朱運(yùn)征，李志強(qiáng)，王 浩，高 翔，鄭 益，屈 園，徐劍虹，謝建江

（杭州高特電子設(shè)備股份有限公司，杭州310030）

隨著電動(dòng)汽車(chē)、分布式微電網(wǎng)等快速發(fā)展，儲(chǔ)能應(yīng)用需求不斷增大，同時(shí)對(duì)其應(yīng)用形式也相應(yīng)提出了新的要求?？蓾M(mǎn)足占地少、建設(shè)快、可移動(dòng)等特點(diǎn)的集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)將儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng) BMS（battery management system）、儲(chǔ)能變流器系統(tǒng) PCS（power control system）、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等集中于一個(gè)集裝箱內(nèi)。集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高度集成、運(yùn)輸方便且易于安裝的特點(diǎn)，一經(jīng)推出即獲得了廣泛的應(yīng)用。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)[1-5]的應(yīng)用過(guò)程中，初始投資高是其規(guī)?；瘧?yīng)用的主要制約因素，其中儲(chǔ)能電池成本占據(jù)了很大部分。在《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》等國(guó)家規(guī)劃中：到2020年，純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)生產(chǎn)能力達(dá)200萬(wàn)輛、累計(jì)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)500萬(wàn)輛。目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅速，截至2018年03月，新能源汽車(chē)保有量約195萬(wàn)輛，其中電動(dòng)汽車(chē)占比75%以上（工信部數(shù)據(jù)顯示）。電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展必然每年都會(huì)有大量車(chē)用動(dòng)力電池退役。大部分退役電池還剩有標(biāo)稱(chēng)容量的70%～80%，具有很大的再利用價(jià)值，在儲(chǔ)能、后備電源等環(huán)境中仍可繼續(xù)使用。梯次利用的方式[6-7]可大幅降低儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的成本，如何通過(guò)均衡手段改善一致性延長(zhǎng)電池的使用周期以提高電池的全生命周期的更多價(jià)值，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

本文為解決梯次電池能量利用率、一致性[8-13]等性能問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并在近年來(lái)多個(gè)梯次利用電池儲(chǔ)能項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用，如：在某大型風(fēng)光儲(chǔ)電站3 MW×3 h磷酸鐵鋰梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用了5 A的主動(dòng)均衡管理系統(tǒng)；在江西某園區(qū)16 MW·h梯次利用三元鋰電池集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)微網(wǎng)項(xiàng)目中采用了2 A的主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)，配合先進(jìn)的均衡策略，實(shí)現(xiàn)了良好的梯次電池的一致性管理。同時(shí)，針對(duì)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)中梯次電池的安全性和一致性管理，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是一個(gè)典型的40英尺（12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm）集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)架構(gòu)方案，主要包括以下4個(gè)部分：儲(chǔ)能變流器PCS、梯次電池組、主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)BMS和電池柜，同時(shí)配備動(dòng)力環(huán)境控制系統(tǒng)及消防系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用退役磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，總?cè)萘? MWh；根據(jù)系統(tǒng)最大功率PCS選用200～500 kW規(guī)格；采用8電池支路設(shè)計(jì)，每支路電池?cái)?shù)為192節(jié)，退役電池容量約200 Ah，用標(biāo)準(zhǔn)電池模組化設(shè)計(jì)，每模組為8節(jié)電池串聯(lián)。

圖1 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of energy storage battery system

標(biāo)準(zhǔn)電池模組設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①模組電壓平臺(tái)合理，模組電壓平臺(tái)為8×3.2 V=25.6 V；②支路節(jié)點(diǎn)數(shù)量合理，每支路模組數(shù)量為24，可控制每支路CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)在30個(gè)以?xún)?nèi)；③模組重量合理，模組總能量為 8×3.2 V×200 Ah=5 120 W·h，以能量密度120 W·h/kg計(jì)算，其重量約為43 kg，重量合理，易于維護(hù)。

為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求，采用分布式主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電池模組和電池管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集成設(shè)計(jì)，解決線束復(fù)雜、電池管理系統(tǒng)跨模組連接等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電池模組智能化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

2 電池組的一致性管理

儲(chǔ)能系統(tǒng)由于電池容量大數(shù)量多（可能有多達(dá)上萬(wàn)節(jié)的電池單體串并聯(lián)），一致性問(wèn)題較電動(dòng)汽車(chē)更為嚴(yán)重。由于不一致性的存在，必將導(dǎo)致電池不均衡現(xiàn)象，梯次電池更為明顯。圖2是電池不一致性的典型現(xiàn)象，可以看出，各電池容量/荷電狀態(tài)SOC（state of charge）差異導(dǎo)致成組后實(shí)際可用容量卻只有中間一小段。差異的存在降低了系統(tǒng)的可用容量，嚴(yán)重影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，長(zhǎng)期運(yùn)行還將大大降低電池系統(tǒng)的可靠性和安全性，所以對(duì)電池系統(tǒng)的一致性管理至關(guān)重要。

