98%能效突破：废旧电动车电池的集装箱式储能系统设计

本文聚焦基于退役电动车电池的固定式储能系统，阐述其设计、开发及初步实施细节。这些电池因健康状态（SoH）低于 80% 无法满足车辆需求，但仍可用于低负载储能场景。该系统具备柔性与可扩展性，兼顾研究与商用需求，核心挑战包括电池特性差异、安全风险及对柔性电力电子设备的需求。研究采用优化的双有源桥（DAB）转换器，实现多电池并联及宽电压范围高效双向供电，已完成 50kW 原型机实验室测试。此举延长了电池生命周期，为可持续储能提供支持，兼具经济与环境价值。

1. 引言

研究数据表明，电池性能的离散性显著影响经济性，以电网级储能项目为例，使用退役电池的综合成本或超新电池 ，这主要归因于二次利用前严苛的检测流程。尽管现有已在电池预筛选技术领域取得进展，但实际应用仍存在优化空间。此外，热失控引发的链式反应风险仍是系统设计中亟待解决的关键问题 。

本研究聚焦于可扩展固定式储能系统开发，创新采用整包复用技术，即直接使用未拆解的退役电动车电池包。该方案通过保留原厂外壳、电池管理系统（BMS）及冷却架构，有效规避拆解过程中的损耗与安全隐患。同时，针对不同电池包在电压、容量及化学体系上的差异，引入优化设计的双有源桥（DAB）转换器，该设备具备宽电压适配、双向功率传输及电气隔离特性，可有效应对上述技术挑战。研究特别强调，通过精细化热管理策略的实施，能够显著提升电池组的长期运行可靠性。

2. 规格与整体设计

系统采用改造后的 20 英尺 ISO 标准集装箱（6050mm×2430mm×2890mm）作为载体，内部划分为四个独立隔热隔间：其一专门用于安置电力电子设备，包括 DC/AC 转换器、DC/DC 转换器及能源管理系统（EMS）；其余三个隔间通过重型货架结构，可容纳多达 12 个电池。模块化设计兼顾安全性与可维护性，所有隔间门均采用外开式设计，控制装置支持外部操作，并预留充足的升级扩展空间。

在电池选型上，初期选用日产 Leaf 40kWh 退役电池，理论总容量可达 480kWh。系统通过 3 台 400V、400kVA 三相双向 AC/DC 逆变器，实现电网与用户端的高效连接，支持灵活的充放电模式及并离网切换。为验证系统扩展性，初期仅安装 6 个电池，各组件均具备完备的扩展能力。

针对户外应用场景，集装箱设计充分考虑环境适应性，确保能够抵御恶劣天气条件。现场安装时，需在集装箱周边预留足够空间，用于设备维护、操作及叉车作业（见图 1）。同时，电气与控制接口集中布置于专用服务隔间，显著提升操作便利性。

图1.现场安装必须考虑到维护通道、通风以及叉车等服务设备的
可移动性。

鉴于退役电池在电压、容量、化学特性（如 NMC、LFP）及内阻等参数上的离散性，系统采用创新的电气隔离设计。每个电池均连接一个 50kW DC-DC 转换器模块，该模块支持 150V-900V 宽电压范围运行。中央 EMS 通过 CAN/Modbus 协议，实时采集电池的荷电状态（SoC）、健康状态（SoH）及温度数据，智能协调各转换器的电流分配。这种设计有效避免了电池间的直接电气耦合，从根源上杜绝反向电流及故障扩散风险。此外，系统预留扩展接口，辅助加热 / 冷却系统及消防设施均可接入 EMS，实现多系统协同控制（见图 2）。

图2.模块化二次电池
储能容器所用电气系统配置的概述。

3. 安全考量

系统设计严格遵循 DIN EN IEC 62485-1 标准及 IEEE 2030.2.1:2019 规范，通过系统性风险分析制定完备的安全应对策略。所有来源于无事故车辆的电池，均已通过严苛的汽车行业标准认证。随着欧盟 "电池护照" 制度即将落地实施，电池全生命周期的可追溯性将得到进一步强化。

电池热失控引发的火灾是系统面临的核心安全风险。为有效遏制火势蔓延，系统参照 DIN EN 12101 标准，采用隔间化设计方案，将电池分隔成独立防火空间。每个隔间均配备独立运行的烟雾探测装置，鉴于锂离子电池火灾初期会产生大量烟雾的特性 ，一旦检测到异常，系统将立即触发外部声光报警，并自动联动场地消防系统启动应急响应。

