梯次利用储能电站的电池SOC估算方法研究文献综述
2020-04-14 17:29:14
自新世纪以来,以化石能源为基础的运输方式使能源短缺和环境污染成为汽车工业发展的两大挑战。全球汽车保有量急剧增加。据不完全统计,2011年超过10亿,2015年达到11.2亿。在此期间,中国的汽车保有量上升到世界第二位。汽车消耗的石油量占总产量的一半以上,全球经济的发展在很大程度上取决于石油,煤炭,天然气等可再生能源的消耗,而能源的使用传统汽车利用率不足,产生大量的环境污染物,如灰尘和二氧化碳,以及温室气体。因此,绿色能源的发展逐渐引起了广泛的关注。人们普遍认为,新能源汽车的发展将成为解决能源危机和环境污染的主要途径。以替代燃料和电力驱动为代表的新型汽车能源动力技术正在蓬勃发展。发展引发了新的技术变革。
新能源汽车是以除了传统的化石燃料的其他能源作为动力。新能源汽车根据其燃料以及动力装置的不同可分为电动汽车、气体燃料汽车、氢燃料动力汽车、以及生物燃料动力汽车等。而其中电动汽车又分为纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池电动汽车。电动汽车的三大核心技术主要有电池技术、电控技术、电机技术。
电池组是电动汽车驱动力的核心来源,电池的性能对电动汽车的发展具有决定性的影响。新能源电池分为铅酸电池,镍氢电池和镍镉电池,以及锂电池。铅酸蓄电池技术相对成熟,成本低,可以高速放电。然而,铅酸电池具有低能量比,比功率和能量密度。镍氢电池和镍镉电池比铅酸电池具有更好的性能,但镍镉含有重金属,废弃后会造成环境污染。传统的铅酸电池,镍镉电池和镍氢电池在自己的技术上相对成熟,但它们被用作汽车中的动力电池有较大问题。目前,越来越多的汽车制造商选择使用锂电池作为新能源汽车的动力电池。由于锂离子动力电池具有以下优点:工作电压高(是镍镉电池氢镍电池的三倍);比能量大,体积小,重量轻,循环寿命长,自放电率低,无记忆效应,无污染等。锂离子动力电池主要使用三元,磷酸铁锂,钛酸锂等。磷酸铁电池因其良好的热稳定性,高安全性,低价格和长循环寿命而广泛应用于电动公交车。三元电池的价格略高于磷酸铁锂,但具有能量密度高,循环寿命长,成本低,整车重量轻的优点。与磷酸铁锂电池相比,三元热稳定性稍差。钛酸锂电池具有长的循环寿命,可以实现10,000次以上的充放电循环。它比普通锂电池和钛酸锂具有更快的充电性能。其充电速率不仅达到6℃,相当于磷酸铁锂和三元。还可以实现电化学超级电容器10C的速率充电。
近年来,在我国政府的支持下,电动汽车市场规模迅速发展。然而,当电动车辆的动力电池容量衰减到80%时,它将不能满足电动车辆的适用标准。预计动力电池将在未来几年内进入大规模回收阶段。虽然退役动力电池不能满足其在电动汽车领域的性能要求,但它仍然可以在储能领域发挥作用。与此同时,储能电池的高成本也限制了中国电池储能行业的推广和应用。因此,将低成本的退役动力电池梯用于储能系统具有重要意义。
对于退役的动力电池,直接废料回收肯定会对环境造成很大的危害。同时,它也极大地浪费了电池价值,因为退役动力电池不能满足其在电动汽车应用中的性能要求,但仍能在其他情况下发挥其作用。其中最重要的用途是能源储存领域,如可再生能源发电,微电网,电动汽车充电站,以及家用备用电源。从电动汽车的角度来看,动力电池的成本几乎占电动汽车成本的三分之一。因此,如果可以使用退役动力电池,则电动车的成本将在一定程度上降低。将电动车退役电池应用于蓄电不仅可以降低储能电站的投资成本,还可以最大限度地利用电池资源,减少环境污染。目前,我国已有一些示范项目的初步探索,已建成一座亿级梯形电池储能电站。将回收电池的规模应用于电力存储将降低电力存储的成本并改善电池生产的环境效益。这对储能行业和电池生产行业都具有重要意义。
国外学者对储能的经济性进行了研究, 并取得了相应的研究成果。 美国电科院探讨了储能的经济性,并开发了一套经济性评估软件。 Pawel分析了储能的成本, 并提出了将储能用于可再生能源并网的经济性评估方法。 美国可再生能源实验室分别对储能用于削峰、 用于备用和同时用于削峰和备用的经济价值进行了定量分析 。Dale M 使用全寿命周期成本及平准化成本(Levelized Cost of Energy, LCOE)分析方法对比分析了风电、光伏及火电的经济性。 DNV GL 集团研究开发了一系列软件, 用于储能系统的经济性分析,为政府和投资者投资决策提供了分析工具。为评估储能的成本效益,Navigant 咨询公司开发了一套储能计算工具(ESCT),该工具既能分析运营中储能项目,也可用于分析预期或规划的项目。
与国外相比,中国研究机构和学者对储能经济评价的研究起步较晚。中国工程院院士杨玉生院士提出了YCC指数分析方法。中国科学院工程热物理研究所陈海生教授计算了六种不同情景下不同类型储能电站的投资回报率,投资回收期和内部收益率,重点关注税收政策对能源的影响存储经济。 。河南电力科学研究院对退役电池储能系统的适用性和技术经济评价进行了研究。 BiJun Shao从延迟电网升级,峰谷扩散套利和FM增益等方面建立了净现值模型,并比较了不同电池的经济性。熊雄评估了电力需求侧大型储能系统的经济性,并提出了储能电站的经济计算过程。
综上所述,如果在储能系统中使用退役动力电池,电池储能系统的成本将有所降低,储能配置将得到优化,对促电池储能在中国的应用进发展具有积极作用。同时,退役动力电池梯次利用可充分利用动力电池的容量值,延长其使用寿命,促进节能减排,有助于缓解大量回收电池带来的压力。在一定程度上,共享使用电动车辆消费者的成本。研究动力电池梯形利用技术对于促进电动汽车产业健康绿色发展,储能系统的推广应用,节能环保具有重要的社会意义和巨大的经济效益。
目前,电池应用系统正朝着智能化,模块化,集成化,标准化的方向逐步发展。作为电池系统的重要组成部分,电池管理系统在优化电池性能和延长电池寿命方面发挥着重要作用。退役电池的性能参数包括能量密度,功率密度,能量利用率,充放电效率,自放电率和循环寿命。在这些参数中,能量利用率影响检测到的电池电量与实际可用电力的比率;充放电效率决定了系统在充放电控制中应采用的最优策略;动力电池充电状态(SOC)参数精确估算为电池系统的控制和均衡提供了重要参数。以上性能指标是电池管理系统软件设计的重要依据。
热分析管理,SOH估算和SOC估算在电池管理中都至关重要。为了有效提高退役磷酸铁锂电池的储能效率,只能准确估算SOC。估计SOC的正确性以延长电池组的寿命并确保电池组的安全性是非常重要的。由于电池组在使用期间经常易于发生非线性变化,并且当前应用的实时在线估计方法可能具有或暗示一定量的缺陷,因此SOC估计的准确性变为电池管理系统的难重点。
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