儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

薛金花，葉季蕾，張 宇，時(shí)珊珊， 樸紅艷

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003；2.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200070）

儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

薛金花1，葉季蕾1，張 宇2，時(shí)珊珊2， 樸紅艷2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003；2.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200070）

大容量鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮螅M管國(guó)內(nèi)單體制造技術(shù)已相對(duì)成熟，但電池成組理論研究不多，成組后性能極大程度下降以及安全性問(wèn)題也亟待解決。基于儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組的特點(diǎn)，分析了成組應(yīng)用中影響電池組性能的因素，并從應(yīng)用角度介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)電池成組技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組與集成技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，并歸納了未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)中成組技術(shù)的發(fā)展方向。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；電池成組；應(yīng)用

綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)、規(guī)模、靈活性等多方面特點(diǎn)，電池儲(chǔ)能在大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。國(guó)家電網(wǎng)公司、中國(guó)南方電網(wǎng)相繼建成了MW級(jí)電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，部分儲(chǔ)能廠家也建立了kW-MW級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，電池成組后表現(xiàn)出明顯的性能下降以及安全性問(wèn)題，已成為兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用推廣的瓶頸因素。當(dāng)前，研究者和廠家正積極尋求理論和技術(shù)上改進(jìn)電池成組與集成應(yīng)用技術(shù)的解決途徑。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組方式

將儲(chǔ)能支路定義為儲(chǔ)能系統(tǒng)的最小組成單元，由一臺(tái)儲(chǔ)能變流器(PCS)、電池堆(BP)和電池管理系統(tǒng)(BMS)構(gòu)成。電池堆是儲(chǔ)能支路的核心單元，由單體電池的串并聯(lián)組合構(gòu)成，即傳統(tǒng)意義上的電池成組，設(shè)計(jì)中需要滿足一定的原則以兼顧電池連接的安全可靠性以及電池管理監(jiān)控的方便合理性[4]，其層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能電池成組設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)

MW級(jí)大容量?jī)?chǔ)能電站需要成千上萬(wàn)支單體電池，典型的成組設(shè)計(jì)如圖2所示。比亞迪于2009年建立1MW×4 h磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能示范電站，儲(chǔ)能單元額定功率為100 kW，由600節(jié)FV200 A磷酸鐵鋰電池組成，每10節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)電池模組，20塊模組串聯(lián)組成電池組，3組電池組并聯(lián)得一個(gè)100 kW單元。2011年，ATL在松山湖廠區(qū)建設(shè)1 MW×2 h的儲(chǔ)能示范電站，采用60 Ah/3.2 V單體磷酸鐵鋰電池，3并12串組成模塊，再20個(gè)模塊串聯(lián)成一個(gè)電池串，15串并聯(lián)構(gòu)成單支路電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖2 國(guó)內(nèi)典型示范工程電池成組設(shè)計(jì)

2 電池成組性能的影響因素

由于電池連接和集成技術(shù)限制，電池組在比能量、比功率等參數(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到單體電池的水平。更為嚴(yán)重的問(wèn)題是電池組內(nèi)容易發(fā)生單電池的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和超溫現(xiàn)象，伴隨著明顯的容量衰減，不僅導(dǎo)致電池組壽命比單體電池縮短數(shù)倍甚至十幾倍，電池組系統(tǒng)使用和維護(hù)成本增加，甚至可能發(fā)生嚴(yán)重的燃燒等安全問(wèn)題。單體鋰離子電池的循環(huán)壽命可達(dá)2 000～3 000次，但成組后性能較好的也只有1 000～1 500次。

2.1 單體電池不一致性

組成蓄電池組的單體電池，其初始性能存在一定程度的差異。在電池的使用過(guò)程中，充放電過(guò)程、自放電現(xiàn)象將使不一致性趨于惡化。以容量不一致的單體電池為例，容量大的單體處于小電流淺充淺放，容量小的處于大電流過(guò)充過(guò)放，容易出現(xiàn)部分電池長(zhǎng)期充電不足而鈍化，部分電池長(zhǎng)期過(guò)放而受損害，加速電池組的容量衰減，循環(huán)壽命急劇縮短。不一致性引發(fā)電池組容量衰減、壽命下降，還增加了電池狀態(tài)識(shí)別的復(fù)雜性，不利于電池管理。

