徐余豐，嚴(yán)加斌，何建明，琚正偉，程 革，鄭 達(dá)，鄒印龍，葉 磊，王建新

（1浙江輝博電力設(shè)備制造有限公司，浙江 衢州324407；2寧波中科孚奇能源科技有限公司；3中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315201）

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年底，全國新能源汽車保有量達(dá)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[1]。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模還在不斷擴(kuò)大，中國將迎來車載動力電池的大規(guī)?！巴艘邸?。根據(jù)相關(guān)行業(yè)的專家預(yù)測，預(yù)計(jì)在2020 年累計(jì)將超過24.6 GW·h，而到2022 年動力電池回收量將接近45 GW·h[2]。

此類動力電池除了化學(xué)活性下降外，電池內(nèi)部的化學(xué)成分沒有發(fā)生改變。當(dāng)動力電池容量衰退至初始容量75%左右時(shí)，直流內(nèi)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(huán)性能良好，顯示退役LiFePO4電池具有較好的梯次利用價(jià)值[3]。

目前，對于退役電池的梯次利用的研究，主要為退役電池的篩選評價(jià)和電池組一致性管理兩個(gè)方面。在退役電池的篩選評價(jià)上，文獻(xiàn)[4-5]提出將電池容量、平衡電動勢與放電直流內(nèi)阻等特征參數(shù)作為退役電池梯次利用的分選指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]在測得上述各項(xiàng)電池參數(shù)的基礎(chǔ)上，將遺傳算法和K均值算法結(jié)合，對電池進(jìn)行篩選分類。文獻(xiàn)[7]則從電化學(xué)角度出發(fā)，分析庫侖效率和電池容量衰減之間的內(nèi)在關(guān)系，提出基于庫侖效率對退役動力鋰電池儲能梯次利用進(jìn)行篩選的方法。

在電池組一致性管理研究方面，朱運(yùn)征等[8]采用獨(dú)特共用母線的主動均衡設(shè)計(jì)，提出了基于電源總線平衡的多因素綜合評價(jià)分析的均衡策略。趙光金等[9]提出了一種智能分時(shí)的主動被動協(xié)同均衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對梯次電池的高效和快速均衡。黃從勝等[10]設(shè)計(jì)了一種新型均衡電路，解決了現(xiàn)有大型電池組均衡電路均衡用時(shí)長、效率低的問題。

本文從退役動力鋰電池整包利用的角度出發(fā)，分析了退役動力鋰電池梯次利用的全過程。以80 V-60 A·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(jìn)行初選，再對電池包進(jìn)行充放電獲得電池包的容量和CD-OCV(discharge capacity and open circuit voltage)曲線，根據(jù)容量值和電壓曲線對包進(jìn)行二次篩選。將篩選后的電池包按照容量大小進(jìn)行排序，并根據(jù)排序結(jié)果對電池包進(jìn)行分組。利用多通道儲能變流器將分組好的電池包進(jìn)行串聯(lián)成組得到儲能系統(tǒng)，并聯(lián)合分布式光伏系統(tǒng)組建光儲微網(wǎng)電站，實(shí)現(xiàn)退役電池的梯次利用。通過在不同倍率下對電池進(jìn)行充放，依據(jù)CD-OCV 曲線的離散情況，驗(yàn)證了篩選和成組方案的可行性。

1 電池篩選

本項(xiàng)目選用從換電站退役的80 V-60 A·h磷酸鐵鋰電池包，這批電池于2011 年10 月出廠，2018 年底陸續(xù)退役。其電芯采用中航鋰電3.2 V-60 A·h 方形鋁殼磷酸鐵鋰電池，由24 個(gè)電芯串聯(lián)的方式得到電池包。電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電池包主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 退役動力鋰電池規(guī)格參數(shù)Table 1 Specifications of retired Li-ion battery

從電池包的外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面對電池包進(jìn)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[11]。經(jīng)檢測，在80個(gè)電池包當(dāng)中存在3個(gè)電池包外觀有破損，4 個(gè)電池包開路電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1個(gè)電池包BMS無法通訊的情況，沒有通過初選，剩下72個(gè)電池包進(jìn)入到二次篩選環(huán)節(jié)。電池包初選不合格情況如圖2所示。

圖2 電池包初選結(jié)果Fig.2 Results of initial filtration

對剩下的電池包進(jìn)行一次充放電。考慮到電池為退役電池，設(shè)置充電電流為0.3 C，放電電流為1 C，充電截止電壓87.6 V(單體3.65 V)，放電截止電壓70 V(單體2.9 V)。放電結(jié)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(xiàn)“跳水”現(xiàn)象的電池包合格，可以進(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)。經(jīng)測試后，72 個(gè)電池包有22 個(gè)電池包存在容量不合格及CD-OCV曲線異常的情況，剩下50個(gè)電池包符合要求。電池包二次篩選不合格情況如圖3所示。

圖3 容量不符合及CD-OCV曲線“跳水”的電池包Fig.3 Capacity unqualified and CD-OCV curve"diving"

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(rèn)為這部分電池包具有較好的一致性[12-14]。二次篩選后的50個(gè)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%，表征該50 個(gè)電池包具有較好的一致性。將電池包按照容量大小進(jìn)行排序，根據(jù)電池容量的分布情況，選擇容量最接近的36 個(gè)電池包進(jìn)行成組，剩余14 個(gè)電池包留著備用。電池包的編號和容量分布如圖4所示。

