吳芳榕，張峰玉，劉騫，沈言錦，唐林英

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

近年來，我國電動(dòng)汽車規(guī)模不斷壯大，如2020 年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量為 136.6 萬輛。與此同時(shí)，動(dòng)力電池近 5 a 的年復(fù)合增長率超過 50 %，超級(jí)電容在有軌電車、電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。如何妥善處理動(dòng)力電池與超級(jí)電容退役的問題，是當(dāng)前難點(diǎn)。另一方面，電動(dòng)車大規(guī)模推廣與充電樁建設(shè)滯后之間的矛盾日益凸顯，一定程度上限制了電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及，所以電動(dòng)汽車應(yīng)急補(bǔ)電和移動(dòng)充電等技術(shù)亟待提高[2]。

按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，保持產(chǎn)品原來的結(jié)構(gòu)和功能，過程中不削減產(chǎn)品的價(jià)值是資源處理的優(yōu)先選項(xiàng)，所以按電池的損耗程度匹配次一級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景（或稱之為電池梯次利用）屬于很好的示范[3-5]。國內(nèi)暫未出現(xiàn)直接針對(duì)超級(jí)電容梯次利用的規(guī)范性文件，因此目前主要采用與動(dòng)力蓄電池相關(guān)的適用條例[6]。移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)具有較大靈活性，可緩解充電樁建設(shè)不及時(shí)的問題，而且給電動(dòng)汽車應(yīng)急補(bǔ)電方案提供了新途徑[7-10]。加之，已有退役后的動(dòng)力電池、超級(jí)電容運(yùn)用于充電系統(tǒng)的先例。因此，筆者提出一種基于超級(jí)電容與動(dòng)力電池混合梯次利用的可移動(dòng)充電系統(tǒng)，能挖掘出動(dòng)力電池和超級(jí)電容梯次利用的應(yīng)用載體，延緩其報(bào)廢年限。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于退役動(dòng)力鋰電池仍具有一定剩余能量，因此這些電池經(jīng)過重新篩選和配組后，仍可以應(yīng)用于其他儲(chǔ)能場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)退役電池的梯次利用。但是，國內(nèi)量產(chǎn)乘用車的最大充電電流主要集中在 200～240 A，所以單純利用退役動(dòng)力電池的梯次利用無法提供穩(wěn)定的大電流，難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用[11-12]。超級(jí)電容具有充電快速，比能量高，功率高（高于 3 kW/kg），使用溫度范圍寬（-40～70 ℃），壽命長，安全性高（滿電穿刺、擠壓等不爆炸）等優(yōu)勢(shì)，但是相對(duì)于動(dòng)力電池來說，其能量密度較低[13-14]。因此，為了降低電力儲(chǔ)能裝備成本，優(yōu)化儲(chǔ)能配置，可以考慮綜合退役動(dòng)力電池和超級(jí)電容的梯次利用。筆者以此為思路，提出移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)，綜合利用動(dòng)力電池和超級(jí)電容的混合梯次的優(yōu)勢(shì)：超級(jí)電容為充電樁提供大電流輸出，能在短時(shí)間為虧電的電動(dòng)汽車應(yīng)急補(bǔ)電，解決了退役動(dòng)力電池的大電流應(yīng)用瓶頸；動(dòng)力電池提供較小的交流充電電流為超級(jí)電容充電，為超級(jí)電容的短續(xù)航提供“電能倉庫”，向低能量、高功率密度的超級(jí)電容提供了更長的續(xù)航支持。

2 系統(tǒng)方案分析

基于超級(jí)電容與動(dòng)力電池混合梯次利用的可移動(dòng)充電系統(tǒng)，采用廂式載貨車改裝而成，以電動(dòng)汽車退役的三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池為主要儲(chǔ)能載體，以超級(jí)電容為輔助儲(chǔ)能載體，配置移動(dòng)式交流及直流充電樁。儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電樁安裝于標(biāo)準(zhǔn)車廂改造成的車廂內(nèi)，組合成緊湊的移動(dòng)式充電站，可同時(shí)對(duì)多臺(tái)不同種類的電動(dòng)汽車進(jìn)行慢速或快速充電，既可應(yīng)用于快速補(bǔ)電場(chǎng)景，也可作為充電樁覆蓋盲區(qū)的能量補(bǔ)充站。