圖2 電池組系統(tǒng)的不一致性Fig.2 Inconsistency of battery pack system

2.1 電池不一致性問(wèn)題

2.1.1 單體電池不一致性問(wèn)題

電池的不一致性主要是由兩方面引起：

（1）在電池制造過(guò)程中，由于工藝控制存在誤差、材料本身混合不均，使得電池兩極活性材料的厚度、孔隙率等參數(shù)出現(xiàn)差別，導(dǎo)致同一型號(hào)的電池在容量、自放電率、內(nèi)阻上等存在不一致性，這種不一致性通常遵循正態(tài)分布的規(guī)律；

（2）電池串并聯(lián)連接部分電阻、電池溫度、截至電壓、SOC、容量、內(nèi)阻、自放電等存在差異，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致各電池衰退速率存在差異，并最終加速放大了電池組內(nèi)各單體電池的不一致性。

電池的不一致性是絕對(duì)存在的，如何通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)一致性管理，對(duì)電池運(yùn)行管理至關(guān)重要。比如改進(jìn)電池生產(chǎn)工藝、電池的熱管理、電池的均衡管理等改善情況，本文主要通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中有效的均衡管理，來(lái)保證電池的一致性。

2.1.2 電池支路不一致性問(wèn)題

電池支路不一致性主要表現(xiàn)在兩個(gè)層面：即支路間的電池組不一致性和支路內(nèi)的單體電池不一致性。其中，支路間的電池組不一致性是指不同支路之間電池組的不一致性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量的利用率低和支路間電池的環(huán)流。目前大部分采用電壓一致性判斷，即當(dāng)兩支路電壓基本一致時(shí)，實(shí)現(xiàn)電池的并聯(lián)控制，控制環(huán)流的大小，避免對(duì)電池和回路器件等造成損壞。

本文采用圖3所示的模塊式多支路PCS，每個(gè)儲(chǔ)能變流器模塊連接一個(gè)儲(chǔ)能電池支路，模塊分別可控，降低了并聯(lián)電池的控制復(fù)雜度，當(dāng)某一支路電池出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可單獨(dú)退出，提高了電池系統(tǒng)的能量利用率，避免了支路間電池不一致性導(dǎo)致的環(huán)流問(wèn)題。

圖3 模塊式儲(chǔ)能變流器的儲(chǔ)能系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of energy storage system with modular PCS

2.2 主動(dòng)均衡方案

2.2.1 主動(dòng)均衡硬件設(shè)計(jì)

采用均衡的方式是解決電池不一致性問(wèn)題的有效手段之一。均衡是通過(guò)外部的方式彌補(bǔ)電池的不一致性，減緩電池的木桶效應(yīng)，改善電池一致性，進(jìn)而提升系統(tǒng)的可用容量和使用壽命。目前均衡方式可分為被動(dòng)均衡（耗散式均衡）和主動(dòng)均衡（非耗散式均衡）兩大類(lèi)[14-21]。被動(dòng)均衡的一般采用電阻放電的方式實(shí)現(xiàn)，均衡電流較小，均衡時(shí)間短，均衡效果有限，一般多用于電池本身一致性較好和電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)較好的場(chǎng)合，但采用能量消耗方式產(chǎn)生的熱量可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成風(fēng)險(xiǎn)，所以其均衡電流一般較??；主動(dòng)均衡采用能量轉(zhuǎn)移方式，一般均衡電流較大，均衡效果好，多用于容量大、串?dāng)?shù)多的電池系統(tǒng)，可快速解決電池不一致性，尤其是對(duì)梯次電池效果更為明顯。均衡時(shí)還需保證產(chǎn)品失效率，要確保均衡模塊即便失效也能保障電池系統(tǒng)正常運(yùn)行。

本文采用獨(dú)特的雙向能量轉(zhuǎn)移主動(dòng)均衡技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)支路內(nèi)任意兩節(jié)電池、電池模塊內(nèi)外各電池之間直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。該技術(shù)可輸出±2 A恒流電流，既可以對(duì)電池進(jìn)行充電均衡，也可以實(shí)現(xiàn)放電均衡。圖4為雙向能量轉(zhuǎn)移主動(dòng)均衡硬件電路拓?fù)?，圖中雙向DC/DC中一邊與12 V/24 V供電電源母線相連，另一邊通過(guò)選通開(kāi)關(guān)連接各單體電池。母線可起到匯集、分配和傳送電能的作用，實(shí)現(xiàn)與各電池之間的能量轉(zhuǎn)移。