针对锂离子电池火灾扑救难度大的特点，系统采用高效的水基淹没降温灭火方案。每个电池隔间均配备：

灭火进水口：可在 5-10 分钟内实现隔间整体淹没，优先对电池托盘进行降温，随后填充整个空间，快速降低电池温度；

溢流喷嘴：内置压力平衡装置，可及时排出燃烧产生的高温气体和消防用水，配合止回阀设计，有效防止正常运行时的空气交换；

排水出口：配备手动控制阀门，便于收集处理受污染的消防废水，防止有害物质外泄造成环境污染。

4. 热管理系统设计

4.1 冷却回路设计

热管理系统的核心目标在于确保电池温度的稳定性与均匀性，这一过程需要同时考虑电池欧姆损耗产生的热量以及环境因素的影响。在本设计中，每个电池隔间均配备商用天花板冷却器。以日产 Leaf 风冷电池系统为例，车辆运行状态下，该电池主要依赖自然气流实现被动冷却；而当电池处于静止集装箱内时，则需通过强制对流方式散热。具体而言，系统通过内置风扇加速空气循环，并利用挡板对气流进行导向，使其经由底部通道流动，有效避免热空气回流现象（详见图 3）。即便未来引入液冷电池技术，集装箱空调系统仍将作为重要补充，用于平衡环境热交换。

图3.电池舱的横截面视图，显示关键部件，包括风扇
系统、冷却空气挡板（浅蓝色）和电池下方的流道（深蓝色）。

4.2 热负荷计算

以日产 Leaf 电池老化后的性能参数为依据，其总电阻约为 160.8mΩ。在系统设计中，选取 32.5A（0.3C）作为最大持续工作电流，经计算可得对应的热功率损耗约为 169.8W。同时，能量管理系统（EMS）将确保长期平均负荷不超过 170W。

在散热设计方面，系统对流动通道提出了明确要求：其尺寸为 1.1m×0.04m×1.55m，空气流速需保持在 2m/s 以上，以形成湍流状态（对应雷诺数为 10608）。此时，系统传热系数约为 10W/(K・m²)。为确保电池底部温度不超过 30℃，入口空气温度需严格控制在 15℃。

考虑到极端环境温度变化（-20℃至 55℃），系统采用 50mm 厚的 XPS 隔热板（导热系数 0.035W/(m・K)），将隔间热导控制在 12.4W/K。在极端工况下，每个隔间需配备 1.2kW 的冷却能力（用于平衡电池产热与环境吸热），以及 500W 的加热能力（满足低温环境下无电池运行时的温控需求）。

5. 电气设计概念

5.1 拓扑选择与规格

双向有源桥（DAB）转换器凭借双向功率传输、宽电压适配与电气隔离特性脱颖而出，相较谐振式或移相全桥拓扑具备显著优势。该结构通过高频变压器耦合两侧全桥电路，采用双有源桥控制策略，动态调节相位差与占空比实现能量双向流动。系统设计兼容 150V-900V 宽电压范围的电池组与 800V 直流母线，单模块额定功率达 50kW，在 20%-100% 负载区间内效率稳定维持在 96.5%-97.5% 。

5.2 系统优化

DAB 转换器的性能优化核心在于变压器匝数比（n）与开关频率（fₛ）的协同设计。理论上，当匝数比 n 趋近于电压比 m=V₁/V₂时，系统能效达到最优。结合系统最大功率需求，通过公式 计算电感上限值，并基于半导体器件参数，利用 MultiPLECS 仿真平台进行多轮迭代优化。最终方案实现全工况软开关运行，显著降低开关损耗与传导损耗。

6. 结果

6.1 原型机开发

50kW DAB 转换器原型机通过变压器结构与调制策略的深度优化，实现了效率的显著提升。在变压器设计上，采用 4 个 E100/60/28 磁芯，并配置 interleaved 绕组结构，有效降低了磁芯损耗与绕组损耗；动态调制策略则基于实时查表算法，可根据负载变化动态调整工作参数，大幅扩展软开关范围，显著降低了功率器件的电流应力。

6.2 性能测试

以日产 Leaf 40kWh 动力电池（电压范围 307V-403V）为测试对象，结果表明：该转换器在峰值工况下效率可达 98.7%，满负荷运行效率稳定在 98.3%，并可适配 0-125A 的宽电流工作区间。通过对多个品牌动力电池（电压覆盖 288V-806V）的兼容性测试显示，该转换器在 0.5C 负载条件下，均能稳定满足功率输出与电流调节需求，充分验证了其在不同规格电池系统中的通用性。

7. 讨论

系统通过模块化电力电子与热管理解决了退役电池异质性问题，12 个电池各配 DAB 转换器与 CAN 接口，实现独立监控。DAB 转换器的双向性与隔离性使其优于传统方案，效率达 98.7%，但低电流（<30A）时效率下降，需平衡转换器与电池损耗。动态控制算法扩展了软开关范围，未来可探索多相设计与 SoH 平衡策略。

8. 结论

本研究验证了模块化集装箱式退役电池储能系统的可行性，通过柔性设计适配多样电池，DAB 转换器与热管理系统确保高效安全运行，原型机效率超 98%。系统通过隔间化冷却、消防设计保障可靠性，助力循环经济，减少电子废弃物。未来需开展长期实地测试，推动产业化应用。