基于回收二次电池组的岸基电能系统

卢炳岐,高海波,熊留青,杜康立

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

基于回收二次电池组的岸基电能系统

卢炳岐,高海波,熊留青,杜康立

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

为了充分利用电动汽车更换下来的二次电池，避免浪费污染，结合风力、太阳能等清洁能源发电，为内河或湖泊小型纯电动船舶供电。文章提出一种基于回收二次电池组的岸基电能系统，分析了电池组检测和管理关键技术，并针对某案例设计了回收二次电池组、风力发电装置和太阳能发电装置，进行了经济性分析。

回收二次电池；岸基电能系统；纯电动船；清洁能源

Abstract:In order to make full use of the replaced storage battery from electric vehicles to avoid waste and pollution,a shore electric power system is put forward based on the recycled battery bank, which products electric power with wind or sunlight,to charge the system,aiming at supplying power for small electric ships in inland rivers or lakes.The key technology of battery bank testing and management are introduced .For a specific case the recycls storage,wind power generator and solar power generation device are designed,and the economic analysis is also studied.

Keywords：recycled battery;shore electric power system;electric ship;clean energy

近几年，随着我国的电动汽车数量的增加，动力电池的报废量也不断上升。预计到2020年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到16万t左右，废弃动力电池的回收问题已成为社会关注的焦点。通常情况下，电动汽车动力电池的实际容量衰减至额定容量的80%时，就不能满足车用要求，为了维持电动汽车的性能，必须将其更换。在这种情况下，如果直接将动力电池进行拆解回收，势必会造成资源的极大浪费。若将其应用于一些对性能要求不高的领域，例如电网储能、岸电储能等，既解决了废旧电池的处理问题，又能缓解能源危机。

针对动力电池回收处理问题，美国、日本、德国等发达国家已开始着手建立新能源汽车动力电池的回收利用体系[1]，其中部分国家已经构建起了完整的回收利用体系，如图1所示[2]。相比之下，我国的动力电池回收利用体系仍处于初步建设阶段，与欧美等国家有一定差距。

图1 动力电池的使用回收利用流程图

纯电动船是指依靠电机驱动螺旋桨的船舶，使用的电来自储能器件储存的岸电，运行时不消耗石油，实现了零排放，是名副其实的“绿色船舶”，为内河和近海航行的中小型船舶防治大气及油污染提供了新的思路及方案。纯电动船的发展同时对岸基电能系统如何为其供电提出了新的要求。

本文提出一种基于回收二次电池组的岸基电能系统，利用从电动汽车中更换掉的二次电池，结合风力发电、太阳能发电为其储能，实现资源的再循环利用，起到节能减排的作用，为内河或湖泊小型纯电动船舶的用电需求提供安全稳定的保障。

1 岸基电能系统及其特点

岸基电能系统主要由岸电充电装置、太阳能发电装置、风力发电装置和岸电储能装置构成，系统的结构简图如图2所示。

图2 岸基电能系统简图

该系统的特点如下。

1)利用回收的二次电池组成岸电储能装置，延长了电池的寿命，降低了系统成本。

2)利用太阳能、风力等清洁能源，将其通过太阳能发电装置和风力发电装置转化为电能，储存在回收二次电池组中，节能环保。

3)在太阳能和风力不能满足容量需求的前提下，可选择岸电给回收的二次电池组进行充电，适用性强。主要利用电网处于负荷低谷时进行充电，经济性好。

2 岸基储能装置

本系统的岸基储能装置主要是由回收的二次电池组成，应用在电动汽车中的动力电池主要经历了铅酸电池阶段、镍氢电池阶段和锂离子电池3个发展阶段。如表1所示，与前几种电池相比，锂离子电池的各项工作性能都相对更好，尤其是在寿命、安全性和环保性方面，领先前几种电池。

表1 多种电池性能对比表

锂离子电池性能对比见表2，从表2知，相比较其他几种锂离子电池，磷酸铁锂电池具有不可比拟的优势。磷酸铁锂电池的循环性能相对最好，而且磷酸铁锂电池的原料成本相比较低，环保性、安全性好[3]。因此，被广泛应用于电动汽车，本文提出的岸基电能系统拟采用磷酸铁锂电池作为储能元件。

