磷酸鐵鋰退役動力電池梯次利用儲能系統應用研究

徐國偉，李志強

（1.吉利融和（寧波）新能源有限公司；2.杭州協能科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

在國家“雙碳戰略”目標下，以光伏、風電為主的清潔能源迅猛發展。因其發電的不穩定性，電能的存儲變得十分重要，以電化學儲能為代表的儲能技術將迎來重大的歷史發展機遇。電化學儲能市場將從發電側源端儲能、電網側網端儲能逐步向用戶側終端儲能普及，而電動車充換電終端（用戶側）儲能將先行。

2020年國家發布《新能源汽車產業發展規劃2021～2035年》，到2025年新能源汽車新車銷量達到汽車新車銷售總量的20%左右，同時，要求加強新能源汽車與電網（V2G）能量互動。磷酸鐵鋰動力電池因其具有的高循環壽命的特點將被廣泛應用。隨著電動汽車配套充換電設施的普及，電動汽車體量的不斷提升，屆時電動汽車的更新換代將產生大量動力電池退役，退役的動力電池大部分還剩余標稱容量的70%～80%，不同于三元鋰電池直接拆解原材料回收仍具有較高的經濟價值，磷酸鐵鋰電池直接拆解回收殘值較低。梯次電池儲能應用將深度挖掘磷酸鐵鋰退役動力電池的剩余價值。

本文主要闡述了磷酸鐵鋰退役動力電池梯次利用儲能系統應用的系統集成及儲能系統中電池管理系統的一致性管理，并對梯次電池儲能的系統效益進行了論述。

1 梯次電池儲能系統架構

集裝箱式儲能系統主要包括以下部分：梯次電池組、電池管理系統（BMS）、儲能逆變器（PCS）、能量管理系統（EMS）、動環系統和消防系統等。

系統采用低速電動車退役的磷酸鐵鋰動力電池，電池原容量為66Ah，現剩余容量約55Ah，電池性能較好。電池系統采用標準化模組設計方案：電池箱由24節電池串聯，模組電壓為24×3.2V=76.8V；每個電池簇由10個電池箱串聯成240串，共計20簇組成1MWh儲能系統，每個電池箱配置一個24串從控，單簇共計10個從控配1個主控，20簇電池組成1個電池堆配1個總控和1個顯示屏；配置一臺250kW的模塊化PCS，分為4個支路，每個支路管理5簇電池，系統總容量為250kW/0.8MWh。

2 電池管理系統（BMS）

電池管理系統（BMS）可實時采集、處理、存儲電池組運行數據，與外部設備交互，解決鋰電池系統中安全性和一致性等關鍵問題。主要實現的功能有電池模擬量高精度監測及上報功能、電池系統運行報警功能、電池系統保護功能、BMS自診斷功能、無損主動均衡功能、電池狀態顯示和數據存儲功能、與PCS及EMS信息交互功能等。

圖1 儲能電池系統架構

2.1 電池一致性

儲能系統相較電動汽車電池單體數據巨大，由于電池容量的不一致性的存在，導致電池不均衡現象從而引發電池的容量及安全性問題，梯次電池更為明顯。一致性較差電池的電池成組后，各電池荷電狀態差異導致成組后實際可用容量降低，嚴重影響了儲能系統的經濟效益，長期運行甚至會影響電池的可靠性及安全性，因此，對電池系統的一致性管理至關重要。

均衡的方式是解決電池不一致性問題的有效手段之一，均衡方式可以分為被動均衡和主動均衡兩大類。被動均衡比較常見的在電動汽車電池管理系統中應用較多，相對主動均衡造價較低，在一致性較好的新電池上應用較多，一般采用電阻放電的方式實現，特點是均衡電流小、時間短、效果有限，且電阻放電會產生熱量，會對系統造成風險。主動均衡系統采用能量轉移方式，一般均衡電流較大，均衡效果好，多用于大容量、多電池系統，可有效解決電池的不一致性問題。梯次電池使用主動均衡技術方案可有效地保障電池的安全性和解決一致性問題。

2.2 主動均衡方案

本文采用的主動均衡系統（芯片級）采用國產替代高集成度均衡芯片和特有的電池均衡算法，實現能量的雙向轉移。可實現任意兩節電池、電池模組間的能量轉移。電池之間能量轉移主要利用電感元件存儲能量，對電池進行充放電的均衡，電池模組之間主要采用雙向DC/DC進行能量轉移，均衡電流可達到3A。

