解读退役三元动力电池储能项目探索与应用
发布日期：2020/6/11
新能源汽车产业是江苏省重点发展的战略性新兴产业，2017年江苏省累计产销新能源汽车7.3万辆和6.5万辆，而全国产销量分别为79.4万辆和77.7万辆，江苏省新能源汽车销量占全国8.4%左右。
2018~2022全国退役电池的量分别为：3.75GWh，15.27GWh，30.5GWh，36.23GWh，54.35GWh，江苏新能源汽车占全国8.4%，则预估2018~2022江苏省内退役动力电池的量分别0.312GWh，1.28GWh，2.56GWh，3.04GWh，4.65GWh。
2019年第四季度开始，我国新能源汽车动力电池开始进入密集退役期。为彻底解决新能源汽车退役动力电池的遗留问题，工信部于2018年发布了若干指导性文件，旨在试点推动新能源汽车动力电池梯次利用工作。
三元动力电池具有高能量密度、高工作电压、高安全性和长寿命等优点，是一部分电动汽车的主要动力来源。随着电池的使用时间增长，剩余容量会越来越低，当剩余容量为初始容量的80%左右，不再满足电动车续航里程的需要，将会从电动汽车上退役下来。剩余容量为80%的电池还有使用价值，经过测试分选后可以梯次利用到对电池能量密度要求较低的储能行业，不仅减少资源的浪费和环境污染，而且能产生一定的经济价值，实现双赢。
退役动力电池的梯次利用主要一部分集中在用户侧、电网侧、新能源侧等电力系统储能项目中，开展退役三元动力电池储能项目探索与应用，以及针对退役三元动力电池应用于储能电站的关键技术研究，对智能化电网和电力系统的发展具有较重要的意义。
项目简介
1.1 用户用能情况
项目位于南通，项目业主配电房内有一台500kVA油浸式变压器，下分三个用户，本期项目用户为其中一个，用能占比在90%左右。储能放电量只能给本用户使用不能给其他两个用户使用。
由电费核查联可以看出，业主配电房内变压器实际需量超出变压器额定容量31~174kVA。储能系统实现峰谷套利的同时可以削峰降容，避免超容罚款。业主会把下午平时段的超容负荷移到晚上峰时段，满足储能系统在峰时段削峰放电。
1.2 项目方案
项目装机容量为360kW/2MWh，一期建设1.5MWh；电池采用退役三元动力电池，共36个电池包，单个电池包初始电量52.56kWh。该项目以380V低压接入电网，储能系统峰期以120kW-240kW放电来为企业调峰，除通过峰谷价差赚取收益之外，尽可能减少企业出现超容情况来减免每月电费罚款。
运行模式为每天一充一放，充、放电时间段如图1所示。
图1 储能系统充、放电示意图
关键技术
2.1 三元电池整包利用与筛选检测
从电动汽车上退役的电池主要形态为包括汽车底盘的电池包，电池包包括若干串联的电池模组。针对这样的电池包梯次利用的方案主要有三种：一是拆成单体电池利用，二是拆解模组后利用，三是不拆解，整包利用。第一种方法，需要将电池包拆解成模组后，再将模组拆解成单体电池，然后经过测试分选后，重新包装，形成梯次产品。众所周知，不同型号的电池包的结构不同，难以实现全自动化拆解，而且包装自动化主流技术逐渐转变为激光焊接，拆解方案可行性变差，另外拆解完成后，还需要对全部电池进行测试、分选、配组，整个梯次再生过程复杂、耗时、成本高，且存在较多的不安全因素，一般不采用该方法。第二种方法是将电池包拆解成电池模组，目前也是一种比较主流的梯次利用方法，但和第一种方法一样，拆解难以实现全自动化，而且测试分选重组的成本较高。第三种是整包利用，包括利用其底盘，采样线、从控电池管理系统，只需要对电池包进行测试分选，不涉及配组，整体来讲该方法过程简单，成本低，资源利用率高。
本项目主要采用整包利用，单独控制，降低电池包之间的不一致性造成的影响。整包利用要对电池包进行筛选检测，检测流程包括：外观检测、总压检测、耐压检测、容量检测。
1）外观检测。检测电池包外观的完整度和检测电池包中的模块是否存在变形或破坏、漏液、漏气，如果完整度满足预期设定的标准，电池模组没有出现变形或破坏、漏气、漏液的现象，则进入下一个测试环节。如果电池包的外观有上述现象之一，则进行拆解或报废。
2）总压检测。用万能表检测电池包的总压，并判断总压是否在电池包额定的工作电压范围内，如果合格，则进行绝缘检测；如果总压没在额定的工作电压范围内则进行检修或拆解。
3）耐压检测。用安规测试仪对电池进行测试，先接通电源将调压器调到DC500V，保持60s，当测试结果漏电电流≤20mA，电池包不漏电，满足要求，进入下一个测试步骤。如果不满足要求，则将电池包进行拆解。
4）容量检测。在常温下，以0.5C进行充放电测试，记录剩余容量。当剩余容量大于额定容量的75%时，即可用于储能项目。当剩余容量小于额定容量的75%，进行拆解。
2.2 电池管理系统控制策略