表2 锂离子电池性能对比

3 发电装置

太阳能和风力是所有可再生能源中储能最大的清洁能源，据统计，地球在一年内能够吸收到高达1.8×1017kW·h 的太阳辐射能量，这一数值是全球能耗总量的数万倍，每年可开发的风力约为5.3×1013kW·h[4]。将这2种无污染、无需购买并且取之不尽的可再生能源用来给回收二次电池组储能，能够有效缓解能源危机，并且具有很好的经济性和环保性。

1)太阳能发电装置。太阳能发电装置是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳能转化为电能的装置，其主要是由太阳能电池板太阳能控制器构成[5]。

2)风力发电装置。风力发电装置的原理主要是将风力转变成机械能，再将机械能转化为电能，风力发电装置主要由塔架、风轮、调向机构、升速齿轮箱、发电机和控制系统构成[5]。

4 回收二次电池组的检测与管理

岸基电能系统的储能装置是主要由回收的磷酸铁锂电池组构成。为保持二次电池组容量一致性，需要对其进行性能测试，将性能相近的二次电池编组，提高整个回收二次电池组的充放电效率。

目前，针对回收二次电池的检测分类，比较好的方法是频谱点法，该方法是在电池电化学阻抗谱曲线上选取出一些特定的频率点，通过以点代线的方法对其进行测试试验。使用频谱点法对回收二次电池进行分选测试的主要目的是确保在足够小的误差前提下，利用尽可能少的频率特征点得出阻抗值，并作为电池分选的依据[4]。用该方法检测回收二次电池的现有容量需要保持在原额定容量的80%左右，并且充放电性能良好才可再利用。

二次电池组中的每个单体电池的容量会随着整个电池组充放电次数的增加而逐渐衰减，而整个二次电池组的充放电性能取决于其中最差的单体电池，因此，需要对二次电池组定期进行检测，对其中充放电性能最差的二次电池进行更换，才能保证整个二次电池组的一致性[6]。

为了合理使用回收二次电池，延长电池组寿命和避免过充、过放和高温等问题，采用电池管理系统(BMS)对回收二次电池组进行管理， BMS的主要功能是采集电池组的电压电流、控制电池组的温度、保持内部电池均衡，用来保证工作过程中的安全性、可靠性。

5 系统设计方案

内河码头多建设在港宽水深、地形平坦的沿河地带[7]。该地带风光资源丰富，适合建立基于回收二次电池组的岸基电能系统。以长江航道武汉段的月亮湾码头为例，设计岸基储能系统为10艘纯电动50客座游船提供电能的供给。

电力需求：10艘纯电动双机双桨50客座游船，推进电机额定功率7.5 kW，由锂电池组供电。该纯电动游船的直流母线电压300 V，所配置电池总电压也选300 V。船舶8 km/h航速时，2台推进电机功率为7.8 kW，其他船用负载设备的功率需求为1 kW，按8 h续航力的要求，每船所耗电量为70.4 kW·h。10艘游船所需耗的总电能为704 kW·h。

5.1二次电池组的设计

根据纯电动游船所需耗总电能，考虑一定的安全系数,设计二次电池组的容量。

电池组的总储电量能BC为：

(1)

式中：E为游船所需耗的总电能，kW·h；K为安全系数。

按以下公式计算电池组配置：

PAh=BC×1 000/U，

(2)

式中：PAh为电池组所需配置的总容量，A·h；U为电池组所配置电池的总电压，V；BC为电池组的总储电量，kW·h。BC为782 kW·h，总电压为300 V。

PAh= 782×1 000/300=2 600 A·h,

(3)

根据电池组的容量计算满足容量需求的电池串并联结构，本案例中选用的回收二次电池单体的容量是400 A·h，电池单体的标称电压为3.2 V。

需要串联的单体数N：

(4)

94个电池单体串联后为一组，可提供的平均电压为300.8 V，可以满足为300 V直流母线供电要求。

需要并联的电池组为M：

(5)

7组电池并联可以满足2 600 A·h的总容量需求。由计算结果可得，设计的回收二次电池组的连接方式为94个单体电池串联成1组，每组并联，共7组。

5.2发电装置的设计

根据江边风力资源丰富的特点，参考其它风光互补案例[4]，将电能的来源按照8∶2的比例分配给风力发电装置和太阳能发电装置，风力发电装置需要发出625.6 kW·h的电能，太阳能发电装置需要发出156.4 kW·h的电能。

