CN116995713A - 一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，包括系统设置退役电池包剩余电量并网及交流负载的功率补偿等步骤，系统设置在配电柜旁边设置设备柜和储能包，储能包中设置退役电池包储能电池簇，设备柜设置逆变器和双向变流器，配电柜通过交联母线连接市电和交流负载。本发明将动力汽车的退役电池包转化为交流电，通过储能电池簇纠正补充后并入市电并对就近的交流负载进行直供电，充分利用退役电池包的剩余电量以及可充放电次数，且为电网功率因素提供较大功率补偿作用，从而降低输电及用电功耗；本发明可将不同参数退役电池包并联至同一电路中，从而节省电池分级过程；本发明可在充放电过程中保证交流负载的供电量及功率因素的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电池回收利用技术领域，尤其涉及一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法。
背景技术
由于新能源汽车已经成为未来汽车行业发展的主流方向，电动汽车退役电池包的数量日益增多。退役电动车电池包达到使用寿命时，会返回电池生产企业处理或者回收，一般电池拆解和材料回收。退役的动力锂离子电池还有一定的余量和功率，尚可以进行二次利用，比如储能电站，家庭供电和工厂内部使用等。
但是，退役电池包中各电池实际寿命不一、充放电循环性能不同，仅作为一般储能设备进行二次利用时，其供电性能不稳定，因此需要复杂、工作量庞大且价格不菲的分级流程，而且分级出合格的电池数量往往仅占退役电池数量的10%左右。可以预测，绝大部分退役电池仍然是采用拆解回收方式进行处理的。
因此仅仅一次性利用退役电池包剩余放电量的纯储能方式显然利用率较低，也无法消纳越来越庞大的退役电池数量，亟待新的应用方式来二次利用退役电池包。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，包括以下步骤：
S100、系统设置：
在配电柜旁边设置设备柜和储能包，储能包中设置多组退役电池包和至少一个储能电池簇，设备柜中通过一个总线连接有多个逆变器（DC/AC-n）和至少一个双向变流器（PCS-1），任一退役电池包的两极连接在对应逆变器的直流侧，储能电池簇的两极连接在双向变流器的直流侧，所有逆变器和双向变流器交流侧通过汇流排连接在配电柜中的交联母线；
配电柜的交联母线分别连接有市电（及市售电）和交流负载，交联母线与市电之间设有测量装置，用于记载市电向配电柜输入或输出的电量，交联母线与交流负载（的插座上）也设有测量装置，用于记载配电柜向交流负载输出的电量；
逆变器、双向变流器和测量装置通过能量管理单元（EMS）进行通讯，用于实时检测各设备运行状态；
S200、退役电池包剩余电量并网：
通过逆变器将退役电池包的直流电转换为交流电，该交流电有三个输出端，一是对交流负载进行供电并计量，二是为储能电池簇进行充电，三是直接为市电进行售电且并网；
S300、交流负载的功率补偿：
通过三种输入电对交流负载的交流电进行功率补偿，包括退役电池包、储能电池簇和市电。
功率补偿的原理是：由退役电池包或储能电池簇直接对交流负载进行供电，减轻整体变电站或配电柜供电压力，从而减少变电站或配电柜供应的负载厂区无功功率的负担；而市电一般采用总的功率补偿装置，其整体功率因素可维持为0.9左右，通过引入市电可适当提高该负载厂区的功率因素，从而实现局部电网的无功补偿。
优选地，储能电池簇为容量不低于99%的动力汽车用新电池，与退役电池包同源，从而为退役电池包的管理提供标准。
优选地，能量管理单元包含通讯功能的检测线路，用于检测各退役电池包及储能电池簇的容量以核算电容器补偿值；能量管理单元设置总线电路，总线电路中设有每个逆变器到双向变流器的交流充放电电路，总线电路设有从能量管理单元到交流负载的单向输出电路，总线电路还设有从能量管理单元到市电的单向输出电路，用于输出多余电量。
进一步地，单向输出电路通过晶闸管或桥电路进行单向输出交流电量。
优选地，S200具体包括以下步骤：
S201、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，优先采用退役电池包经过逆变器转化的交流电直接通过能量管理单元的直供电路对交流负载进行供电并计量；
S202、当退役电池包供电量超过交流负载所需用电量时，考察储能电池簇的电量，退役电池包剩余电量大于储能电池簇，则优先通过双向变流器对储能电池簇进行充电；