動(dòng)力電池的充放電倍率越大，電池的化學(xué)反應(yīng)越劇烈，發(fā)熱越嚴(yán)重，其循環(huán)使用次數(shù)越少。為保證退役動(dòng)力電池具有更高的循環(huán)使用壽命，在所提方案中，動(dòng)力電池在梯次利用過程中采用 0.2C放電倍率，主要對(duì)超級(jí)電容充電，同時(shí)具備向交流充電樁供電的能力。超級(jí)電容以大電流、大功率向直流充電樁充電。在移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)閑置或者行駛過程中，超級(jí)電容可由動(dòng)力電池系統(tǒng)以較小的電流充電。移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)的框架如圖 1 所示。其構(gòu)成和功能主要包含以下 5 個(gè)方面：

2.1 移動(dòng)平臺(tái)

系統(tǒng)選用的廂式載貨車整備質(zhì)量為 7 105 kg，額定質(zhì)量為 8 700 kg，貨箱尺寸為 7 134 mm×2 434 mm×2 550 mm。它配備直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為 5 193 mL，最大扭矩 510 N·m，最大功率為 190 馬力，最大速度為 95 km/h。搭載動(dòng)力電池和超級(jí)電容時(shí)，在車身兩側(cè)同時(shí)配備交直流充電樁，可應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車因電池虧電且處于無充電樁可用的情形。該移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)既能使用超級(jí)電容供電的直流充電樁為其進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)電，又能應(yīng)用退役動(dòng)力電池供電的交流充電樁為其進(jìn)行慢充，滿足不同場(chǎng)景的充電需要。

2.2 退役動(dòng)力電池系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池退役后，在采用低倍率（0.2C～0.5C）放電環(huán)境下，循環(huán)壽命通?？蛇_(dá) 2 000～6 000 次，且放電倍率越低，循環(huán)壽命相對(duì)更長[15]。同樣情況下，三元鋰電池在退役后的循環(huán)壽命僅為 800～2 000 次。此外，磷酸鐵鋰在安全性、制造成本、低溫特性等方面要明顯優(yōu)于三元鋰電池[16]?；诮?jīng)濟(jì)和實(shí)用原則，系統(tǒng)采用 3.2 V 20 Ah 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。電壓可以根據(jù)使用年限、電池體系及型號(hào)等歷史數(shù)據(jù)分類重組。8 只單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池組，30 個(gè)電池組串聯(lián)組成一個(gè)電池簇，20 個(gè)電池簇并聯(lián)成為一個(gè)電池系統(tǒng)（307.2 kW·h）。退役動(dòng)力電池系統(tǒng)具備智能管理功能，監(jiān)控鋰電池組的綜合健康狀態(tài)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。

2.3 退役超級(jí)電容系統(tǒng)

超級(jí)電容供電系統(tǒng)采用 60 kF 單體，共由 42個(gè)模組（采用 3 并 6 串結(jié)構(gòu)）組成。系統(tǒng)額定工作電壓為 DC 630-860 V，最大工作電流為 600 A ，額定容量約 916.7 F，可用電量約 39 kW·h，最大輸出功率超過 500 kW。移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)配備兩套超級(jí)電容供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，可用于快充的電量為78 kW·h。該系統(tǒng)既可以通過電網(wǎng)充電，也可通過退役動(dòng)力電池系統(tǒng)完成充電，提供包括系統(tǒng)過壓、過流、過溫等相關(guān)保護(hù)，同時(shí)包含能量檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、通信檢測(cè)等測(cè)量功能。

