基于退役電池的直掛母線式儲能系統研究

張 華 蘇學能 馬林森 萬承寬

（1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，成都 610000； 2. 成都星河科技責任有限公司，成都 610041）

0 引言

隨著我國經濟的發展，居民生活水平得到了顯著提高，私家車保有量實現了爆發性增長[1]，而汽車尾氣帶來的環境污染和溫室效應問題越來越突出[2]。為緩解環境壓力，國家“十二五”相關規劃將新能源相關產業列為重點發展和戰略性新興產業并對其加以扶持。統計數據顯示：2016年，中國新能源動力電池配套總容量達到28.14GW·h；2017年中國新能源汽車動力電池裝機總容量為36.24GW·h[3]。從企業保質期、電池循環使用壽命、車輛使用工況等方面綜合估計，自2018年開始新能源動力電池將進入規模退役階段，預計到2020年將有累計超過24.6GW·h容量的電池達到退役標準。一般來說，新能源汽車對動力電池的報廢標準是電池容量低于80%[4-5]，然而直接將剩余容量為70%～80%的動力電池進行資源化回收是極大的浪費，因此電動汽車退役電池的二次利用成為能源良性循環的必然需求。2016年，我國電動汽車退役電池再利用量還不到0.15萬t[6]，在2017年也只有不到0.4萬t退役電池進入二次利用環節，占到總容量的5%[7]。因此，尋找行之有效的退役電池再利用方案已成為亟需解決的關鍵問題[8]。

目前電動汽車退役電池的二次利用已受到許多學者的關注，學者們做了大量的基礎性研究工作。華北電力大學王維對動力電池開展了二次利用的經濟性研究，并為批量動力電池利用與儲能系統設計了篩選機制和評估方法[9]，這為退役電池的二次利用提供了理論依據。文獻[10]搭建了鋰電池的阻抗模型，據此研究鋰電池運行過程中的動態阻抗特性。文獻[11]基于實驗測試數據具體分析了退役電池的電化學性能，驗證了電動汽車退役鋰離子動力電池具有較高可靠性、安全性且深度充放電次數達750，能滿足儲能等要求不高的場合。考慮到我國大量退役動力電池亟需回收利用的現狀，文獻[12]建立了基于電動汽車快速充電站的經濟性評估模型，通過對比快速充電站不配置儲能、配置常規儲能和配置二次利用電池儲能等不同情況下的經濟性評估，確定了二次電池儲能系統最優容量配置方案，這可以為大型儲能站儲能電池的二次利用提供參考。動力電池的二次利用不僅有利于節能減耗，而且動力電池全壽命周期成本也會隨之降低，進而降低電動汽車的整車成本。

目前我國已有諸多企業或研究單位開始著手研究退役電池二次利用在大型儲能站及家用儲能等方面的商用方案，并有不少成功案例[13]。萬向電動汽車有限公司于2012年承擔國家863計劃，且已經開發出一整套電動汽車退役電池綠色回收處理的工藝技術，并建立了完整供應鏈的電池回收基地，回收基地實現了20t/年的退役鋰電池無害回收。2014年中國電力科學研究院、國網北京市電力公司與北京交通大學三方研究機構共同開展了一項100kW·h梯次利用儲能系統的工程示范項目[14]。充電站作為隨機性較強的不確定負荷，其工作過程中的功率波動對電網電壓影響較大，這樣會增加電網電壓波動及其諧波含量[15]。利用大功率儲能電池可以緩解因負載波動導致的電網電壓波動，然而大容量儲能電池的造價高，難以廣泛推廣，因此本文提出一種低成本的直掛母線式儲能系統實施方案。

本文搭建了基于退役電池的直掛母線式儲能系統，本儲能系統可以通過直流母線電壓與儲能電池出口電壓的差控制儲能電池組模塊的投入或退出，以實現儲能電池的充電或者放電功能。與傳統儲能系統相比，本儲能系統采用退役電池且無需投入電池管理系統和DC-DC模塊，大大節約了成本，實現了低成本下的自動充放電功能。

1 儲能系統分析

1.1 儲能系統模型

儲能系統結構如圖1所示。

圖1 儲能系統結構

1）直流配電網的額定功率為10kW，額定電壓為400V，GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》中指出直流網壓的波動范圍為-20%～5%，即設定工作電壓為320～420V。