S203、当退役电池包仍有余量或退役电池包剩余电量小于储能电池簇，则通过能量管理单元的直供电路对市电进行供电并计量。
优选地，S300包括以下步骤：
S301、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，当退役电池包对交流负载供电功率不足时，优先通过储能电池簇对交流负载进行供电和功率补偿；
S302、当交流负载供电仍然不足时，由市电通过交流母线对交流负载进行供电和功率补偿，同时市电也对退役电池包或储能电池簇进行充电，充电时起到电容器并联式的功率补偿效果；
本发明还提出一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法在交流负载的应用，包括以下步骤：
1）首先考察区域内各交流负载所需电量以及负载使用所需的功率补偿值，选择适当数量的退役电池包交流转化后对交流负载进行直接供电，并采用储能电池簇对其进行充放电补充；
2）优先采用剩余电量为50%-80%的退役电池包（以新电池的初始容量计）对交流负载进行直供电，当某一退役电池包电量不足50%，则连接新的退役电池包或储能电池簇支路，所有退役电池包或包括储能电池簇提供的多余电量则向市电进行输出；
3）当某一个或多个退役电池包电量不足20%，则补充市电对交流负载进行供电，并对退役电池包进行充电；
4）当某一退役电池包可充放电容量不足20%时，则需要更替新的退役电池包；
5）当某一储能电池簇可充放电容量不足80%时，则将该储能电池簇作为新的退役电池包备用。
进一步地，在工业区或市政供暖区域设置多个系统，各系统内包含双向变流器、储能电池簇、EMS、测量装置、交流负载等，且均在交流侧耦合。
更进一步地，各系统通过云端服务器进行通讯和运算，以核算各系统对市电的输入电量或输出电量、各区域负载用电量及所需功率补偿值、市电峰谷值及其时间跨度，从而得出最佳的退役电池包并网二次利用方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.依据电容器并联式功率补偿的现有电网功率补偿技术，本发明将动力汽车的退役电池包通过DC/AC转化为交流电后，并通过储能电池簇纠正补充后，并入市电并对就近的交流负载进行直供电，充分利用退役电池包的剩余电量以及可充放电次数，且为电网功率因素提供较大功率补偿作用，从而降低输电及用电功耗。
2.本发明可将不同容量、开路电压、SOC和剩余电量的退役电池包可并联至同一电路中，并通过储能电池簇中新电池的纠正和补充，可优先消耗退役电池包的大电量（50%以上的余量），并先使用较多剩余电量的退役电池包产生的交流电，随后消耗退役电池包的小电量（50%以下的余量）+储能电池簇的电量，储能电池簇用于维持供电稳定，最后才使用市电，且使用市电时可并联对退役电池包或储能电池簇进行充电，充电过程相当于电容器并联的功率补偿，因此本发明不仅能够保证供电量的稳定性，还可以保证交流负载的无功功率补偿的要求，并维持功率因素的稳定性。
3.本发明还为电网的储能网络建设提供一种新思路，可补充电网峰谷电，且在充放电过程中保持输电质量和高功率因素，大大提高供电稳定性，值得大范围推广使用。
附图说明
图1为本发明提出的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法所采用的系统电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一、退役电池并网的前期研发：
现有技术中退役电池包在拆解前需要对电池组进行放电处理，大量的退役电池包内的电量被浪费，针对该问题本发明团队考察多个用电环境的需求，最终发现退役电池可用在功率补偿领域。
所谓功率补偿原理为：电路中，纯电阻元件消耗的是有功功率（P），感性元件（如电抗器、变压器的线圈、电动机的定子或转子绕组）消耗无功功率（Q），而电容性元件提供无功功率，比如：电容器、同步发电机（注意：同步发电机发电时线圈绕组呈容性，发出有功功率的同时也发出无功功率），可简单总结为：感性元件和容性元件分别是无功功率的消耗者和提供者；
在交流电网或局部用电环境中，无功功率优劣并存，优点是无功功率在电能的转换和变压过程中起到辅助的作用，没有无功功率就无法建立磁场；就无法将电能转换成机械能；无功功率的劣势是增加了变压器的容量和导体的截面积，这无形中增加了工程的投资；因此正常的功率因素范围一般为0.9-0.95，而根据交流发电机或交流负载的供电及用电占比，大多情况下功率因素均小于0.9，因此需要进行功率补偿；