2.2 串并聯(lián)方式

不同的串并聯(lián)組合方式將導(dǎo)致電池組的連接內(nèi)阻、組間電池容量自消耗不同。

“先并后串”可促進(jìn)并聯(lián)單體電池間的容量自均衡，保持電池組連接的可靠性，但在充放電控制上要防止并聯(lián)電路電流不均衡的現(xiàn)象。小容量電池系統(tǒng)采用“先并后串”，容量衰減系數(shù)小于“先串后并”方式。

“先串后并”方式，每一路的電池容量固定，能有效保證各個(gè)電池之間不存在容量偏差，而且電池管理系統(tǒng)能對(duì)串聯(lián)支路進(jìn)行監(jiān)測(cè)及保護(hù)。

2.3 連接技術(shù)

電池的串并聯(lián)連接電路中，連接端子是成組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其腐蝕問(wèn)題是連接技術(shù)的瓶頸。在電池的使用過(guò)程中，連接端子由于長(zhǎng)時(shí)間的氧化腐蝕，接觸面電阻也相應(yīng)變大，產(chǎn)生壓降影響電池電壓的均衡性，降低了電池組的高效性和安全性。目前，解決連接端子腐蝕問(wèn)題的手段包括電芯外表面包覆膜等技術(shù)。

2.4 運(yùn)行工況

保持合理電池組的充電方式、放電功率和放電深度對(duì)于保證電池組長(zhǎng)壽命穩(wěn)定運(yùn)行很有必要。過(guò)充、過(guò)放都將嚴(yán)重影響電池組的使用壽命，蓄電池組在長(zhǎng)期大電流、深放電的工作特性下的容量衰減系數(shù)較大。

溫度是影響電池電化學(xué)性能的重要因素，高溫、過(guò)低溫不利于電池發(fā)揮應(yīng)有性能。在允許溫度范圍之外禁止儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，防止造成永久性容量衰減和安全問(wèn)題。

3 電池成組應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 電池分選

根據(jù)采集的單體電池特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分組匹配，選用性能參數(shù)接近的電池成組，保證每個(gè)串聯(lián)模組、并聯(lián)模組中的電芯相對(duì)一致性。主要評(píng)價(jià)參數(shù)有容量、開(kāi)路電壓、動(dòng)態(tài)放電曲線。

在大容量?jī)?chǔ)能電站中，采用模塊化和電池容量冗余的設(shè)計(jì)。在運(yùn)行過(guò)程中某些單體電池性能發(fā)生衰減嚴(yán)重或損壞，根據(jù)工況模擬實(shí)驗(yàn)，配選與模組中其他性能參數(shù)接近的電池將其替換，將替換下來(lái)的電池組重新進(jìn)行再分組待用。

3.2 充放電管理技術(shù)

傳統(tǒng)蓄電池的充放電管理一般采用基于端電壓的恒壓、恒壓限流、恒流和多階段恒流充電控制技術(shù)和設(shè)備。這些并不太適用于新型鋰電池系統(tǒng)中，充放電管理方法不當(dāng)是導(dǎo)致電池組壽命下降和安全問(wèn)題的原因之一。

在鋰離子電池的使用過(guò)程中，要確保單體電池不發(fā)生過(guò)充、過(guò)放、超溫和過(guò)流的現(xiàn)象。充放電過(guò)程中，最大允許充放電電流是受到最高允許充放電電壓、內(nèi)阻和極化電壓限制的變量。充放電管理應(yīng)直接面向電池組中充/放電的最高/最低電壓的單體，對(duì)充放電過(guò)程中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化控制[5]。當(dāng)極端單體電壓達(dá)到給定值時(shí)，及時(shí)調(diào)整充電電流，保證其在允許的電壓范圍內(nèi)。

機(jī)械工程總院對(duì)基于極端單體電池應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，并通過(guò)國(guó)家“863”和北京奧運(yùn)電動(dòng)汽車示范運(yùn)行項(xiàng)目的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證，表明基于極端單體電池充電控制方法技術(shù)原理簡(jiǎn)單清晰，控制策略簡(jiǎn)便易行，控制對(duì)象明確，控制參數(shù)獲得簡(jiǎn)單可靠，電池在任意使用狀態(tài)下，不會(huì)發(fā)生單體電池過(guò)充。

