梯次利用電池在電動汽車充電系統中的應用探討

李德勝，馬秋閣

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梯次利用電池在電動汽車充電系統中的應用探討

李德勝1，馬秋閣2

(1.江蘇萬幫德和新能源科技股份有限公司, 江蘇 常州 213100； 2.江蘇萬幫德和新能源科技股份有限公司, 江蘇 常州 213100)

近年來我國新能源電動汽車進入了快速增長期，退役動力電池回收和電動汽車入網對大電網的沖擊問題亟待解決。分析目前電動汽車大規模接入對大電網容量和電能質量的影響以及退役動力電池在實際應用中存在的問題。將退役動力電池應用到電動汽車充電站中，結合風電、光電等分布式能源，組建風光儲充一體化充電站。發展風光儲充一體化電動汽車充電站可有效緩解退役動力電池回收和電動汽車大規模入網帶來的問題。

梯次利用；電動汽車規模化；電網沖擊；風光儲充一體化電站

0 引言

隨著全球不可再生能源的緊缺和環境污染問題的日益加重,電動汽車因其節能、環保等方面的顯著優勢而越來越受到重視[1]。據公安部交管局統計顯示，截至2018年6月我國新能源汽車保有量達199萬輛，占全球市場保有量50%以上，連續三年位居世界第一。國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》，到2020年我國新能源汽車累計產銷量需達到500萬輛。中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟統計顯示，截至2018年6月，累計建設充電樁約59.2萬個，其中私人充電樁約32萬個，公共充電樁約27萬個。此外，國家能源局《2018年能源工作指導意見》中指出，2018年計劃建成充電樁60萬個，其中公共充電樁10萬個，私人充電樁50萬個。

有賴于技術提升和政策的扶持，2014—2015年我國新能源汽車取得了突飛猛進的發展。根據設計年限，動力電池壽命在5年左右[2]，據此測算2018年將迎來電動汽車動力電池的退役高峰期，到2020年報廢量將高達30萬噸，并且呈現逐年遞增之勢。對于退役電池，如果直接報廢會對環境造成極大的危害，同時也是對電池價值的極大浪費。動力電池容量低于80%時將不滿足電動汽車需求，此時電池容量仍然很大，而在其容量為80%~40%時可做梯次利用儲能系統。

將退役電池梯次利用與電動汽車充電系統相結合，并接入風能、光能等分布式清潔能源構建新型風光儲充一體化充電站，既可以緩解大規模電動汽車接入對電網的沖擊，又能夠解決大規模退役動力電池回收的問題。

1 電動汽車規模化帶來的挑戰

截至2017年底，我國電動汽車保有量已達160萬輛；2018年7月3日，國務院印發《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，計劃到2020年我國新能源汽車保有量達200萬輛。如此大規模電動汽車接入電網，電網負荷急劇增加，勢必會對現有城市配電網容量造成極大的沖擊。目前，為了解決電動汽車充電難問題，各電動汽車充電設備制造企業大力研究和推廣大功率充電和換電系統，大量大功率充電設施接入同樣會對電網造成較大的沖擊。電動汽車充電將影響電網的電能質量，導致電網損耗增加、影響設備壽命、對通信電路產生干擾等，同時造成電網電壓畸變、功率因數下降，進而影響其他用電設備的正常運行[3]。

為了保證電網滿足大規模電動汽車充電需求,同時減小充電對電網正常運行造成不良影響，需要研究充電站規模化建設時與電網的適應性[4]。曹玉強[5]研究了大規模電動車入網對電網的影響，結果表明，如果大規模電動汽車集中在負荷高峰時期充電，將加劇電網負荷峰谷差，加重電網的負擔。而大量電動汽車無序充電時，會導致電網負荷峰值更大，增加電網調峰難度，加大配電容量的投資成本，加重輸配電網的壓力，同時又降低了電網安全性和可靠性[6]。

大規模電動車入網就需要增加電網容量，而增加配電設備容量，將會涉及變電站建設、線路建設、多部門協調及復雜的施工改造等問題，成本巨大，而且推動過程緩慢，這將不利于電動汽車的推廣和普及。充電系統諧波治理方法[7-9]主要有增大單臺充電機的濾波電感、減小充電機功率變換單元等效電阻、采用先進的功率因數校正技術代替普通的二極管整流橋、充電站安裝電力有源/無源濾波器、協調每個充電站充電機的數量等[10]。無論采取哪種方法從電網側應對大規模電動汽車的接入都會造成成本的增加。