2）儲能系統的投切開關都是獨立可控的。

3）儲能系統每個電池組模塊都可以獨立采集電壓，設定電池組模塊電壓分別為E1=300V，E2=48V，E3=24V，E4=12V，E5=6V，E6=3V，E7=12V，E8=6V，E9=3V。

儲能系統工作過程中包含以下兩種工作模式：

1）充電模式。通過控制Kij的開關狀態實現儲能系統電壓小于直流配電網電壓。

2）放電模式。通過控制Kij的開關狀態實現儲能系統電壓大于直流配電網電壓。

1.2 儲能系統保護系統

1）硬件保護

本儲能系統的硬件保護主要包括以雙向開關組成的電壓保護模塊和以熔斷器組成的電流保護模塊。

（1）本文中控制總開關S由兩個功率開關管MOSFET串聯組成，雙向控制開關如圖2所示。MOSFET串聯形式不僅可以控制電流方向，而且當外部電壓突變或電流過大時，可以迅速切除儲能系統進而有效保護儲能系統。當儲能電池組處于充電或者放電狀態時，S1和S2的通斷狀態是相反的，即充電或放電狀態下，S1和S2只有一個工作；這樣可以通過控制S1和S2的工作狀態來控制儲能系統的充電或者放電狀態，并且可以防止因電壓突變導致的充放電狀態轉換。當儲能系統處于待機狀態時，S1和S2都處于關斷狀態。

圖2 雙向控制開關

（2）線路串有熔斷器，其中熔斷器的最大承受電流設定為儲能電池組正常工作電流的1.5倍，這樣可以保證線路電流過大時，斷開直流母線和儲能系統的電氣連接。

2）軟件保護

本儲能系統的軟件保護是由軟件控制雙向開關來實現電流保護和電壓保護的。

（1）電壓保護：當檢測到母線電壓異常或者儲能系統電壓異常時，投退雙向控制開關。

（2）電流保護：當檢測到工作電流過大時，投退雙向控制開關。

軟件保護和硬件保護是儲能系統保護系統的兩種體現形式。其中軟件保護作為第一道防線可以實現無損傷的快速防護，若軟件保護功能失效或無法及時投退開關時，硬件保護功能作為第二道防線以硬通斷的方式切斷儲能系統和電網的電氣連接，保證電網和儲能系統的運行安全。

2 直流配電網系統分析

圖3所示為簡易直流配電網充放電原理，圖3中，三相交流電壓Ua、Ub、Uc經整流系統得到的直流電壓代表直流配電網系統，儲能系統端電壓為E，通過投切R2可以實現直流系統在輕載和重載間的轉換。其中，I1為直流配電網系統輸出電流，I2為儲能系統輸出電流，UL為直流負載的端電壓，r為線路電阻。

圖3 簡易直流配電網充放電原理

根據圖3可得

由式（1）可知，當輸入電壓UO不變時，其輸出電壓UL隨負載電流的增大而減小，故當系統處于重載時系統輸出電壓UL降低。為減小重載時的工作電流對負載電壓的影響，增加儲能電池為負載供電，使直流母線的線損減小，避免因線損導致的負載端電壓過低。

3 控制策略

控制流程如圖4所示，首先采樣各電池組模塊電壓及其開關狀態，然后根據充放電模式控制儲能電池各電池組模塊的工作狀態，實現儲能電池的自動調節功能。

圖4 控制流程

其具體操作流程如下：

1）初始化及采集數據。將所有儲能電池控制開關投入，即將圖1所示儲能系統開關K1、K2、…、Kn（合為1，開為0；其中Ki=1表示Ki1=0，Ki2=1）投入，總開關S投退，根據當前電壓估算所有電池荷電狀態（state of charge, SOC），即SOCi值，并分別為各電池組的充電和放電狀態標志位Ci和Fi賦值，執行完成后轉入2）。

2）采集所有電池組模塊的開關狀態量Ki及其電壓值Ei和直流配電網電壓E，根據開關狀態量Ki及其電壓值Ei計算當前儲能電池組的出口電壓U，得到儲能電池組電壓與直流配電網電壓之差ΔE，執行完成后轉入3）。