假設(shè)某一時(shí)刻判斷出BAT1需要放電均衡、BAT12需要充電均衡，此時(shí)均衡控制器選通開(kāi)關(guān)使BAT1、BAT12與對(duì)應(yīng)的雙向DC/DC導(dǎo)通，雙向DC/DC將BAT1的多余能量轉(zhuǎn)移到母線上，母線將BAT1多余能量通過(guò)雙向DC/DC對(duì)BAT12電池進(jìn)行轉(zhuǎn)移。換言之，母線相當(dāng)于一個(gè)電量中轉(zhuǎn)站，各電池均可以與母線進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)任意一節(jié)電池將電量轉(zhuǎn)移到其他電池中。儲(chǔ)能系統(tǒng)中一個(gè)電池支路內(nèi)所有電池管理系統(tǒng)均采用同一電源供電，故可實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)電池能量的直接轉(zhuǎn)移。

圖4 主動(dòng)均衡硬件拓?fù)銯ig.4 Hardware topology of active equalization

2.2.2 主動(dòng)均衡策略設(shè)計(jì)

主動(dòng)均衡的硬件拓?fù)涫蔷鈱?shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，均衡策略是決定均衡有效性的核心，是電池一致性保證的關(guān)鍵。一般的均衡策略中常采用單體電池電壓作為均衡判斷的依據(jù)，對(duì)電壓較高的電池均衡放電，對(duì)電壓較低的電池均衡充電。

本文研究了電壓、SOC和健康狀態(tài)SOH（state of health）等數(shù)據(jù)的綜合策略。對(duì)n節(jié)單體電池的連續(xù)m個(gè)采集電壓vol、采集電流cur、環(huán)境溫度temp，分別進(jìn)行去峰值取平均操作，最后得到所需的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)，分別為volavgi、curavg、tempavg，0≤i≤n，i為整數(shù)。同時(shí)對(duì) volavgi與計(jì)算得到的電池單體荷電狀態(tài)SOCi、健康狀態(tài)SOHi等數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸一化處理，得到第i個(gè)單體電池的電壓以及SOC與SOH乘積的歸一化數(shù)值，即

各電池需要維護(hù)充電程度的計(jì)算公式為

式中，w1與w2為權(quán)值。各電池需要維護(hù)放電程度的計(jì)算公式為

在電池組運(yùn)行過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)的對(duì)電池各種特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取需要進(jìn)行維護(hù)充放電的程度，控制需要維護(hù)充電電池?cái)?shù)與維護(hù)放電電池?cái)?shù)的配比，達(dá)到總線平衡，該方法有效地保證電池組的一致性，進(jìn)一步延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

針對(duì)該主動(dòng)均衡模塊，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。圖5為某一組電動(dòng)汽車(chē)退役電池組靜置狀態(tài)下的均衡效果。由圖可見(jiàn)，各單體電池一致性較差，采用主動(dòng)均衡模塊后，靜置狀態(tài)下電池一致性大大改善。

運(yùn)行3年多的某電動(dòng)出租車(chē)退役下來(lái)的電池，在原有電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加主動(dòng)均衡模塊后，經(jīng)過(guò)8次相同工況下充放電測(cè)試。圖6為其退役電池放電狀態(tài)下均衡效果，由圖可見(jiàn)，放電過(guò)程中最大電壓與最小電壓的壓差變化情況，主動(dòng)均衡壓差逐漸變小，放電時(shí)間變長(zhǎng)，容量顯著提升，其中圖中壓差存在波動(dòng)情況為均衡導(dǎo)致的階段性壓差變化。

某車(chē)輛上退役下來(lái)的兩組電池，初始容量基本相同，其中一組電池不采用均衡，另一組電池采用雙向主動(dòng)均衡，兩者循環(huán)測(cè)試對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖中數(shù)據(jù)表明，主動(dòng)均衡使電池容量的衰減得到延緩，改善了成組電池的木桶效應(yīng)，提升了電池組的循環(huán)次數(shù)，電池組整體壽命大大延長(zhǎng)。

圖5 某退役電池組靜置狀態(tài)下均衡效果Fig.5 Equalization result of one retired battery pack in open circuit state

圖6 某退役電池組放電狀態(tài)下均衡效果Fig.6 Equalization result of one retired battery pack in discharging state

圖7 主動(dòng)均衡和不帶均衡的電池系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試Fig.7 Comparison test of battery system with active equalization and without equalization

4 結(jié)語(yǔ)

在梯次利用電池用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程實(shí)踐中，為解決未來(lái)退役電池規(guī)?；瘧?yīng)用，本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱式梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)了系統(tǒng)可靠性的提高、成本的降低以及更易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，為退役電池的規(guī)模應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

大容量梯次利用電池系統(tǒng)應(yīng)用的主要問(wèn)題是電池一致性問(wèn)題。電池不一致性會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)可用容量低、系統(tǒng)壽命短、降低經(jīng)濟(jì)效益與系統(tǒng)的安全性。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，采用模塊式PCS和主動(dòng)均衡技術(shù)，可解決儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池支路間及支路內(nèi)電池一致性問(wèn)題，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)能量利用率與系統(tǒng)效率，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和安全性。

本文經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的驗(yàn)證，適合規(guī)?；瘧?yīng)用，為未來(lái)大量退役的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池找到了新的發(fā)展方向，節(jié)約了社會(huì)資源。