通俗地讲，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的充电功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，并且为了减少有功损失和电压降落，不希望大量的无功功率在网络中流动，所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。
对比例1：
因此为了给退役电池提供应用平台，发明团队首先采用一些行将报废的退役电池包（容量衰减至低于20%、无泄露短路等物理损伤的电池包）并联至电网中（变电站），亦有功率补偿作用，如采用以下试验：
在负荷计算后的某厂区变电站的输入电量为1000kW（即为有功功率），通过常用交流负载运算，功率因素补偿前为0.80±0.6，取平均值为0.82；现需要将功率因素补偿到0.92，计算需要的无功补偿量；
即P=1000KW，cosθ1=0.82，cosθ2=0.92， 求无功补偿量。
tgθ1=0.70，tgθ2=0.43；
补偿量：QC=Q1-Q2=1000*0.70-1000*0.43=270kvar；
因此在应用时，将行将报废的退役电池包作为电容器，并联到该变电站中，即为电容器（电池包）的容量要求为270kvar，当然需要监测稳定性及电池容量的持续性损耗，当功率因素低于0.9时，表明电池电量远远达不到功率补偿要求，需要更换新的电池。
由于对比例1的待报废退役电池包在功率补偿过程中，容量衰减过快，在初期补偿功率因素至0.92时，后期容量逐渐变小，导致电池寿命迅速减小，在35-40天后，厂区变电站功率因素回落至0.85-0.86，并继续使用3个月左右后彻底失去功率补偿作用。
对比例2：
因此在对比例1的基础上，对比例2采用一些容量较大的退役电池（30%＜容量＜80%即不符合电动汽车的要求，需要退役）替代 容量＜20%的待报废电池，并联至厂区变电站的交流线中，根据补偿电容量需求设定退役电池包的并联使用量，可在半年内基本维持变电站功率因素在0.9以上。
但在实际使用过程中，由于各退役电池包电压不一致，直流侧（放电仍为直流电特性）仍然存在大电流互充的现象，造成某一电极电荷淤积或空载的现象，常造成电池的报废，且造成功率补偿的滞后性，造成一定的电网运行风险，且直接并联的方式使退役电池包难以在线卸载。
另外，退役电池包汇总往往还存有剩余电量，直接并联至电网的初始时刻，直流电输出对电网有一定损伤。
实施例1：在对比例1和对比例2的试验基础上，采用直/交逆变器将退役电池包的直流电源特性转化为交流电源特性，并联至厂区变电站的交流线中，实施例1的退役电池包不仅仅起到电容器的作用，其充放电过程中有明显的补充市电能量及功率因素的作用，
可规避对比例2的运行风险，且退役电池包的更换卸载更具有安全性。
但退役电池包在直接并联至电网中时，可控性较差，而且退役电池包的充放电次数仍有限制（如容量为80%的电池充放电次数约为8000-10000次），而直接并联在电网中，则持续交替地进行充放电，当负载量较大（尤其是交流负载）时，则应功率补偿需求，一两天内退役电池就需要进行充放电循环数十次乃至百余次，对电池损耗较大并加速电池报废，因此还需要对该交流并网进行控制管理。
二、电动汽车退役电池包内剩余电量的二次利用：
实施例2：为增强对退役电池包并网的控制管理，在实施例1的基础上，本发明提出一种简单实用的利用电动汽车退役电池包内剩余电量的方法，亦即：
参照图1，一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，包括以下步骤：
S100、系统设置：
在配电柜旁边设置设备柜和储能包，储能包中设置多组退役电池包和至少一个储能电池簇，设备柜中通过一个总线连接有多个逆变器（DC/AC-n）和至少一个双向变流器（PCS-1），任一所述退役电池包的两极连接在对应逆变器的直流侧，储能电池簇的两极连接在双向变流器的直流侧，所有逆变器和双向变流器交流侧通过汇流排连接在配电柜中的交联母线；
所述配电柜的交联母线分别连接有市电（及市售电）和交流负载，交联母线与市电之间设有测量装置，用于记载市电向配电柜输入或输出的电量，交联母线与交流负载（的插座上）也设有测量装置，用于记载配电柜向交流负载输出的电量；
所述逆变器、双向变流器和测量装置通过能量管理单元（EMS）进行通讯，用于实时检测各设备运行状态；
S200、退役电池包剩余电量并网：
通过逆变器将退役电池包的直流电转换为交流电，该交流电有三个输出端，一是对交流负载进行供电并计量，二是为储能电池簇进行充电，三是直接为市电进行售电且并网；
