可再生废旧电池的科斯塔锂电池级联利用解决方案

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近年来，随着环境问题日益严峻，人类生存环境问题日益突出，如何更好地保护环境已成为世界各国共同的研究方向。新能源已经成为环保工程的主力军，新能源汽车应运而生。作为电池的核心部件，人们的研究方向往往集中在如何提高其性能上。

锂离子电池因其重量轻、体积小、能量密度高、循环寿命长、储存寿命长、一致性好、充放电电压平台高、耐环境温度、无污染等优点，在电动汽车中得到广泛应用。

就中国新能源汽车行业而言，从上面淘汰的动力电池已经过测试，虽然不适合汽车使用，但其储能容量仍有很大的实用价值。

如果直接拆卸，将会极大地浪费电池的剩余使用价值。这些被淘汰的动力电池的化学活性略有下降，电池的内部化学成分仍然完好无损。这些电池的剩余能量仍然可以满足家庭的日常能量储存、分布式发电领域以及诸如发电站、备用应急设备等能量储存设备的使用。随着二次利用技术的进步和经济的提高，废旧锂电池的二次利用将会迅速发展，使锂电池的全部价值得到充分利用。

从电动汽车退役的锂电池有很大的不一致性。这种不一致的原因主要包括以下几点:

(1)电池出厂性能不一致，原材料不均匀，制造工艺不同，导致电池不一致，这是客观存在的。

(2)电池出厂后的不同环境，如不同的环境温度、自放电程度、空湿度、通风条件等。，会导致不一致。(3)电池不一致性在使用中进一步加剧，电池组的最大有效容量通常由具有最小有效容量的电池决定。由于长期处于过充电和过放电状态，老化速度会加快，形成恶性循环，导致电池组不一致性扩大。(4)不同的外部使用环境会加深不一致性差异，电池组中各模块的布置位置、温度和湿度、散热条件、充放电进度都存在不可避免的差异，这在一定程度上增加了电池组的不一致性。

电池的不一致性是制约其再利用的最大因素，包括SOC、电池内阻、电池容量、开路电压和工作电压、放电平台时间、倍率性能、自放电倍率、充放电效率和循环寿命。

一般来说，废旧电池的回收过程通常是故障处理、外部结构拆卸、电池芯检测、筛选和分类，然后级联再利用。这个过程可以在一定程度上减少不一致性，但是减少的幅度仍然非常有限。

在传统的储能电站中，锂电池直接连接到储能转换器的DC端，电池的充电和放电通过储能转换器控制，如图1所示:

图-1蓄能电站参考示意图

在大中型项目中，由于PCS功率和电池容量相对较大，数据量大的锂电池将并联到PCS上，充放电控制策略完全一致。因此，锂电池的一致性要求非常高。

如果使用全新的锂电池，同一制造商的产品在一致性方面可以得到保证，因为它们已经在工厂进行了各方面的测试。因此，它不会对这些项目造成很大影响。然而，由于生产过程引起的不一致性，制造商也将对可并联的锂电池的容量有一个推荐的上限，以避免由不一致性引起的各种问题。

但是，退役电池的不一致性会更加严重，这不仅是不同厂家和批次的因素，还包括充电状态(SOC)、电池内阻、电池容量、开路电压和工作电压、放电平台时间、倍率性能、自放电倍率、充放电效率和循环寿命等影响因素。

以蓄电池充电系统二次使用引起的问题为例。如果可正常再利用的废旧锂电池的容量为30%至80%，那么在充放电过程中，由于电池荷电状态的差异，一些锂电池不能完全充放电，从而不能充分发挥废旧电池的剩余价值。如果传统的电池管理系统此时仍在使用，它将被迫启动和运行过早，由于这种“短板”时，充电或放电。

同时，电池内阻、电池容量、开路电压和工作电压等因素也会造成过充和过放、电池循环、发热和火灾等不良影响，有些还可能导致安全问题。此外，不同制造商导致的BMS系统方案不一致也是级联使用的不利因素。

鉴于上述退役电池的各种不一致因素，为了更好地利用退役电池，Costar推出了有针对性的产品和解决方案，即DC-DC转换器实现的DC总线方案:锂电池通过多个DC-DC转换器集成到DC总线中，PCS的DC端也集成到DC总线中，PCS的交流端集成到交流电网中(本案例为并网方案，但也可以实现其他案例方案，本文未介绍)。方案示意图如图-2所示:

图-2退役电池梯级利用系统示意图

因为它是通过多个DC-DC转换器连接到总线的锂电池，所以DC-DC转换器可以根据不同的退役电池采用不同的充电和放电控制策略，并且对接不同的BMS系统，从而避免退役电池的不一致性。通过DC总线，退役电池的差动控制与PCS的整流/逆变控制很好地解耦，使整个系统运行最优且稳定。

该系统在废旧电池的梯级利用方面具有很大优势，并具有以下系统特点:

系统特性1:DC/DC转换器直接连接到不同品牌、类别和荷电状态的电池，从而消除了不同电池组并联造成的循环问题。

系统特点二:解决了铅酸铅碳电池不能大规模并联的问题，可以连接不同品牌的电池组，实现经济利用价值的提高。

系统功能3:更换系统中任何电池类型和不同荷电状态的电池，以实现退役电池的高效利用。

系统特点4:可实现同时充放电，或不同组的电池采用不同的充放电策略。

系统功能5:报废电池的级联利用是该方案的主要应用场景。

在该系统中，关键设备是DC-DC转换器，而好市多的相应产品是KDC50H系列DC-DC转换器。该系列产品采用模块化设计，单模块功率为50KW，可通过不同机柜组装成50 kW至600 kW的各种功率等级，并灵活适用于系统方案。

KDC50H模块的拓扑示意图如下:

图3 KDC 50H模块拓扑示意图

该系列DC-DC转换器具有以下特点:与各种电池兼容，支持共享电池组，MPPT功能，模块化设计，标准3U尺寸，在线热插拔技术，三级技术，最高效率达99%，电池容量利用率高。

KDC50H系列DC-DC变换器的优势是显而易见的，通过DC总线方案可以很好地解决退役电池的级联利用，这也将成为级联利用的主流方案。(照片由Costar锂电池提供)

责任:吉爱玲