3）判斷當前儲能系統是否處在主動充放電狀態，若處于主動充放電時執行充放電控制邏輯，否則通過工作區間執行充電控制邏輯或放電控制邏輯，不在充放電工作區間則退出系統繼續執行2）。

4）充放電控制邏輯包括充電控制邏輯和放電控制邏輯。其中充電控制邏輯主要表現在：

（1）電池組監測。監測已投入的電池組是否完成充電，若監測到某電池組SOC為1且處于投入狀態，則通過主開關S判斷當前儲能系統是否已投入，若儲能系統投入則做標記記錄，若儲能系統未投入則退出開關并進入充電邏輯控制部分。

（2）儲能電池組狀態判斷。若監測到投入的儲能電池已完成充電或者儲能電池未完成充電但是系統無工作電流，則投退總開關及電池組的串聯開關，靜置5min后重新評估電池SOC，并據此對電池充放電狀態進行評估；若監測到投入的儲能電池未充滿則繼續執行（1）。

（3）充電邏輯。通過判斷電網電壓與電池組出口電壓的差值，來控制電池組模塊的投退，進而實現儲能電池組出口電壓滿足充電需求，結合閾值Eref控制充電過程中的最大電流，滿足條件后投入總開關S。

控制執行機構如圖5所示。放電控制邏輯與充電控制邏輯類似，不再贅述。

圖5 控制執行機構

4 仿真分析

基于圖3，利用Matlab/Simulink仿真工具搭建仿真模型，通過投切直流負載R2得到圖6所示電壓、電流的瞬態響應曲線。當投入R2時，因負載阻值變小，直流配電網的工作電流增大，使其損耗增大，直接導致其輸出電壓降低。設定負載電壓達到UL= 395V時，儲能電池可以自動投入為負載供電。從圖6可以看出，負載電壓驟降到閾值后可以迅速恢復平衡。在投入儲能電池后，儲能電池開始供電，直流配電網電壓提高；另外，在投入儲能電池時，由于儲能電池電壓與負載電壓的差較大，導致儲能電池投入瞬間會為負載供電，造成儲能電池在投入瞬間的工作電流突增。

圖6 投切重載時，電壓、電流的瞬態響應曲線

5 實驗驗證

考慮本實驗系統的容量較小，且投入的負載無法改變電網電壓，故本文中的實驗裝置主要驗證控制邏輯的正確性，系統參數見表1。

表1 系統參數

基于圖3所示原理圖，搭建了圖7所示的實驗 裝置，利用該實驗裝置進行測試。顯示器界面如圖8所示。圖9（a）為鋰電池組充電波形，初始狀態只有直流母線為負載供電，此時母線電壓為370V，在T0時刻投入電池組，儲能電池組監測到母線電壓值后，得到開關矩陣為A1=[1 0 1 1 1 1 1 0 0]，此時儲能系統的開路電壓為361V，并于T1時刻投入儲能系統總開關S，實現儲能系統與母線并網連接。當T2時刻直流母線電壓提高到395V，儲能系統的工作電流過大，通過軟件保護邏輯在Q點投退儲能系統總開關S，實現儲能電池組與儲能系統脫網運行，并于T3時刻將所有鋰電池開關投退，此時輸出電壓為零。儲能系統監測到當前母線電壓后，在T4時刻得到新的開關矩陣A2=[1 1 0 0 1 1 1 1 1]，此時開路電壓為387V，T5時刻投入總開關S，此時母線與儲能系統再次并網連接。同理，圖9（b）為鋰電池組放電波形，其投入串聯開關矩陣由a1= [1 1 1 1 0 0 0 0 0]變為a2=[1 1 0 0 1 1 1 1 1]。

圖7 實驗裝置

圖8 顯示器界面

圖9 充放電實驗波形

6 結論

為解決儲能電池再利用的難題，本文提出了一種基于退役電池的直掛母線式儲能系統，該儲能系統通過改變儲能電池模塊的投退狀態來控制儲能電池的端口電壓。利用Matlab/Simulink搭建的實驗平臺驗證了在電網電壓波動時，儲能電池可以快速可靠投入以穩定電網電壓，且可以通過在電網重載時使儲能系統處于放電狀態，而在電網輕載時使儲能系統處于充電狀態，來實現儲能電池組對電網的削峰填谷的作用，這對保證直流電網的可靠性和穩定性具有積極意義。