梯次利用电池在电动汽车充电系统中的应用探讨

李德胜，马秋阁



梯次利用电池在电动汽车充电系统中的应用探讨

李德胜1，马秋阁2

(1.江苏万帮德和新能源科技股份有限公司, 江苏 常州 213100； 2.江苏万帮德和新能源科技股份有限公司, 江苏 常州 213100)

近年来我国新能源电动汽车进入了快速增长期，退役动力电池回收和电动汽车入网对大电网的冲击问题亟待解决。分析目前电动汽车大规模接入对大电网容量和电能质量的影响以及退役动力电池在实际应用中存在的问题。将退役动力电池应用到电动汽车充电站中，结合风电、光电等分布式能源，组建风光储充一体化充电站。发展风光储充一体化电动汽车充电站可有效缓解退役动力电池回收和电动汽车大规模入网带来的问题。

梯次利用；电动汽车规模化；电网冲击；风光储充一体化电站

0 引言

随着全球不可再生能源的紧缺和环境污染问题的日益加重,电动汽车因其节能、环保等方面的显著优势而越来越受到重视[1]。据公安部交管局统计显示，截至2018年6月我国新能源汽车保有量达199万辆，占全球市场保有量50%以上，连续三年位居世界第一。国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，到2020年我国新能源汽车累计产销量需达到500万辆。中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计显示，截至2018年6月，累计建设充电桩约59.2万个，其中私人充电桩约32万个，公共充电桩约27万个。此外，国家能源局《2018年能源工作指导意见》中指出，2018年计划建成充电桩60万个，其中公共充电桩10万个，私人充电桩50万个。

有赖于技术提升和政策的扶持，2014—2015年我国新能源汽车取得了突飞猛进的发展。根据设计年限，动力电池寿命在5年左右[2]，据此测算2018年将迎来电动汽车动力电池的退役高峰期，到2020年报废量将高达30万吨，并且呈现逐年递增之势。对于退役电池，如果直接报废会对环境造成极大的危害，同时也是对电池价值的极大浪费。动力电池容量低于80%时将不满足电动汽车需求，此时电池容量仍然很大，而在其容量为80%~40%时可做梯次利用储能系统。

将退役电池梯次利用与电动汽车充电系统相结合，并接入风能、光能等分布式清洁能源构建新型风光储充一体化充电站，既可以缓解大规模电动汽车接入对电网的冲击，又能够解决大规模退役动力电池回收的问题。

1 电动汽车规模化带来的挑战

截至2017年底，我国电动汽车保有量已达160万辆；2018年7月3日，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，计划到2020年我国新能源汽车保有量达200万辆。如此大规模电动汽车接入电网，电网负荷急剧增加，势必会对现有城市配电网容量造成极大的冲击。目前，为了解决电动汽车充电难问题，各电动汽车充电设备制造企业大力研究和推广大功率充电和换电系统，大量大功率充电设施接入同样会对电网造成较大的冲击。电动汽车充电将影响电网的电能质量，导致电网损耗增加、影响设备寿命、对通信电路产生干扰等，同时造成电网电压畸变、功率因数下降，进而影响其他用电设备的正常运行[3]。

为了保证电网满足大规模电动汽车充电需求,同时减小充电对电网正常运行造成不良影响，需要研究充电站规模化建设时与电网的适应性[4]。曹玉强[5]研究了大规模电动车入网对电网的影响，结果表明，如果大规模电动汽车集中在负荷高峰时期充电，将加剧电网负荷峰谷差，加重电网的负担。而大量电动汽车无序充电时，会导致电网负荷峰值更大，增加电网调峰难度，加大配电容量的投资成本，加重输配电网的压力，同时又降低了电网安全性和可靠性[6]。

大规模电动车入网就需要增加电网容量，而增加配电设备容量，将会涉及变电站建设、线路建设、多部门协调及复杂的施工改造等问题，成本巨大，而且推动过程缓慢，这将不利于电动汽车的推广和普及。充电系统谐波治理方法[7-9]主要有增大单台充电机的滤波电感、减小充电机功率变换单元等效电阻、采用先进的功率因数校正技术代替普通的二极管整流桥、充电站安装电力有源/无源滤波器、协调每个充电站充电机的数量等[10]。无论采取哪种方法从电网侧应对大规模电动汽车的接入都会造成成本的增加。