2.4 充電設(shè)備

車載充電裝置中，采用直流充電技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)電，直流充電樁由超級(jí)電容供電（單槍最大輸出功率為 120 kW）。直流充電樁的直流輸出電壓為200～750 V，最大直流輸出電流為 300 A。設(shè)備整機(jī)功率根據(jù)模組靈活配置，輸出功率可隨車輛負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)，可為電動(dòng)汽車高效充電。采用交流充電技術(shù)進(jìn)行常規(guī)充電。交流充電樁由退役動(dòng)力電池供電（額定功率 14 kW，額定電流為 32 A × 2，三相交流額定電壓為（1 ± 20 %）380 V），具備過流保護(hù)、過欠壓保護(hù)、急停保護(hù)、PWM 異常保護(hù)、連接異常保護(hù)等保護(hù)機(jī)制。

2.5 服務(wù)云平臺(tái)

移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)服務(wù)云平臺(tái)包括智能充電系統(tǒng)、車主服務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)（參見圖 2）。云平臺(tái)相當(dāng)于“神經(jīng)中樞”，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息傳輸與決策。智能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含信息采集模塊和充電控制模塊，主要用于儲(chǔ)能系統(tǒng)信息的采集和充電過程的控制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過有線方式與智能充電系統(tǒng)通信，通過無線方式與云平臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與傳輸，將整個(gè)移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)與地面控制云平臺(tái)統(tǒng)一成一個(gè)整體。車主服務(wù)系統(tǒng)和運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)通過云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)服務(wù)，可智能獲取不同地區(qū)的充電需求，也能讓電動(dòng)車主便捷地獲取定制化的充電服務(wù)，并可通過手機(jī) APP 一鍵掌握充電過程，不再因?yàn)檎也坏匠潆姌抖鴮?dǎo)致用車焦慮。移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)服務(wù)云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，人機(jī)交互界面友好，具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 工作流程

移動(dòng)式儲(chǔ)能充電系統(tǒng)在車庫內(nèi)通過地面充電站對(duì)車載動(dòng)力電池和超級(jí)電容進(jìn)行補(bǔ)充電。待載貨車到達(dá)臨時(shí)補(bǔ)電場(chǎng)地，可由超級(jí)電容對(duì)虧電的電動(dòng)汽車進(jìn)行快速充電。在供電的間隔時(shí)間段，動(dòng)力電池系統(tǒng)可提供較小的電流為超級(jí)電容充電，為其提供更長的續(xù)航能力。動(dòng)力電池本身也可以為交流充電樁供電，具備交流慢充的潛力。詳細(xì)工作過程如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

4 工程實(shí)例

以 Tesla Model 3、BYD E-SEED GT、GAC AION S 三款市場(chǎng)熱銷車型為例，進(jìn)行充電時(shí)間對(duì)比。其中，由動(dòng)力電池（放電倍率 0.2C）供電的交流慢充功率為 14 kW，由超級(jí)電容供電的直流快充功率為 120 kW（充電區(qū)間為 20 %～80 % SOC）。由表 1 可知，超級(jí)電容供電模式下，可有效提高電動(dòng)汽車的應(yīng)急補(bǔ)電效率，為電動(dòng)汽車車主減少充電等待時(shí)間，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 主流車型充電時(shí)間

5 結(jié)束語

隨著動(dòng)力電池和超級(jí)電容的退役高峰期即將到來，其梯次利用兼具環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)電池和電容的全壽命綜合應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益最大化的重要手段。筆者研究了基于超級(jí)電容與動(dòng)力電池混合梯次利用的可移動(dòng)充電系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能商業(yè)與示范工程實(shí)例，為充電場(chǎng)地限制、交通堵塞、氣溫驟降或電池性能下降等原因?qū)е碌男履茉雌囂濍娗闆r提供更加環(huán)保的低成本方案，同時(shí)也解決了退役動(dòng)力電池的大電流應(yīng)用瓶頸和超級(jí)電容的短續(xù)航短板。