基于超级电容与动力电池混合梯次利用的可移动充电系统研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-23 09:53 热度：

　　摘要：笔者提出动力电池、超级电容退役后的梯次利用，设计可移动储能充电系统，同时针对已有动力电池梯次利用中电流小、充电慢的问题，提出退役动力电池与超级电容混合供电模式，提高充电效率。工程实际证明，所示设计方案与单一动力电池移动式充电系统相比，充电速率更高，具有较大实用性。

　　关键词：动力电池;超级电容;混合梯次利用;应急补电;移动充电;电动车;充电桩

　　0 引言

　　近年来，我国电动汽车规模不断壮大，如 2020 年国内新能源汽车产量为 136.6 万辆。与此同时，动力电池近 5 a 的年复合增长率超过 50 %，超级电容在有轨电车、电动汽车与混合动力汽车等诸多领域广泛应用[1]。如何妥善处理动力电池与超级电容退役的问题，是当前难点。另一方面，电动车大规模推广与充电桩建设滞后之间的矛盾日益凸显，一定程度上限制了电动汽车的发展与普及，所以电动汽车应急补电和移动充电等技术亟待提高[2]。

　　按照循环经济的理念，保持产品原来的结构和功能，过程中不削减产品的价值是资源处理的优先选项，所以按电池的损耗程度匹配次一级的应用场景(或称之为电池梯次利用)属于很好的示范[3-5]。国内暂未出现直接针对超级电容梯次利用的规范性文件，因此目前主要采用与动力蓄电池相关的适用条例[6]。移动式储能充电系统具有较大灵活性，可缓解充电桩建设不及时的问题，而且给电动汽车应急补电方案提供了新途径[7-10]。加之，已有退役后的动力电池、超级电容运用于充电系统的先例。因此，笔者提出一种基于超级电容与动力电池混合梯次利用的可移动充电系统，能挖掘出动力电池和超级电容梯次利用的应用载体，延缓其报废年限。

　　1 系统设计思路

　　由于退役动力锂电池仍具有一定剩余能量，因此这些电池经过重新筛选和配组后，仍可以应用于其他储能场合，实现退役电池的梯次利用。但是，国内量产乘用车的最大充电电流主要集中在 200～ 240 A，所以单纯利用退役动力电池的梯次利用无法提供稳定的大电流，难以实现工程化应用[11-12]。超级电容具有充电快速，比能量高，功率高(高于 3 kW/kg)，使用温度范围宽(-40～70 ℃)，寿命长，安全性高(满电穿刺、挤压等不爆炸)等优势，但是相对于动力电池来说，其能量密度较低[13-14]。因此，为了降低电力储能装备成本，优化储能配置，可以考虑综合退役动力电池和超级电容的梯次利用。笔者以此为思路，提出移动式储能充电系统，综合利用动力电池和超级电容的混合梯次的优势：超级电容为充电桩提供大电流输出，能在短时间为亏电的电动汽车应急补电，解决了退役动力电池的大电流应用瓶颈;动力电池提供较小的交流充电电流为超级电容充电，为超级电容的短续航提供“电能仓库”，向低能量、高功率密度的超级电容提供了更长的续航支持。

　　2 系统方案分析

　　基于超级电容与动力电池混合梯次利用的可移动充电系统，采用厢式载货车改装而成，以电动汽车退役的三元锂电池或磷酸铁锂电池为主要储能载体，以超级电容为辅助储能载体，配置移动式交流及直流充电桩。储能系统和充电桩安装于标准车厢改造成的车厢内，组合成紧凑的移动式充电站，可同时对多台不同种类的电动汽车进行慢速或快速充电，既可应用于快速补电场景，也可作为充电桩覆盖盲区的能量补充站。

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　　动力电池的充放电倍率越大，电池的化学反应越剧烈，发热越严重，其循环使用次数越少。为保证退役动力电池具有更高的循环使用寿命，在所提方案中，动力电池在梯次利用过程中采用 0.2C 放电倍率，主要对超级电容充电，同时具备向交流充电桩供电的能力。超级电容以大电流、大功率向直流充电桩充电。在移动式储能充电系统闲置或者行驶过程中，超级电容可由动力电池系统以较小的电流充电。移动式储能充电系统的框架如图 1 所示。其构成和功能主要包含以下 5 个方面：

　　2.1 移动平台

　　系统选用的厢式载货车整备质量为 7 105 kg，额定质量为 8 700 kg，货箱尺寸为 7 134 mm×2 434 mm× 2 550 mm。它配备直列四缸发动机，排量为 5 193 mL，最大扭矩 510 N•m，最大功率为 190 马力，最大速度为 95 km/h。搭载动力电池和超级电容时，在车身两侧同时配备交直流充电桩，可应对电动汽车因 电池亏电且处于无充电桩可用的情形。该移动式储能充电系统既能使用超级电容供电的直流充电桩为其进行应急补电，又能应用退役动力电池供电的交流充电桩为其进行慢充，满足不同场景的充电需要。