2 梯次利用电池实际应用中的问题

随着电动汽车动力电池退役潮的临近，国内外学者对动力电池梯次利用进行了大量的研究，孙冬等人[11]在分析锂离子工作特性的基础上，研究了锂电池荷电状态估计、健康状态估计、健康因子、性能测试工况、数据融合、锂电池性能评价方法等利用的关键技术。王丰伟[12]从退役电池的筛选、状态识别以及级联式SOC自均衡控制等方面研究了退役电池梯次利用的关键技术。李臻，董会超[13]借助仪器测试了电动汽车退役动力电池的电化学性能，结果表明，从电动汽车上退役下来的动力电池经过分选重组后，梯次利用价值巨大。在25 ℃环境条件下，经过750次循环，电池容量还能保持到初始容量80%；倍率性能测试结果示，在2C放电状态下，放电平台电压可达到3.0 V，放电容量也在17 Ah以上。

由于动力电池价格昂贵，许多学者还对梯次利用电池在光储充充电站中应用的经济性进行了分析研究。HESSAMI M，BOWLY D R.[14]分析了大规模风能存储的经济性，通过建立模型，分析结果显示，在风电场建立储能系统具有巨大的投资价值。王维[15]除了研究动力电池梯次利用关键技术，还研究了动力电池梯次利用的经济性，通过案例分析发现当单价为1.08元/Wh时，储能系统的电池成本与储能系统产生的利润持平。因此，应该至少将储能系统的单价为1.08元/Wh以上时才能保证盈利。刘大贺，韩晓娟等人[16]建立了光伏电站储能系统优化规划和经济性评估模型，以满足并网波动率限制下储能容量成本最小为目标函数，分析了梯次电池储能在平抑光伏功率波动这一应用模式下的优化规划并对其进行经济性评估，算例表明了该模型的合理性和有效性。孙威等人[17]以微电网经济效益、企业环保指数、能源损失指标三项指数为目标，建立了多目标储能容量优化配置模型，采用快速非支配排序遗传算法(NSGAⅡ)对多目标优化模型进行求解，得出储能系统的最优配置容量。

虽然退役电池梯次利用在理论研究较多，实际应用中仍存在许多问题。在技术方面，梯次利用时电池的一致性与新电池差距较大，这对退役电池的成组使用够成了很大的障碍，另外，电池的容量、电压、内阻等在梯次利用时会在少数循环次数下形成跳崖式下跌。在政策方面，由于缺少政策的引导，动力电池销售后无法跟踪，电池运行状态和使用状况难以判断，动力电池报废后也难以追溯到生产厂家进行回收。在标准方面，动力电池型号众多，不同的电芯拆解成单体后难以再次成组，即使标准化程度高的18650电池在循环上千次后同一单体的容量、内阻、充放电特性也会存在差异，再次成组时一致性较差。

3 退役电池在风光储充一体化充电站中的应用

为了解决大规模电动汽车接入对电网的危害以及动力电池退役报废带来的双重危机，目前的解决方法是将电动汽车退役动力电池通过筛选、评估、重组应用到电动汽车充电站中，并结合光伏、风电等分布式能源组建风光储充一体化充电站。在风光储充一体化充电站内，重新配组的退役电池通过集中的控制在电网负荷低谷期充电，在电网高峰期或者故障时将能量通过多用途变流装置反馈给电动汽车。这样能够进一步发挥电池剩余价值，降低电池使用成本，对电网负荷进行“削峰填谷”，为电网提供增值服务。在梯次利用电池处于备用状态时，可接入电网用于储能，缓解电网峰谷差、参与系统频率调节、提供旋转应急备用、稳定电压支持、缓解输电拥塞等问题。

贾成真等人[18]为了平抑风电波动、保证储能荷电状态(SOC)跟踪给定目标值，通过模拟仿真，优化风储配比，提出了一种风储多时间尺度的柔性控制策略。马泽宇等人[19]以北京奥运会纯电动大巴车用退役动力电池为研究对象，在研究退役电池容量和内阻特性的基础上，分析了将退役电池梯次利用于储能系统可能带来的电池成组一致性问题。王泽众等人[20]设计了一种电池组充电均衡电路并搭建了电池组均衡测试平台，验证了在线均衡系统及控制策略的可行性和可靠性。并设计了容量为2 MW×3 h，由4个500 kW双向变流器并联组成的电池梯次利用储能站。通过电池梯次利用储能站结构、电能控制系统设计以及储能控制策略的制定，可以实现储能电站对动力电池的梯次利用、调节电网负荷，并且可以作为充换电站的应急和后备电源。李娜[21]分析了梯次利用电池储能全寿命周期成本,结合平准化成本(LCOE)分析原理，建立了考虑梯次利用电池运行特性和寿命特征的梯次利用电池储能平准化成本分析模型。并对比分析了梯次利用电池储能与新电池储能的平准化成本。分析了储能电站的充电来自弃风及增加政府补贴两种情景下梯次利用电池储能的经济性。章竹耀，郭晓丽等人[22]为了平抑风功率波动，并优化风电场出力特性，基于双电池组拓扑结构的电池储能系统提出了在短期内平抑风功率波动的新型控制策略在风电出力特性上不仅取得了较好的平抑效果，而且能降低因储能容量不足引起的瞬时大功率波动。在电池特性上，由于采用双BESS,很大程度上降低了电池充放电次数，延长了电池寿命。