圖4 電池包容量和編號分布圖Fig.4 The distribution of batteries'capacity and its number

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(zhuǎn)換設(shè)備，其具有DC/DC+DC/AC兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電池端無并聯(lián)，可以避免電池組間環(huán)流的產(chǎn)生，適用于對退役電池進(jìn)行成組。將配組完的80 V-60 A·h電池包4個(gè)組成一串，形成320 V/19.2 kW·h儲能單元，接入到30 kW儲能變流器的一個(gè)直流通道，單個(gè)通道功率10 kW。整個(gè)儲能系統(tǒng)共9個(gè)直流通道，儲能容量90 kW/172.8 kW·h。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 光儲系統(tǒng)集成

將90 kW/172.8 kW·h 儲能系統(tǒng)同50 kWp 分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)并聯(lián)，并通過快速并離網(wǎng)切換開關(guān)接入到廠區(qū)0.4 kV交流母線上，構(gòu)成光儲微網(wǎng)系統(tǒng)。其中，分布式光伏系統(tǒng)采用單晶硅組件，串聯(lián)后經(jīng)過直流匯流箱接入到組串式光伏逆變器中，與儲能系統(tǒng)在交流側(cè)耦合。儲能變流器的交流輸出端同時(shí)關(guān)聯(lián)部分重要負(fù)載，在市電異常時(shí)，由光儲系統(tǒng)保障重要負(fù)載的供電。光儲系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖5 90 kW/172.8 kW·h儲能系統(tǒng)Fig.5 90 kW/172.8 kW·h energy storage system

圖6 光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.6 Topology of PV and energy storage micro grid system

系統(tǒng)集成能量管理系統(tǒng)，用于制定光儲系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的運(yùn)行控制策略。并網(wǎng)時(shí)，儲能變流器和光伏逆變器均以有功無功解耦(P/Q)方式運(yùn)行，由EMS根據(jù)電價(jià)時(shí)段控制儲能充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。同時(shí)，在儲能放電期間，檢測公共連接點(diǎn)(PCC)的反向功率。當(dāng)出現(xiàn)反向功率時(shí)，由EMS給儲能系統(tǒng)發(fā)降功率命令，防止儲能放出的電進(jìn)入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)逆功率保護(hù)。

離網(wǎng)時(shí)，由儲能、光伏、負(fù)載組建微網(wǎng)方式運(yùn)行。此時(shí)，儲能變流器以恒壓恒頻(V/F)方式運(yùn)行，建立幅值和頻率穩(wěn)定的電壓，光伏逆變器以P/Q方式運(yùn)行，以電流源的方式注入微網(wǎng)系統(tǒng)。EMS根據(jù)負(fù)載的大小，來協(xié)調(diào)光伏和儲能的出力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

4 試運(yùn)行結(jié)果

4.1 多倍率下電池組充放電

在不同倍率下對電池組進(jìn)行多個(gè)循環(huán)周期的恒功率充放電，利用電池管理系統(tǒng)記錄每組中各個(gè)電池包的放電容量及電壓值，得到電池的CD-OCV 曲線，根據(jù)曲線的離散情況對電池成組配組情況進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 不同放電倍率下，同組電池的CD-OCV曲線Fig.7 CD-OCV curve of same group batteries under different discharging rate

可見，依據(jù)電池包有效容量和電芯一致性排序后，在0.1、0.2、0.3 C 放電倍率下，電池包的CDOCV 曲線基本吻合；在0.5 C 倍率下，曲線有一定偏差，但總體趨勢相近，符合工程應(yīng)用的要求，可以依據(jù)排序結(jié)果對電池進(jìn)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(yīng)用于光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)置電池放電倍率為0.1 C，充電倍率為0.05 C，并依據(jù)當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)時(shí)段進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 光儲微電網(wǎng)削峰填谷運(yùn)行Fig.8 PV and energy storage micro grid system operates for peak-cutting

從圖中可見電池成組后，在0.1 C 倍率條件下電池組電壓從放電開始時(shí)刻(18：00)的320.69 V 下降至316.16 V，這是由于電池由原來的開路狀態(tài)變?yōu)閹ж?fù)載狀態(tài)引起的跌落。之后電池組電壓隨著放電的持續(xù)平緩地下降，直至到達(dá)放電截止時(shí)間(21：30)，此時(shí)對應(yīng)電池組電壓為306.22 V，總放電量103 kW·h。停止放電后，電池組電壓由306.22 V回升至308.82 V，充電后(22：00—次日3：00)電池組電壓逐漸恢復(fù)到額定電壓，總充電量111 kW·h，轉(zhuǎn)化效率92.79%。

5 結(jié) 論

通過對退役電池包的篩選、分組、成組以及在光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)中的集成與應(yīng)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(jié)論。

（1）對80 個(gè)退役動力鋰電池包從外觀、銘牌、開路電壓、BMS通訊等方面進(jìn)行初選，其中3個(gè)電池包外觀有破損，4 個(gè)電池包電壓超出額定充電截止電壓的80%～110%，1 個(gè)電池包BMS 無法通訊；剩下72 個(gè)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(gè)電池包符合梯次利用價(jià)值。

（2）二次篩選后的50 個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，表征該50 個(gè)電池包具有較好的一致性；DC/DC+DC/AC雙級結(jié)構(gòu)的多通道儲能變流器，直流側(cè)無并聯(lián)，可以阻止電池組組間環(huán)流產(chǎn)生，適用于退役動力鋰電池進(jìn)行成組。

（3）利用成組后的90 kW/172.8 kW·h儲能系統(tǒng)同分布式光伏系統(tǒng)在交流側(cè)耦合，組建光儲微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工況下的退役電池梯次利用。試運(yùn)行結(jié)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(xiàn)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(jìn)行削峰填谷運(yùn)行，總充電量111 kW·h，總放電量103 kW·h，轉(zhuǎn)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(jià)值，可以在工程上進(jìn)行應(yīng)用。