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华南理工大学康龙云:动力电池梯次利用若干关键技术研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-06-11 浏览:

中国储能网讯:5月24日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业,1952位嘉宾参加了本届大会,其中88家企业展示了储能产品。

在5月26日下午的“新型储能技术及应用”专场,华南理工大学教授康龙云分享了主题报告《动力电池梯次利用若干关键技术研究》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

康龙云:大家下午好!很荣幸今天受会务组邀请在这里与大家学习交流。我这次来和大家主要交流储能系统方面的一些研究课题,我们华南理工大学主要是做BMS的管理系统中的电池寿命预测及能量均衡等这方面的研究。

前面很多专家都讲了,我们自然界很多像锂离子电池材料等的资源是有限的,现阶段普及电动汽车,需要大量的锂离子电池做动力电源或储能电池,如果锂材料十年左右用尽,则没等化石燃料石油用完,锂电池材料率先枯竭,将给我们社会带来很严峻的问题。

我国当前在能源交通领域遇到两大难题:第一,分布式能源对电力系统的影响。众所周知,分布式新能源,如太阳能、风能等,说来就来,说走就走。如何用储能来解决间歇式能源的有效利用,是摆在我们面前的一个大问题。第二,电动汽车的普及带来的困扰。随着替代常用汽车而兴起的电动汽车的普及,给我们带来的困扰是动力电池如何回收处理的问题。使用电动车的时候,人类周边环境污染是减少了,但是退役的电池怎么处理,它又隐藏着更大的污染问题。所以大家又提出了动力电池的梯次再利用,而这一举动实际上根本的问题是解决不了的。

对电力系统而言,储能的功能就是直接或间接提供系统的调节能力,消除电力供应和需求之间的差异,保证电力系统灵活与稳定运行。我们国家电力系统是国有企业,南网和国网是我回国以后分离的(2000年从国外回来),而部分国外的电力公司都是私营的,所以它们公司自己根据自己的经营情况来运营,使电力系统稳定运行。传统的电力系统,储能配置在一次能源,怎么讲呢?就是说煤厂、油罐、水库等,如果电力系统负荷小的时候,我就少烧点煤,油罐喷油少一点,水库的水量放小一点,用这个来平衡电力系统。它的功率调节能力最大也就是60%-70%,如果负荷连60%-70%都不到的话,必须把这个多发出来的电能量从电网中放掉才能够维持电网电压频率的稳定,我们现有的电力系统是这样的。

近年来新能源等分布式能源的介入,使传统电力系统功率调节能力减弱,同时更加恶化了传统电力系统的调节能力,这样需要我们引入更多的储能单元来调节电力系统使之稳定运行。储能单元能够放在电源侧、电网侧或负荷端都可以参与干预电网的调节,也可以放在电网侧用于系统备用,缓解输变电设备阻塞。也可以用在负荷端,用于提高电能质量,参与需求侧响应,可以当作UPS使用。综上所述,电力系统引入储能是势在必行。

从电动汽车的发展趋势来看,势必带来动力电池的报废和处理,废旧动力电池的处理势必对环境带来污染。我们都知道,2016-2020年,新能源汽车销量的变化趋势,从这里可以看出,基本上是按指数增长,2019年稍微下降一点,之后又开始上升。这些电动汽车增长的背后,涉及到电池的淘汰与回收,就是说我们大家都知道,手机电池一般是2-3年后性能明显就下降,电动汽车动力电池也是一样的。我们国家规定了8年免维护这样的政策,但是实际上很少有锂电池放在电动汽车上8年免维护一直用下去。

这个动力电池回收的时间什么时候来临?从现在这个表来看,这个图是动力电池的生产量,生产出来以后过3之5年时间肯定要淘汰和报废。若是电动出租车的话,要白天黑夜的运行,可能淘汰的更快一些,自家用电动车,一天可能开1之2个小时,可能稍微淘汰的慢一点,但是也是迟早的事情。

这是2021年全国公交车保有量统计预测,全国汽车2.81亿辆,全国新能源汽车551万辆,公交车75万辆,全国新能源公交是46.61万辆,广东省7万辆,新能源公交车5.8万辆,这些是到期一定要更换电池的车。

新华网报道,据预测,2021年退役电池的市场容量,作为新能源汽车产业的重要一环,2020年我国动力电池累计退役量约20万吨,预计到2025年,中国动力锂电池退役量超过73万吨,其中70%可大功率利用,市场规模超过200亿元人民币。