所述S200具体包括以下步骤：
S201、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，优先采用退役电池包经过逆变器转化的交流电直接通过能量管理单元的直供电路对交流负载进行供电并计量；
S202、当退役电池包供电量超过交流负载所需用电量时，考察储能电池簇的电量，退役电池包剩余电量大于储能电池簇，则优先通过双向变流器对储能电池簇进行充电；
S203、当退役电池包仍有余量或退役电池包剩余电量小于储能电池簇，则通过能量管理单元的直供电路对市电进行供电并计量；
S300、交流负载的功率补偿：
通过三种输入电对交流负载的交流电进行功率补偿，包括退役电池包、储能电池簇和市电；
功率补偿的原理是：由退役电池包或储能电池簇直接对交流负载进行供电，减轻整体变电站或配电柜供电压力，从而减少该厂无功功率的负担；而市电一般采用总的功率补偿装置，其整体功率因素可维持为0.9左右，通过引入市电可适当提高该厂的功率因素，从而实现局部电网的无功补偿。
所述S300包括以下步骤：
S301、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，当退役电池包对交流负载供电功率不足时，优先通过储能电池簇对交流负载进行供电和功率补偿；
S302、当交流负载供电仍然不足时，由市电通过交流母线对交流负载进行供电和功率补偿，同时市电也对退役电池包或储能电池簇进行充电，充电时起到电容器并联式的功率补偿效果。
其中，所述储能电池簇为容量不低于99%的动力汽车用新电池，与退役电池包同源，从而为退役电池包的管理提供标准。
其中，所述能量管理单元包含通讯功能的检测线路，用检测各退役电池包及储能电池簇的容量以核算电容器补偿值；能量管理单元设置总线电路，总线电路中设有每个逆变器到双向变流器的交流充放电电路，总线电路设有从能量管理单元到交流负载的单向输出电路，总线电路还设有从能量管理单元到市电的单向输出电路，用于输出多余电量。
其中，所述单向输出电路通过晶闸管或桥电路进行单向输出交流电量。
三、退役电池包并网的可行性：
实施例3：实施例2中的S200和S300其实有交叉过程，因此在实际负载应用时的一个具体使用方法为：
1）首先考察区域内各交流负载所需电量以及负载使用所需的功率补偿值，选择适当数量的退役电池包交流转化后对交流负载进行直接供电，并采用储能电池簇对其进行充放电补充；
2）优先采用剩余电量为50%-80%的退役电池包（以新电池的初始容量计）对交流负载进行直供电，当某一退役电池包电量不足50%，则连接新的退役电池包或储能电池簇支路，所有退役电池包或包括储能电池簇提供的多余电量则向市电进行输出；
3）当某一个或多个退役电池包电量不足20%，则补充市电对交流负载进行供电，并对退役电池包进行充电。
通过以上使用方法，可将不同容量、开路电压、SOC和剩余电量的退役电池包可并联至同一电路中，并通过储能电池簇中新电池的纠正和补充，可优先消耗退役电池包的大电量（50%以上的余量），并先使用较多剩余电量的退役电池包产生的交流电，随后消耗退役电池包的小电量（50%以下的余量）+储能电池簇的电量，储能电池簇用于维持供电稳定，最后才使用市电，且使用市电时可并联对退役电池包或储能电池簇进行充电，充电过程相当于电容器并联的功率补偿，因此本发明不仅能够保证供电量的稳定性，还可以保证交流负载的无功功率补偿的要求，并维持功率因素的稳定性。
实施例4：另外，在实施例2和实施例3的基础上，本系统内包含双向变流器PCS1、储能电池簇1、EMS、测量装置、交流负载等均在交流侧耦合，避免直流侧退役电池包电压不一致导致的大电流互充等问题，可为整个电网提供可直接并网的交流电补充，区别于光电和风电，退役电池包提供的剩余电量经转化利用后为优质电，如在工业区设置多个本发明的系统，首先可大幅减少对市电的供求以及对市电功率因素的不利影响，其次为退役电池包提供大量消纳平台，再次为电网提供优质并网电，最后还为电网提供一系列储能节点以抵消电网用电峰谷的不利影响。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、系统设置：
在配电柜旁边设置设备柜和储能包，储能包中设置多组退役电池包和至少一个储能电池簇，设备柜中通过一个总线连接有多个逆变器和至少一个双向变流器，任一所述退役电池包的两极连接在对应逆变器的直流侧，储能电池簇的两极连接在双向变流器的直流侧，所有逆变器和双向变流器交流侧通过汇流排连接在配电柜中的交联母线；
