用于退役电池储能系统的层次化电池动态成组方法研究

The construction of energy storage system based on the electric vehicle decommissioning battery is one of the feasible ways to meet the demand of the power grid at low cost. However, it is difficult to fully utilize the energy storage capacity of secondary battery because of its obvious difference, low reliability and low efficiency. Based on hierarchical methodology, dynamic grouping method and optimization theory, this application proposes a novel grouping method which fits the characteristics of secondary batteries well. The grouping method aims to enhance the available capacity, reliability and service life of the battery energy storage system by improving the controllability and information utilization ability of the batteries. The application will study the topology design and dynamic grouping methods by focuing on the topology optimal design of battery group network, dynamic grouping algorithm and estimation method of reconfigurable battery module. The hierarchical dynamic grouping method proposed by the application not only retains the powerful battery control capability of dynamic grouping method, but also reduces the design and control complexity of dynamic grouping through hierarchical division, therefore is capalbe of managing secondary batteries effectively. This research can help to promote echelon use of power battery, improve the economic efficiency of electric vehicle industry, and provide referenc for handling similar problems met in the conventional large-scale lithium battery energy storage system.

基于电动汽车退役电池构建储能系统是现有条件下以较低成本满足电网需求的可行途径之一。然而，退役电池具有差异性显著、可靠性与效率较低等特点，常规电池成组方法难以充分发挥其储能能力。本申请基于层次化思想、电池动态成组方法和优化理论研究一种适用于退役电池储能系统的电池成组和管理方法，旨在通过提高电池组可控性和信息利用能力，提升储能系统的可用容量、可靠性和使用寿命。项目将从电池网络拓扑设计和动态成组算法两个方面，对层次化动态成组的电池网络拓扑优化设计、层内动态成组算法与层间协调机制以及具有重构能力电池模块的状态参数估计方法进行研究。本申请提出的层次化电池动态成组方法，既保留了现有动态成组方法强大的电池控制能力，又基于层次化思想降低了设计和控制复杂度，从而更加有效地管理退役电池组。本研究工作有助于推进动力电池梯次利用，提升电动汽车行业经济性，对常规锂电池大规模储能系统构建也有一定参考意义。

随着电动汽车市场规模扩大和电网储能需求增加，基于退役动力电池构建满足电网需要的储能系统受到重视。然而，退役动力电池经过多年使用，电池组内电芯参数差异显著，可靠性降低，成为限制其再次使用的重要因素。本项目从电池组不一致性分析和同期性管理角度出发，对基于层次化动态成组电池管理方法的应对方案开展研究，主要包括电池状态高精度估计算法、动态可重构电池组拓扑设计方法和动态重构控制策略三个方面，提出了基于Kalman滤波的电池组状态在线估计方法、基于混整优化的可重构电池组拓扑设计方法和基于SOC排序均衡的可重构电池组拓扑重构策略，同时开发了电池组电、热、老化联合仿真程序和小规模动态重构电池组样机。研究结果表明：（1）退役电池参数不一致性引起的短板效应、不均衡效应是导致其成组使用时可用容量和最大功率下降的主要原因，电池组与老化互相影响引起的互相促进使上述问题更加明显；（2）固定连接成组方式难以克服上述负面影响，将严重限制退役电池再成组规模及使用寿命，动态重构电池组是应对上述问题的可行方案；（3）通过优化设计可重构电池组拓扑结构，新增成本和损耗与降低不一致性影响带来的收益可以达到一定平衡，同时提高了电池组控制灵活性；（4）基于SOC排序均衡的可重构电池组拓扑重构策略原理简单，容易实现，用于串联可重构性电池组具有较好效果。上述项目成果对探索新型电池管理方法，促进电池梯次利用发展具有积极作用，所开发的电池组电、热、老化联合仿真程序在未来更大规模电池组全寿命周期性能评估和优化管理也有一定应用前景。然而，受限于研究时间和研究者水平，项目研究仍需进一步完善，例如现有拓扑优化仅针对串联可重构且基础数据来自自研平台计算值；现有试验样机规模较小，仅使用了两种型号电芯，在更多型号和数量电芯构成电池组中的效果需要进一步研究。