2 梯次利用電池實際應用中的問題

隨著電動汽車動力電池退役潮的臨近，國內外學者對動力電池梯次利用進行了大量的研究，孫冬等人[11]在分析鋰離子工作特性的基礎上，研究了鋰電池荷電狀態估計、健康狀態估計、健康因子、性能測試工況、數據融合、鋰電池性能評價方法等利用的關鍵技術。王豐偉[12]從退役電池的篩選、狀態識別以及級聯式SOC自均衡控制等方面研究了退役電池梯次利用的關鍵技術。李臻，董會超[13]借助儀器測試了電動汽車退役動力電池的電化學性能，結果表明，從電動汽車上退役下來的動力電池經過分選重組后，梯次利用價值巨大。在25?℃環境條件下，經過750次循環，電池容量還能保持到初始容量80%；倍率性能測試結果示，在2C放電狀態下，放電平臺電壓可達到3.0 V，放電容量也在17 Ah以上。

由于動力電池價格昂貴，許多學者還對梯次利用電池在光儲充充電站中應用的經濟性進行了分析研究。HESSAMI M，BOWLY D R.[14]分析了大規模風能存儲的經濟性，通過建立模型，分析結果顯示，在風電場建立儲能系統具有巨大的投資價值。王維[15]除了研究動力電池梯次利用關鍵技術，還研究了動力電池梯次利用的經濟性，通過案例分析發現當單價為1.08元/Wh時，儲能系統的電池成本與儲能系統產生的利潤持平。因此，應該至少將儲能系統的單價為1.08元/Wh以上時才能保證盈利。劉大賀，韓曉娟等人[16]建立了光伏電站儲能系統優化規劃和經濟性評估模型，以滿足并網波動率限制下儲能容量成本最小為目標函數，分析了梯次電池儲能在平抑光伏功率波動這一應用模式下的優化規劃并對其進行經濟性評估，算例表明了該模型的合理性和有效性。孫威等人[17]以微電網經濟效益、企業環保指數、能源損失指標三項指數為目標，建立了多目標儲能容量優化配置模型，采用快速非支配排序遺傳算法(NSGAⅡ)對多目標優化模型進行求解，得出儲能系統的最優配置容量。

雖然退役電池梯次利用在理論研究較多，實際應用中仍存在許多問題。在技術方面，梯次利用時電池的一致性與新電池差距較大，這對退役電池的成組使用夠成了很大的障礙，另外，電池的容量、電壓、內阻等在梯次利用時會在少數循環次數下形成跳崖式下跌。在政策方面，由于缺少政策的引導，動力電池銷售后無法跟蹤，電池運行狀態和使用狀況難以判斷，動力電池報廢后也難以追溯到生產廠家進行回收。在標準方面，動力電池型號眾多，不同的電芯拆解成單體后難以再次成組，即使標準化程度高的18650電池在循環上千次后同一單體的容量、內阻、充放電特性也會存在差異，再次成組時一致性較差。

3 退役電池在風光儲充一體化充電站中的應用

為了解決大規模電動汽車接入對電網的危害以及動力電池退役報廢帶來的雙重危機，目前的解決方法是將電動汽車退役動力電池通過篩選、評估、重組應用到電動汽車充電站中，并結合光伏、風電等分布式能源組建風光儲充一體化充電站。在風光儲充一體化充電站內，重新配組的退役電池通過集中的控制在電網負荷低谷期充電，在電網高峰期或者故障時將能量通過多用途變流裝置反饋給電動汽車。這樣能夠進一步發揮電池剩余價值，降低電池使用成本，對電網負荷進行“削峰填谷”，為電網提供增值服務。在梯次利用電池處于備用狀態時，可接入電網用于儲能，緩解電網峰谷差、參與系統頻率調節、提供旋轉應急備用、穩定電壓支持、緩解輸電擁塞等問題。