所述配电柜的交联母线分别连接有市电和交流负载，交联母线与市电之间设有测量装置，用于记载市电向配电柜输入或输出的电量，交联母线与交流负载也设有测量装置，用于记载配电柜向交流负载输出的电量；
所述逆变器、双向变流器和测量装置通过能量管理单元进行通讯，用于实时检测各设备运行状态；
S200、退役电池包剩余电量并网：
通过逆变器将退役电池包的直流电转换为交流电，该交流电有三个输出端，一是对交流负载进行供电并计量，二是为储能电池簇进行充电，三是直接为市电进行售电且并网；
S300、交流负载的功率补偿：
通过三种输入电对交流负载的交流电进行功率补偿，输入电包括退役电池包、储能电池簇和市电。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，所述储能电池簇为容量不低于99%的动力汽车用新电池，与退役电池包同源，从而为退役电池包的管理提供标准。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，所述能量管理单元包含通讯功能的检测线路，用于检测各退役电池包及储能电池簇的容量以核算电容器补偿值；能量管理单元设置总线电路，总线电路中设有每个逆变器到双向变流器的交流充放电电路，总线电路设有从能量管理单元到交流负载的单向输出电路，总线电路还设有从能量管理单元到市电的单向输出电路，用于输出多余电量。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，所述单向输出电路通过晶闸管或桥电路进行单向输出交流电量。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，所述S200具体包括以下步骤：
S201、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，优先采用退役电池包经过逆变器转化的交流电直接通过能量管理单元的直供电路对交流负载进行供电并计量；
S202、当退役电池包供电量超过交流负载所需用电量时，考察储能电池簇的电量，退役电池包剩余电量大于储能电池簇，则优先通过双向变流器对储能电池簇进行充电；
S203、当退役电池包仍有余量或退役电池包剩余电量小于储能电池簇，则通过能量管理单元的直供电路对市电进行供电并计量。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法，其特征在于，所述S300包括以下步骤：
S301、通过能量管理单元检测各退役电池包及储能电池簇的剩余电量，当退役电池包对交流负载供电功率不足时，优先通过储能电池簇对交流负载进行供电和功率补偿；
S302、当交流负载供电仍然不足时，由市电通过交流母线对交流负载进行供电和功率补偿，同时市电也对退役电池包或储能电池簇进行充电，充电时起到电容器并联式的功率补偿效果。
7.如权利要求1所述的一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法在交流负载的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1）首先考察区域内各交流负载所需电量以及负载使用所需的功率补偿值，选择适当数量的退役电池包交流转化后对交流负载进行直接供电，并采用储能电池簇对其进行充放电补充；
2）优先采用剩余电量为50%-80%的退役电池包对交流负载进行直供电，当某一退役电池包电量不足50%，则连接新的退役电池包或储能电池簇支路，所有退役电池包或包括储能电池簇提供的多余电量则向市电进行输出；
3）当某一个或多个退役电池包电量不足20%，则补充市电对交流负载进行供电，并对退役电池包进行充电；
4）当某一退役电池包可充放电容量不足20%时，则需要更替新的退役电池包；
5）当某一储能电池簇可充放电容量不足80%时，则将该储能电池簇作为新的退役电池包备用。
8.如权利要求7所述一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法在交流负载的应用，其特征在于，在工业区或市政供暖区域设置多个系统，各系统内包含双向变流器、储能电池簇、EMS、测量装置及交流负载，且均在交流侧耦合。
9.如权利要求8所述一种电动汽车退役电池剩余电量利用方法在交流负载的应用，其特征在于，各系统通过云端服务器进行通讯和运算，以核算各系统对市电的输入电量或输出电量、各区域负载用电量及所需功率补偿值、市电峰谷值及其时间跨度。
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