4 梯次利用电池与电动汽车充电系统结合运行模式

在政策的大力扶持下，国内动力电池梯次利用取得了较大的进步，2017年9月，经过两个月的施工调试和试运行，国内首套MW级基于电动汽车退役动力电池梯次利用的工商业储能系统项目成功投运。该系统由9套20 kW/122 kWh储能基本单元并联组成，共计180 kW/1.1 MWh，运行时SOC设定为90%，系统的有效容量为1 MWh，使用具有温控系统和消防系统的集装箱，本地监控系统由煦达自主研发，可实现人机交互、数据分析、报表生成、战级监控和远程数据传输的功能。2017年11月由溧阳普莱德新能源公司投资建设的江苏省内首台汽车退役电池梯次储能系统成功投运，并顺利接入国网江苏省电力公司储能互动平台。该套能源储能系统是基于电动汽车退役动力电池梯次所组成的大型储能设备，由9套20 kW储能基本单元并联组成，功率共计180 kW，有效容量为1 MWh。

在国外动力电池的回收体系中，日本在回收处理废电池方面一直走在世界前列，从1994年10月起，日本电池生产商采用电池收回计划，建立起“电池生产—销售—回收—再生处理”的电池回收利用体系。这种回收再利用系统建立在每位厂家自愿努力的基础上，零售商家、汽车销售商和加油站免费从消费者那里回收废旧电池，最后由回收公司进行分解。

在欧美国家之中，其中，美国对于废电池的回收，主要以市场调节为主，政府通过制定环境保护标准对其进行约束管理，辅助执行废旧动力电池的回收;在英国，规定指出电池制造商应当肩负起实现回收目标的主要责任；而在德国，政府采取了立法回收，生产者承担主要责任，利用基金和押金机制建立了废旧电池回收体系市场化，均取得了良好的效果。

5 总结

由于国家政策的扶持和新能源汽车技术的成熟，我国新能源汽车发展迅速，退役电池的回收问题以及大规模电动汽车接入电网都面临着极大的挑战。将退役电池梯次利用与电动汽车充电站及分布式能源结合，建立风光储充电动汽车充电站，既可以解决退役动力电池回收问题，又能缓冲大规模电动汽车接入电网对电网带来的危害。

[1] 牛利勇. 纯电动公交充电系统关键技术研究[D]. 北京:北京交通大学, 2009.

NIU Liyong. Study on the key technology of the electric vehicles charging system[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2009.

[2] 高飞, 李建玲, 赵淑红. 锂动力电池寿命预测研究进展[J]. 电子元件与材料, 2009, 28(6): 79-83.

GAO Fei, LI Jianling, ZHAO Shuhong. Research progress on lithium-ion power battery life prediction[J]. Electronic Components and Materials, 2009, 28(6): 79-83.

[3] 高赐威, 张亮. 电动汽车充电对电网影响的综述[J]. 电网技术, 2011, 35(2): 127-131.

GAO Ciwei, ZHANG Liang. A survey of influence of electrics vehicle charging on power grid[J]. Power System Technology, 2011, 35(2): 127-131.

[4] 白高平. 电动汽车充(放)电站规模化建设与电网适应性研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2011.

BAI Gaoping. Research on the adaptability of large-scale electric vehicle charging (discharging) stations and the grid[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[5] 曹玉强. 大规模电动汽车对电网的影响研究[D]. 北京:华北电力大学, 2015.

CAO Yuqiang. Study on the influence of large-scale electric vehicle on power grid[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2015.

[6] KEMPTON W, TOMIĆ J. Vehicle-to-grid power implementation: from stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy[J]. Journal of Power Sources, 2005, 144(1): 280-294.

[7] 黄梅, 黄少芳. 电动汽车充电站谐波的工程计算方法[J]. 电网技术, 2008, 32(20): 20-23.

HUANG Mei, HUANG Shaofang. A harmonic engineering calculation method for electric vehicle charging station[J]. Power System Technology, 2008, 32(20): 20-23.

