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图7 软件定义数字UPS系统
Fig.7 Software defined digital UPS system
示范系统运行数据表明,数字储能供电系统实现了信息流与能量流的紧密融合,从能量流、信息流和环境参数等三个方面对备用供电系统进行全面感知与管控。通过采用分布式数字储能供电系统代替传统集中式UPS系统和模拟铅酸电池系统,以及采用旁路式连接方式代替串入式连接方式,新系统可以减少两次交直流转换,降低10%以上的能耗,IDC的有效空间利用率提升30%左右,这些措施将大幅度提升IDC的运营收益。此外,通过采用锂电池代替铅酸电池,可成倍提高备用电池系统的有效容量、放电效率和使用寿命,在满足备用电源要求的前提下,数字储能供电系统可以用作分布式储能系统,进而从“节流”和“开源”两个方面全面降低IDC的能耗和运营成本。同时,数字储能供电系统还可以实现铅酸电池和锂离子电池数字化混用,最大程度的利用现有铅酸电池的残值,支撑从铅酸电池到锂电池的低成本平稳过渡。
3.2 面向退役动力电池梯次利用的数字储能系统
随着电动汽车的大规模推广使用,可以预见在未来几年内将有大批的退役动力电池。依据现行退役标准,退役动力电池依然具有巨大的经济价值和市场空间,因此在储能需求迫切的智能电网和能源互联网中有着广阔的应用前景。然而退役动力电池梯次利用在性能评估、分选成组、集成管控、安全与经济性、商业模式等方面有着大量原理性和技术性问题需要研究与解决。基于数字电池能量交换系统,本文提出了数字无损梯次利用方法,如图8所示。
不同厂家、类型、批次、使用工况的动力电池退役后在健康状态、有效容量等方面差异显著,而目前的电池拆解、精细分选和固定串并联重组的梯次利用方法采用的是基于电池一致性的思路,这就造成了退役动力电池规模化梯次利用时面临难度大、效率低、成本高等问题,进而降低了退役动力电池再利用价值,并且难以保证梯次利用电池储能系统的整体性能、安全性和经济性。针对上述问题,国内外学者开展了一系列研究工作。在基础理论研究方面,国内外研究主要集中在基于电性能参数探测的健康状态(SOH)和荷电状态(SOC)的电池剩余容量和安全阈值评估。在梯次利用技术方面,传统精选方法难以适应海量差异化退役电池的低成本快速分选要求,而固定串并联重组方式难以适应退役动力电池差异性大的事实,因此传统电池分选成组方法难以达到梯次利用电池储能系统在整体性能、安全性和经济性之间的平衡。在系统集成管理方面,国内外研究主要集中在电池管理系统高级功能扩展和电池组均衡方法以及传统储能系统电、热、安全管理方法在梯次利用动力电池储能系统上的可用性。然而,退役动力电池参数离散度大,效率和可靠性低,发生系统安全事故的概率显著增大,这些都对储能系统电、热管理提出了更为苛刻的要求。
图8 传统梯次利用与数字无损梯次利用的比较
Fig.8 Comparison of traditional second-use and digital lossless second-use
与传统方法不同,数字无损梯次利用方法无需将电池进行单体层面的拆解、精选和重组,通过可重构电池网络对退役的电池单体或焊接在一起的低压电池模块进行简单电气和外观粗选及柔性重构。通过数字电池能量交换系统,可以实现退役动力电池单体或模块的精准充放电均衡和微秒级故障电池精准隔离,同时对电池进行“边用边测边管(on-the-go)”式的实时状态量测和性能分析,实现基于可重构电池网络的数字化梯次利用退役动力电池电、热及安全管控。从图9和图10可以看出数字无损梯次利用方法可以在很大程度上消除退役动力电池单体或模块在充放电过程中的差异性,屏蔽系统短板效应带来的一系列电池应用问题,如系统有效容量、可靠性和安全性等问题。此外,基于软件定义电池能量交换系统构建的梯次利用动力电池自动巡检和智能管控云平台可以对电池单体或模组进行双向细粒度能量管控,实现电池运维和能量调度的自动化、网络化及智能化。因此,数字无损梯次利用几乎是当前唯一一种可以解决退役动力电池低成本安全高效梯次利用的方法。
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