码头周边的风速为风速4级(5.5～8 m/s)到5级(8～10.8 m/s)之间的时间平均每天为10 h。风力发电装置的功率PW为：

(6)

式中：EW为风力日平均产生电能kW·h；HW为有效风速时间，h。

根据计算的功率，可选用江苏乃尔65 kW的风力发电装置。

该码头每天的有效光照时间8 h。太阳能发电的功率PS为：

(7)

式中：ES为太阳能日平均产生电能，kW·h；HS为有效光照时间，h；ηS为发电效率。

根据计算的功率，可选用广州森德60 kW的太阳能发电装置。

5.3系统的经济性分析

该纯电动游船往返航次航行用电总费用=船舶充电电能×电价，考虑到航行过程中用电的冗余，安全冗余按其所耗电量的20%进行计算，则每艘纯电动游船的充电电能为84.48 kW·h，电池放完电后再次充满的时间为6 h。据电网统计，当地电费尖峰时1.17 元/千瓦·小时，高峰时0.99 元/千瓦·小时，低谷电价0.38 元/千瓦·小时。本案例取高峰电价进行计算，因此，往返电费：E=84.48×0.99=83.64 元， 每艘船全年航次约为300 次，故每艘船年电费为25 092 元，该码头10艘纯电动船舶的总电费约为25 0920 元。

电动汽车锂电池的价格约为1 300 元/千瓦·小时，而回收二次电池每千瓦·小时的价格是按其原来价格的30%回收，约为390元/千瓦·小时，则整个回收二次电池组的初步价格约为390×782=304 980 元。

表3 岸基电能系统的价格表

选用表3的太阳能和风力发电装置，实际每天发出的电能分别为168.5 kW·h和650 kW·h，发电量足够满足纯电动游船的电能需求。因此，可将剩余电量并入电网中。目前，国家对风力和太阳能并网发电的电价补贴标准分别为每千瓦·小时0.51 元和0.42 元(含税)，湖北省对风力和太阳能发电的电价补贴标准分别为每千瓦·小时0.07 元和0.25 元，补贴的税收为17%。岸基系统在满足纯电动船电能需求后，将余下电量114.5 kW·h并入电网后，每年获得的补贴约为5.5 万元。

本案例计算的岸基电能系统的初期投入成本为135.5 万元，每年系统的维护总费用约为3万元， 每年并网发电获得补贴约为5.5 万元，由图3知，第6年可收回成本。

图3 投资回收期分析图

6 结束语

本文提出并设计了一种基于回收二次电池组的岸基电能系统，利用风力、太阳能发电为其储能，运用合理有效的电池的检测与管理方法，既延长了回收二次电池组的使用寿命，又能为内河或湖泊小型纯电动船舶提供清洁电能。设计了具体案例，并进行经济性分析，结果表明该系统能够在较短年限内实现成本回收。本方案对废旧二次电池的循环利用具有很好的指导意义，对绿色船舶的发展和内河运输的节能减排提供了一种新的思路。

[1] Frederik Verhaeghe, Florgoubin, Begum Yazicioglu, et al . Valorisation of battery recycling slags[C]. Proceedings of the Second International Slag Valorisation Symposium: The transition to Sustainable Materials Management, Leuven, Belgium: secondInternational Slag Valorisation Symposium, 2011: 365-373.

[2]LindaGaines.To recycle or not to recycle that is the question Insights from life-cycle-analysis[J].MRS Bulletin, 2012, 37(4): 333-338.

[3]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D]. 北京:清华大学,2011.

[4]张乾.电动车回收电池再利用机理研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学,2012.

[5]杨洪兴.太阳能-风力互补发电技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2015.

[6]刘英男.基于多点频谱法的动力电池一致性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学,2010.

[7]吴澎.中国内河航运发展的机遇与挑战[J]. 水运工程,2010(2):11-15.

国家自然科学基金(51579200，51507121)

卢炳岐(1994-)，男，山东诸城人，在读硕士研究生，研究方向为船舶多电混合能量管理。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.008

2017-05-22