賈成真等人[18]為了平抑風電波動、保證儲能荷電狀態(SOC)跟蹤給定目標值，通過模擬仿真，優化風儲配比，提出了一種風儲多時間尺度的柔性控制策略。馬澤宇等人[19]以北京奧運會純電動大巴車用退役動力電池為研究對象，在研究退役電池容量和內阻特性的基礎上，分析了將退役電池梯次利用于儲能系統可能帶來的電池成組一致性問題。王澤眾等人[20]設計了一種電池組充電均衡電路并搭建了電池組均衡測試平臺，驗證了在線均衡系統及控制策略的可行性和可靠性。并設計了容量為2 MW×3 h，由4個500 kW雙向變流器并聯組成的電池梯次利用儲能站。通過電池梯次利用儲能站結構、電能控制系統設計以及儲能控制策略的制定，可以實現儲能電站對動力電池的梯次利用、調節電網負荷，并且可以作為充換電站的應急和后備電源。李娜[21]分析了梯次利用電池儲能全壽命周期成本,結合平準化成本(LCOE)分析原理，建立了考慮梯次利用電池運行特性和壽命特征的梯次利用電池儲能平準化成本分析模型。并對比分析了梯次利用電池儲能與新電池儲能的平準化成本。分析了儲能電站的充電來自棄風及增加政府補貼兩種情景下梯次利用電池儲能的經濟性。章竹耀，郭曉麗等人[22]為了平抑風功率波動，并優化風電場出力特性，基于雙電池組拓撲結構的電池儲能系統提出了在短期內平抑風功率波動的新型控制策略在風電出力特性上不僅取得了較好的平抑效果，而且能降低因儲能容量不足引起的瞬時大功率波動。在電池特性上，由于采用雙BESS,很大程度上降低了電池充放電次數，延長了電池壽命。

4 梯次利用電池與電動汽車充電系統結合運行模式

在政策的大力扶持下，國內動力電池梯次利用取得了較大的進步，2017年9月，經過兩個月的施工調試和試運行，國內首套MW級基于電動汽車退役動力電池梯次利用的工商業儲能系統項目成功投運。該系統由9套20 kW/122 kWh儲能基本單元并聯組成，共計180 kW/1.1 MWh，運行時SOC設定為90%，系統的有效容量為1 MWh，使用具有溫控系統和消防系統的集裝箱，本地監控系統由煦達自主研發，可實現人機交互、數據分析、報表生成、戰級監控和遠程數據傳輸的功能。2017年11月由溧陽普萊德新能源公司投資建設的江蘇省內首臺汽車退役電池梯次儲能系統成功投運，并順利接入國網江蘇省電力公司儲能互動平臺。該套能源儲能系統是基于電動汽車退役動力電池梯次所組成的大型儲能設備，由9套20 kW儲能基本單元并聯組成，功率共計180 kW，有效容量為1 MWh。

在國外動力電池的回收體系中，日本在回收處理廢電池方面一直走在世界前列，從1994年10月起，日本電池生產商采用電池收回計劃，建立起“電池生產—銷售—回收—再生處理”的電池回收利用體系。這種回收再利用系統建立在每位廠家自愿努力的基礎上，零售商家、汽車銷售商和加油站免費從消費者那里回收廢舊電池，最后由回收公司進行分解。

在歐美國家之中，其中，美國對于廢電池的回收，主要以市場調節為主，政府通過制定環境保護標準對其進行約束管理，輔助執行廢舊動力電池的回收;在英國，規定指出電池制造商應當肩負起實現回收目標的主要責任；而在德國，政府采取了立法回收，生產者承擔主要責任，利用基金和押金機制建立了廢舊電池回收體系市場化，均取得了良好的效果。

5 總結

由于國家政策的扶持和新能源汽車技術的成熟，我國新能源汽車發展迅速，退役電池的回收問題以及大規模電動汽車接入電網都面臨著極大的挑戰。將退役電池梯次利用與電動汽車充電站及分布式能源結合，建立風光儲充電動汽車充電站，既可以解決退役動力電池回收問題，又能緩沖大規模電動汽車接入電網對電網帶來的危害。

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Application of recycle-battery in electric vehicle charging system

LI Desheng1, MA Qiuge2

(1. Jiangsu Wanbang Dehe New Energy Technology Co., Ltd, Changzhou 213100, China; 2. Jiangsu Wanbang Dehe New Energy Technology Co., Ltd, Changzhou 213100, China)

New energy electric vehicles in China have been developing rapidly in the past few years. The problems of batteries recycling and shock on power gridwhen electric vehicles access to power grid need to be solved urgently. The impact on grid capacity and power quality because of large-scale electric vehicles access and the application of decommissioned power batteries are analyzed. This paper applies decommissioned power battery to electric vehicle charging station, and combines it with distributed energy such as wind power and photoelectric to establish a wind-PV-storage-charging integrated station. The development of wind-PV-storage-charging integrated electric vehicle charging station can effectively alleviate the problems caused by the recycling of decommissioned power batteries and the large-scale access of electric vehicles.

battery cascade utilization; large scale of EV; grid impact; wind-PV-storage-charging integrated station

2018-06-12；

2018-07-22

李德勝(1980—)，男，通信作者，碩士研究生，副高級職稱，研究方向為電動汽車充電系統，智能微電網，儲能電站；E-mail: desheng.li@wanbangauto.com

馬秋閣(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為智能微電網，儲能式充電站。E-mail: qiuge.ma@wanbangauto.com