如何理解动力电池梯次利用?这还是有一些争议的问题,就是说到底梯次利用有没有其经济价值和社会价值?回收的二手动力电池的能量存储效率比较低,梯次利用是否经济上划算?这一问题需要思考。现在部分储能站就上新的动力电池,这可以理解。但是梯次利用有这样的好处与隐患:第一,动力电车的梯次利用可延长电池使用(寿命)周期。可缓解环境污染的压力。污染来临的时间可能会往后推迟。第二,可参与电力系统调频、调峰,提高电能质量。第三,这个梯次利用不能根本性解决环境污染问题,电池的废弃与回收是早晚要到来的,第四,还有一个是存在的问题是消防安全隐患。消防安全隐患,为什么在这里说这个事?回收电池更容易产生消防隐患。

刚才前面专家也都讲了,梯次利用的首要解决的问题,是对回收电池的准确辨识,这是重要的,就像人不要得了病以后才去治病,得病之前先预防,像我们到了癌症晚期去治疗,治疗成功率比较低,要早期诊断及时治疗根除。我们华南理工大学团队里,博士生研究生基本都是做理论上的电池(SOH、SOC、SOP)辨识的研究,看看用什么方法能够早日发现回收中有问题的电池单元或电池组,一旦准确地判断出了哪个电池是什么状态或者某一个PACK的状态,我们就有办法采取措施进行维护和管理。就是说,用什么拓扑或者用什么方式,进行优化或切除某单元等等。华南理工大学电力学院新能源实验室主要围绕着这两个内容进行研究和开发。

SOH判断有很多种方法:第一,实验法。这方法一般是在企业里做的比较多,把回收的电池解剖分析,一年、两年、三年的电池里面都发生什么现象,分析这些数据,然后进行判断正在使用的电池的健康状态,可估计可能马上要发生什么事情。有损实验法、无损实验法,我就不一一念了。第二,模型法。包括电化学模型、等效模型等等。第三,数据驱动法。智能控制专业学者多用这个方法的比较多,包括我们华南理工大学的研究团队。研究从已经存在的数据入手,这个难度比较大,涉及到大数据问题,因为历史数据相当庞大,在提取有效特征值以后,要巧妙判断电池是什么状态。第四,融合法。我认为这个方法是比较科学合理的,利用各种方法有点交叉利用,可以进行综合性的判断和分析。

预测方法都各有优缺点,我就不再一一念了,这里都写的非常详细。

经过以上分析与判断以后,若知道了每一单元,每一节电池什么状态,就可开始设计BMS拓扑与管理软件,根据判断出的数据,你就采用不同的控制方法来保护某个电池包或个体电池,就是这个道理。这张图是一个电感型均衡电路结构图,它的电池均衡管理的核心是将能量高的电池的能量传递给能量低的电池,使得各个电池之间能量均衡。假设B1能量高,B2能量低,那么将电池B1能量通过电感给B2再次充电,这就是一种能量均衡方法。

还有一种方法是谐振型均衡电路结构法,如图所示,假设电池B1能量高,通过电池电路形成这样的闭环,在谐振的正半周的时候,给谐振电路中的Cr充电,在振荡后半周的时候,再给这两个能量欠缺的电池放电,如图给B3、B4充电,反向的时候是再次充电。我们华南理工大学电力学院研究实验室已经有将近50多个相关发明专利,这两个只是例举,还有其他很多种拓扑案例。

这是华南理工大学电力学院新能源研究实验室研究平台与部分开发的PCB板。我非常赞同许烈教授等专家的讲法,以后的动力电池除了锂锂子电池以外,还有很多种其他材料动力电池,只抓住电池的一致性而进行电池管理,有一定难度,也不太科学。电池用久了肯定要产生差异,作为一个优秀的BMS系统,应该怎么办呢?应该是从它的物理现象来判断某个电池的状况,来进行优化运行,让每一个电池(组)各尽其能,这才是电池管理系统的正确的管理思路。我们华南理工大学实验室也是在不断开发和研究更加智能化,更加合理的BMS系统。希望在座的有关电池企业,愿意和华南理工大学合作的公司,我们愿意与企业交流与沟通,我们愿意共享我们的专利,为电池储能事业做出贡献。

我就讲以上这些内容,谢谢各位聆听!

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关键字:动力电池 梯次利用

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