　　2.2 退役动力电池系统

　　磷酸铁锂电池退役后，在采用低倍率(0.2C～ 0.5C)放电环境下，循环寿命通常可达 2 000～6 000 次，且放电倍率越低，循环寿命相对更长[15]。同样情况下，三元锂电池在退役后的循环寿命仅为 800～ 2 000 次。此外，磷酸铁锂在安全性、制造成本、低温特性等方面要明显优于三元锂电池[16]。基于经济和实用原则，系统采用 3.2 V 20 Ah 磷酸铁锂动力电池。电压可以根据使用年限、电池体系及型号等历史数据分类重组。8 只单体电池串联组成一个电池组，30 个电池组串联组成一个电池簇，20 个电池簇并联成为一个电池系统(307.2 kW•h)。退役动力电池系统具备智能管理功能，监控锂电池组的综合健康状态，使系统运行在最佳工作状态。

　　2.3 退役超级电容系统超级电容供电系统

　　采用 60 kF 单体，共由 42 个模组(采用 3 并 6 串结构)组成。系统额定工作电压为 DC 630-860 V，最大工作电流为 600 A ，额定容量约 916.7 F，可用电量约 39 kW•h，最大输出功率超过 500 kW。移动式储能充电系统配备两套超级电容供电系统并联工作，可用于快充的电量为 78 kW•h。该系统既可以通过电网充电，也可通过退役动力电池系统完成充电，提供包括系统过压、过流、过温等相关保护，同时包含能量检测、绝缘检测、通信检测等测量功能。

　　2.4 充电设备

　　车载充电装置中，采用直流充电技术进行应急补电，直流充电桩由超级电容供电(单枪最大输出功率为 120 kW)。直流充电桩的直流输出电压为 200～750 V，最大直流输出电流为 300 A。设备整机功率根据模组灵活配置，输出功率可随车辆负载自动调节，可为电动汽车高效充电。采用交流充电技术进行常规充电。交流充电桩由退役动力电池供电(额定功率 14 kW，额定电流为 32 A × 2，三相交流额定电压为(1 ± 20 %)380 V)，具备过流保护、过欠压保护、急停保护、PWM 异常保护、连接异常保护等保护机制。

　　2.5 服务云平台

　　移动式储能充电系统服务云平台包括智能充电系统、车主服务系统、运营服务系统和现场监控系统(参见图 2)。云平台相当于“神经中枢”，主要负责整个系统的信息传输与决策。智能充电监测系统包含信息采集模块和充电控制模块，主要用于储能系统信息的采集和充电过程的控制。现场监控系统通过有线方式与智能充电系统通信，通过无线方式与云平台通信，实现数据的计算与传输，将整个移动式储能充电系统与地面控制云平台统一成一个整体。车主服务系统和运营服务系统通过云平台的大数据服务，可智能获取不同地区的充电需求，也能让电动车主便捷地获取定制化的充电服务，并可通过手机 APP 一键掌握充电过程，不再因为找不到充电桩而导致用车焦虑。移动式储能充电系统服务云平台数据传输稳定，系统响应速度快，人机交互界面友好，具备较强的市场竞争力。

　　3 工作流程

　　移动式储能充电系统在车库内通过地面充电站对车载动力电池和超级电容进行补充电。待载货车到达临时补电场地，可由超级电容对亏电的电动汽车进行快速充电。在供电的间隔时间段，动力电池 系统可提供较小的电流为超级电容充电，为其提供更长的续航能力。动力电池本身也可以为交流充电桩供电，具备交流慢充的潜力。详细工作过程如图 3 所示。

　　4 工程实例

　　以 Tesla Model 3、BYD E-SEED GT、GAC AION S 三款市场热销车型为例，进行充电时间对比。其中，由动力电池(放电倍率 0.2C)供电的交流慢充功率为 14 kW，由超级电容供电的直流快充功率为 120 kW(充电区间为 20 %～80 % SOC)。由表 1 可知，超级电容供电模式下，可有效提高电动汽车的应急补电效率，为电动汽车车主减少充电等待时间，具有良好的工程应用价值。

　　5 结束语

　　随着动力电池和超级电容的退役高峰期即将到来，其梯次利用兼具环保和经济价值，是实现电池和电容的全寿命综合应用与经济效益最大化的重要手段。笔者研究了基于超级电容与动力电池混合梯次利用的可移动充电系统，通过储能商业与示范工程实例，为充电场地限制、交通堵塞、气温骤降或电池性能下降等原因导致的新能源汽车亏电情况提供更加环保的低成本方案，同时也解决了退役动力电池的大电流应用瓶颈和超级电容的短续航短板。——论文作者：吴芳榕，张峰玉，刘骞，沈言锦，唐林英

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文章名称：基于超级电容与动力电池混合梯次利用的可移动充电系统研究

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