出厂日期为2016年，电池类型为三元锂(LAE895)，单芯标称电压为3.65V，1P6S组成模组，16个电池模组再串联组成电池包，电池包出口电压为350V，标称容量为92Ah(32kWh)。该电池包未拆解直接使用。
系统设计思想是基于单组电池控制的，而不是基于母线，单组电池回路充放电电流可独立调节，可多支路配置，系统扩容灵活。虽本发明只有5个回路，但“异构兼容控制器”的控制可多达445(6×32+253)回路，每个回路的功率以PCS的功率为限，可方便的推广至更大规模的储能系统。
异构兼容储能电站的控制策略为功率均衡控制，基本内容为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，这样对各组电池不仅没有性能一致的要求，也没有品牌一致的要求，分散式交流母线集中控制方式可监测充放电电流、电压、功率，也可实时调整控制参数(电压、电流或功率)，做到分支路管理，多支路配置。
控制策略具体如下：
能源管理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，再根据各组与平均值Ev的差值(△Ei)，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。
针对不同的品牌、不同结构的电池可预先设置其控制“子程序”(以动态库形式)，根据储能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”。
这样仅需要对单组电池进行筛选，只要在组内保持性能一致，而无须使整个系统都保持一致，在这个意义下整个储能系统更不一定是同品牌电池，甚至可以是不同结构，不同种类的电池，实现了异构电池系统的兼容控制，具体流程如图3所示。
1)筛选：在应用前无论是对电芯还是电池包都必须进行检测和筛选，剔除有安全隐患的电芯，主要检测参数有：
外观检测：有无变形，漏液；
电压检测：空载电压不能低于标称电压的80％；
温度：BMS读取的温度不能与环温偏差3℃；
电芯容量：电芯电压均方根值误差小于0.015。
2)监视：过温报警：每节单串电池配有温度采样点和电压采样点，随时检测温度和电压变化情况，在SCADA画面中设置有报警画面，温度超高时可弹出超温的回路，并具体到电芯。
烟感报警：每台电池柜内配有烟感报警器，当发生烟雾时不仅在就地发出声光报警，而且在画面中弹出故障画面(摄像画面)，并将该画面共享于网络，使有权限的人员均可通过电脑、手机观看到现场情况。
3)控制：在充电过程中控制充放电倍率，最大不超过0.25C，这个数据只是一个经验值，即先从0.1C开始充放电，观察电池的温度变化(监测电池温度的变化控制温度在40℃以内)，若温度变化不大，再增加一点，在试验中曾最大做过0.5C的充放电试验，但为了保险起见，将最大的充放电倍率控制在0.25C以内(曾在0.5C短时间进行过测试)。
特别是在无人值守时自动设置充放电倍率为0.1C。
4)保护：在电气控制上配有过流保护、短路保护等措施，预防因电气环节引发的安全事故。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于退役电池的模块化储能装置，其特征在于：包括电动汽车退役动力蓄电池、储能变流器、电池管理系统和能源管理系统；
所述电动汽车退役动力蓄电池选用多种不同来源、不同批次的退役电池；
所述储能变流器作为能量传递和功率控制元件，采用模块化设计，每个回路的储能变流器能够独立调节；
所述电池管理系统具备电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断，同时支持数据上传，电池管理系统还包括多功能表，电池管理系统用于对系统每一个支路交流测电能单独进行计量，其数据与该支路的直流侧电能计量值进行比较，得出储能变流器的电能转换效率；
本装置的数据通讯网络拓扑结构包括设备层、控制层和监控层；所述设备层用于对储能变流器、电池管理系统、多功能仪表、桥接器的数据监测与控制；
所述控制层中包括异构兼容控制器，异构兼容控制器负责将所有电池回路的电池控制策略嵌入微处理器，所述异构兼容控制器操作系统采用支持实时多任务、多线程的嵌入式Linux操作系统；
所述监控层的核心是SCADA系统和SQL SERVER数据库，用于现场设备各种状态数据的采集和控制指令的发送、系统实时报警处理和事故追忆、数据统计分析；
所述桥接器是一个以微处理器为核心的智能通讯管理器，一端通过CAN接口连接电池包、另一端连接能源管理系统，桥接器中嵌入不同的通讯协议，针对不同类型的电池包任意组态，形成梯次利用的专用桥接管理器，利用电池原有的电池管理系统，达到不拆解电池包而直接梯次利用的目的；
本装置以储能变流器作为双向能量传递和功率控制的中枢，以智能化的能源管理系统作为系统管理和控制的枢纽，实现梯次电池储能装置的接入电网与运行。
2.根据权利要求1所述的基于退役电池的模块化储能装置，其特征在于：所述电池管理系统监测的电池参数包括总电压、总电流、单体电池电压检测、温度监测和绝缘检测；对电池状态估计包括SOC和SOH。
3.根据权利要求1所述的基于退役电池的模块化储能装置，其特征在于：所述异构兼容控制器以ARM9的处理器AT91SAM9260为核心，配置有大容量的存储器。
4.根据权利要求1所述的基于退役电池的模块化储能装置，其特征在于：所述异构兼容控制器配置有6个通讯接口，每个通讯口采用高速串行通讯，额外设置有用于与第三方监控系统交互的一个网口，一个CAN口，一个USB，一个IRIG。
5.根据权利要求1所述的基于退役电池的模块化储能装置，其特征在于：所述异构兼容控制器兼容MODBUS RTU、MODBUS TCP和CAN工业标准通讯协议。
6.基于权利要求1所述模块化储能装置的退役电池梯次利用异构方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)筛选：
应用对电池包进行检测和筛选，剔除有安全隐患的电芯；
2)监视：
过温报警：对每节单串电池进行温度和电压采样，随时检测温度和电压变化情况，在监控层SCADA系统画面中设置有报警画面，温度超高时弹出超温的回路，并给出具体电池包电芯；
烟感报警：每台电池柜配备烟感报警器，当发生烟雾时不仅在就地发出声光报警，而且在监控层SCADA系统画面中弹出故障画面，并将该画面共享于网络，使有权限的人员均通过电脑、手机观看到现场情况；
3)控制：在充电过程中控制充放电倍率，最大不超过0.25C，即先从0.1C开始充放电，观察电池的温度变化，监测电池温度的变化控制温度在40℃以内；
4)保护：在电气控制上配有过流保护、短路保护措施，预防因电气环节引发的安全事故。
7.根据权利要求6所述的退役电池梯次利用异构方法，其特征在于：步骤1)检测参数包括外观检测：有无变形，漏液；电压检测：空载电压不能低于标称电压的80％；温度：电池管理系统读取的温度不能与环温偏差3℃；电芯容量：电芯电压均方根值误差小于0.015。
8.根据权利要求6所述的退役电池梯次利用异构方法，其特征在于：步骤3)控制阶段在无人值守时设置充放电倍率为0.1C。
9.根据权利要求6所述的退役电池梯次利用异构方法，其特征在于：所述的电动汽车退役动力蓄电池采用电池包整包，利用原电池包的电池管理系统。
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