芯片級主動均衡具有高性能、高安全性、高可靠性、長壽命等特點。系統直接單體供電，無須輔助電源；擴展性強、易級聯；所有節點同時工作，無復用沖突等優勢。均衡模塊對相鄰兩節電池之間的荷電狀態差異進行判斷，根據均衡算法的結果，均衡模塊以開關電源的方式，把荷電量高的電池多余電量轉移到荷電量低的電池，實現電池容量最大化，并延長電池組循環壽命。均衡模塊的功率電路拓撲如圖2所示，工作原理如下：（1）上電池剩余電量＞下電池剩余電量：閉合上開關，上電池能量儲存在電感中，斷開上開關，閉合下開關，電感的能量轉移給下電池，實現能量下傳。（2）上電池剩余電量＜下電池剩余電量：閉合下開關，下電池能量儲存在電感中，斷開下開關，閉合上開關，電感的能量轉移給上電池，實現能量上傳。

圖2 均衡模塊功率電路拓撲

均衡模塊通過級聯，可以實現對多節串聯電池進行均衡管理，如圖3所示，串數可以向上或者向下擴展，看實際應用需要。

圖3 均衡系統架構

主動均衡單元開始工作需要具備以下條件：從控自檢無故障，包括主動均衡單元、被動均衡單元、電壓采樣單元、溫度采樣單元均無故障；主控的均衡同步控制幀正常向從控發送工作周期及允許主動均衡開啟的指令。

以磷酸鐵鋰電池為例，當前從控采集的電池電壓：

（1）最高電壓＜3750mV；（2）最低電壓＞2750mV；（3）最高電壓-最低電壓＞30mV（均衡單元開啟工作后需要壓差下降到＜15mV才停止工作）。

當滿足（1）～（3）條件時，MCU會依據控制算法計算結果控制每個均衡單元的ENBK和ENBST控制信號的拉高與拉低，從而實現電池間的能量轉移。

主動均衡的硬件拓撲是主動均衡實現的基礎，均衡策略是實現有效均衡的核心。本文利用電池的電壓、電流、溫度、內阻等運用大數據等算法計算系統電池系統的SOC和SOH，單電芯SOC計算是BMS中的重點和難點，作為BMS中最重要的參數，它的精度和糾錯能力極為重要，SOC的估算精度越高，可以使電池組發揮最大的效能。系統運用的算法有安時積分、開路電壓、人工神經網絡和卡爾曼濾波等。

借助電流傳感器實時監測系統中的電流，通過對電流在一段時間內的積分就可以得到該時段被電池充入或者放出的電量。該方法估算SOC的表達式為：

其中，表示SOC的初始值，Q代表電池的總容量，指的是電流（正值代表放電，負值代表充電，數值大小隨時間變化）。積分流程100ms執行一次，當積分量大于一定閾值或者電流為0持續一定時間并且積分量不為0的時候，進入處理積分量的流程。同時，該算法還借助電池的OCV曲線、充放電卡爾曼濾波、充滿放空置位、溫度補充以及平滑處理綜合估算電池的SOC以及SOH，保證其精準性。

在電池組運行過程中，對電池的特征參數進行分析，電池管理系統監控電池的各種狀態，并將電池狀態與報警信息及時上傳至后臺，后臺進而控制PCS對電池組進行有效的充放電，保證整體儲能系統的正常穩定運行。

3 系統效益

根據某地區大工業用戶電網銷售電價，利用儲能系統進行峰谷電價差套利的模式。儲能系統充放電策略按表1執行，谷時充電，尖峰或高峰放電，系統實際可用容量約為0.8MWh，每天可用電量約為1300度電，日節約電費約742元，全年按350天（7、8月電價差大）計算，可節約電費約30萬元。除正常的峰谷電價差套利收益外，儲能系統還可參與電網調頻調峰、虛擬電廠等獲得額外收益。該系統集成投資約80萬元（因本項目系統采用電池單體容量較小，系統成本較高，如采用單體容量大的電池，系統投資成本可降至60萬元左右），系統集成初始投資回收期約為2.7年，系統壽命約15年（除電池外），其間需更換梯次電池。

表1 儲能充放電策略

4 結語

本文通過項目實踐驗證，為企業今后磷酸鐵鋰退役動力電池的梯次利用奠定了基礎，同時，對新電池儲能系統應用有借鑒意義。基于主動均衡的電池管理系統可延長儲能電池組的使用壽命，間接降低了儲能設備運行度電成本，提高了儲能系統的能量利用率和系統效率，對儲能項目用戶側終端推廣應用有積極的意義。