[8] 陈新琪, 李鹏, 胡文堂, 等. 电动汽车充电站对电网谐波的影响分析[J]. 中国电力, 2008, 41(9): 31-36.

CHEN Xinqi, LI Peng, HU Wentang, et al. Analysis of impacts of electric vehicle charger on power grid harmonic[J]. Electric Power, 2008, 41(9): 31-36.

[9] 周娟, 任国影, 魏琛, 等. 电动汽车交流充电桩谐波分析及谐波抑制研究[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(5): 18-25.

ZHOU Juan, REN Guoying, WEI Chen, et al. Harmonic analysis of electric vehicle AC charging spot and research on harmonic restriction[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(5): 18-25.

[10]滕乐天. 电动汽车充电机 (站) 设计[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

[11]孙冬. 锂离子电池梯次利用关键技术研究[D]. 上海:上海大学, 2016.

SUN Dong. Study on the key technology of secondary utilization of retired li-ion battery[D]. Shanghai: Shanghai University, 2016.

[12]王丰伟. 退役动力电池剩余容量梯次利用的关键技术研究[D]. 沈阳: 沈阳工程学院, 2017.

WANG Fengwei. Study on the key technology of the residual capacity of retarded power battery[D]. Shenyang: Shenyang Institute of Engineering, 2017.

[13]李臻, 董会超. 退役锂离子动力电池梯次利用可行性研究[J]. 电源技术, 2016, 40(8): 1582-1584.

LI Zhen, DONG Huichao. Feasibility study of secondary utilization of retired power[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2016, 40(8): 1582-1584.

[14] HESSAMI M A, BOWLY D R. Economic feasibility and optimisation of an energy storage system for Portland Wind Farm (Victoria, Australia)[J]. Applied Energy, 2011, 88(8): 2755-2763.

[15]王维. 动力电池梯次开发利用及经济性研究[D]. 北京:华北电力大学, 2015.

WANG Wei. Research on the cascade utilization and economy of power battery[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2015.

[16] 刘大贺, 韩晓娟, 李建林. 基于光伏电站场景下的梯次电池储能经济性分析[J]. 电力工程技术, 2017, 36(6): 27-31.

LIU Dahe, HAN Xiaojuan, LI Jianlin. Economic analysis of echelon battery energy storage based on artificial fish swarm algorithm[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(6): 27-31.

[17] 孙威, 修晓青, 肖海伟, 等. 退役动力电池梯次利用的容量优化配置[J]. 电器与能效管理技术, 2017(19): 72-76.

SUN Wei, XIU Xiaoqing, XIAO Haiwei, et al. Capacity allocation optimization of second-use of retired EV batteries[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2017(19): 72-76.

[18] 贾成真, 王灵梅, 孟恩隆, 等. 基于风电场集中储能的风储柔性控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(6): 30-37.

JIA Chengzhen, WANG Lingmei, MENG Enlong, et al. Research on flexible control strategy based on the centralized storage joint with wind farm[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(6): 30-37.

[19] 马泽宇, 姜久春, 文锋, 等. 用于储能系统的梯次利用锂电池组均衡策略设计[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(3): 106-111.

MA Zeyu, JIANG Jiuchun, WEN Feng, et al. Design of equilibrium strategy of echelon use li-ion battery pack or energy storage system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(3): 106-111.

[20] 王泽众, 李家辉. 电池梯次利用储能装置在电动汽车充换电站中的应用[J]. 电气自动化, 2012, 34(6): 49-50.

WANG Zezhong, LI Jiahui. Application of battery cascade utilization device in EV battery charging and swapping station[J]. Electrical Automation, 2012, 34(6): 49-50.

[21] 李娜, 刘喜梅, 白恺, 等. 梯次利用电池储能电站经济性评估方法研究[J]. 可再生能源, 2017, 35(6): 926-932.

LI Na, LIU Ximei, BAI Kai, et al. Research on the economic evaluation method of secondary battery energy storage[J]. Renewable Energy Resources, 2017, 35(6): 926-932.

[22] 章竹耀, 郭晓丽, 张新松, 等. 储能电池平抑风功率波动策略[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(3): 62-68.

ZHANG Zhuyao, GUO Xiaoli, ZHANG Xinsong, et al. Strategy of smoothing wind power fluctuation based on storage battery[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(3): 62-68.

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

李德胜(1980—)，男，通信作者，硕士研究生，副高级职称，研究方向为电动汽车充电系统，智能微电网，储能电站；E-mail: desheng.li@wanbangauto.com

马秋阁(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为智能微电网，储能式充电站。E-mail: qiuge.ma@wanbangauto.com