本项目共需要36个电池包，每个电池包配置一个高压箱，通过高压箱分别接入集控链储能变流器的每路输入，电池包实现独立控制进行充放电，当某个电池包出现故障时不影响其他电池包运行。
高压BMU是配合高压电池模块串联使用的控制单元，通过与电池 LMU 进行实时通讯获取电池数据（包括单体电池电压和温度，电池模块 SOC）获取并判断故障信息。此外，高压BMU可进行系统上电自检，可控制主回路继电器的闭合，检测电池组的端电压和电流，计算电池组的荷电状态（SOC），实现电池模块间的均衡。高压 BMU 分析出电池组的综合信息后，通过 RS485 通讯分别与储能变流器、能量管理系统进行智能交互。
高压BMU配合LMU主要功能如下：
1）电池参数检测及管理。检测单体电池电压、总电压、充放电电流、电池箱温度、继电器开关状态、绝缘电阻等。电池参数直观反映了电池的运行状态，为电池管理系统的其他功能提供数据支持。
2）数据通讯管理。电池模块与电池模块之间，电池管理系统与向储能变流器、上层监控通信传输数据。
3）SOC计算。实时检测电池荷电状态。以SOC表征电池剩余容量，分辨率为0.4%，误差在5%以内。采取库伦积分实时计算SOC，建立多参数SOC修正模型。
4）SOH计算。电池健康状态诊断。（包含容量、功率、内阻等）
5）均衡管理。避免电池由于制造和运行造成的不一致性，延长电池的使用寿命和能量利用率。
6）电池接入及断开控制。可控制该簇所有电池模组的继电器的开通及关段。故障诊断及保护。报警分为两级报警，第一个等级为报警级，超过此限度直接报警。第二个等级为切除级，超过此限度为严重故障，将会直接切断该支路开关。
2.3 集控链储能变流器
该项目共采用3台120kW的集控链储能变流器，共360kW，三台产品可以独立工作。集控链储能变流器原理如图2所示，该系统中120kW 储能变流器直流侧为12路15kW DC/DC，每一路输入侧接单簇储能电池；输出侧汇流后，接入120kW AC/DC（由2个60kW的AC/DC模块并联）的DC侧。AC/DC和DC/DC均集成在储能变流器柜中。液晶屏集成本地能量管理系统，且与各部件进行通讯，实时监控系统状态。能量管理系统根据电力需求，制定相应策略，下发至各部件执行。通过对电池的充放电来实现电力调控目的。
图2 集控链储能变流器原理图
本项目储能变流器针对梯每一支路电池对接一个电池控制器，实现电池的精细化管理，多支路汇流后通过集中式功率变换单元，并入交流电网。从根源提高电池的安全性，解决电池因一致性差，SOC估算不准等带来的安全隐患问题。
该储能变流器具有完善的管控，精准定位，快速发现问题；故障电池智能隔离，不影响系统，可靠性高；电池更换方便，故障修复快；集中功率变换单元接入交流电网，具有稳定性好，安全性高，谐波含量少，电能质量高等特点。
2.4 消防安全管理
本项目采用七氟丙烷柜式气体灭火系统，电池室内配置二个手持干粉灭火器。电池室配置一套烟雾报警传感器、温度报警传感器，配置一个警铃，配置一个声光报警器，一个放起勿入指示灯，有助于提醒现场人员注意安全。当消防控制器发生火灾报警的时候，将报警信号上传能量管理系统，系统停止运行。
系统设有自动控制、手动控制及机械应急操作三种启动方式。
1）自动控制启动方式：气体灭火控制系统置于自动控制状态，各保护区设置独立的火灾探测报警信号，气体灭火系统控制器在接收到满足联动逻辑关系的首个联动触发信号后，启动设置在该防护区内的火灾声警报器；在接收到第二个联动触发信号后，发出联动控制信号，启动柜式七氟丙烷灭火系统相应防护区域的电磁阀，然后启动相应防护区域的选择阀和容器阀释放灭火剂从而实施灭火，同时气体灭火控制器接受压力开关的动作信号。
2）手动控制启动方式：在防护区有人工作时，将气体灭火控制系统置于手动控制状态，当防护区发生火情时，可按下气体灭火控制器或设在防护区外的紧急启停按钮上的启动按钮，即可启动气体灭火系统，实施灭火。在气体灭火系统处于自动控制状态下，仍可实现手动控制启动方式。
3）机械应急操作启动方式：当防护区发生火情，但由于气体灭火控制系统发生故障不能执行控制程序时，在防护区内可拔除灭火剂储瓶电磁铁上的手动保险夹片，压下手柄，即可打开灭火剂储瓶瓶头阀释放灭火剂，实施灭火。柜式七氟丙烷灭火系统由于采用机械应急操作启动方式时人员不能及时撤离防护区灭火现场，故不宜采用机械应急手动控制方式操作。
结语
本文对退役三元动力电池储能项目探索与应用进行了阐述，将退役三元动力电池应用到用户侧储能项目中，通过应用于梯次利用储能项目各设备的协同工作，实现了对整个储能系统运行的实时监测、完善管控及安全管理。因此，开展退役三元动力电池在储能项目的应用，将同时促进电动汽车和电力系统行业的进步，对智能化电网的发展具有较重要的意义。
来源：光储充一体化电站