3.3 均衡管理技術(shù)

根據(jù)電池組一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前主要采用基于電壓的均衡策略[6]。實(shí)用均衡技術(shù)包括有損無(wú)源和無(wú)損有源技術(shù)2種：(1)有損無(wú)源技術(shù)，也稱為放電均衡、被動(dòng)均衡，是單體電池外加電阻旁路的結(jié)構(gòu)，效率低，在電池過(guò)充時(shí)實(shí)現(xiàn)電流均衡的效果，但在電池放電時(shí)無(wú)法達(dá)到均衡的目的；(2)無(wú)損有源技術(shù)，也稱為能量轉(zhuǎn)移法、主動(dòng)均衡法，采用電池外加DC/DC的電路結(jié)構(gòu)，效率高，能實(shí)現(xiàn)均充均放的功能，但需要高精度的電池電壓采集為均衡判決基礎(chǔ)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性有待提高。

自動(dòng)均衡裝置對(duì)于經(jīng)常處于浮充狀態(tài)的電池組具有良好的均衡作用，是應(yīng)對(duì)電池組不一致性的有效技術(shù)措施。目前國(guó)內(nèi)的各廠家技術(shù)水平只限于數(shù)量較少的電池均衡，從實(shí)際效果、成本、體積方面看，尚不符合儲(chǔ)能電站或電動(dòng)汽車的要求。

3.4 熱管理技術(shù)

熱管理是提高電池組壽命和安全性的重要手段，可以保證電池工作溫度的均勻性，避免因溫度場(chǎng)差異造成的電池性能不一致性；同時(shí)避免電池組內(nèi)局部熱積累造成的熱失控等安全事故；維持電池在低溫、超低溫環(huán)境下正常的充放電性能。

熱管理分為冷卻和加熱兩部分。相較于冷卻問(wèn)題，加熱問(wèn)題還沒(méi)有引起足夠的重視[7]。目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要考慮散熱設(shè)計(jì)，通常采用強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷等方法，通過(guò)溫度場(chǎng)建模，分析電池產(chǎn)品不同位置產(chǎn)生的熱量[8-9]；再結(jié)合熱場(chǎng)分析，設(shè)計(jì)電池箱各電芯的間隙、測(cè)量點(diǎn)位置及散熱風(fēng)道。

電池及電池模塊熱效應(yīng)模型的建立、電池箱溫度場(chǎng)建模及仿真模擬分析、電池箱溫度場(chǎng)控制設(shè)計(jì)及構(gòu)建都是熱管理的技術(shù)難點(diǎn)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

綜合考慮智能電網(wǎng)中不同應(yīng)用場(chǎng)合需求、電池本體的性能特點(diǎn)和工藝水平，大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣應(yīng)當(dāng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、高集成架構(gòu)、智能化控制、靈活性應(yīng)用的一體化發(fā)展趨勢(shì)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池成組應(yīng)用不僅在電池本體制造和成組技術(shù)上有待突破，更需綜合考慮與系統(tǒng)其他組成部分的配合、系統(tǒng)級(jí)集成和管理，最終實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體應(yīng)用解決方案。

（1）儲(chǔ)能電池模塊化設(shè)計(jì)與集成方法

標(biāo)準(zhǔn)化電池模塊設(shè)計(jì)與集成是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)大容量化的基礎(chǔ)。建立標(biāo)準(zhǔn)化的電池模塊參數(shù)要求，使電池和電池管理單元以最優(yōu)的方式組合，保證可擴(kuò)展性和可移植性，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口和電池管理系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能單元集成。

電池標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)與接口設(shè)計(jì)，向上可方便單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制、多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)；向下則為模塊設(shè)計(jì)的靈活性提供基礎(chǔ)，保證系統(tǒng)對(duì)于不同電池類型和性能的適應(yīng)性，尤其是考慮到目前研究上對(duì)于超大容量鋰電池的經(jīng)濟(jì)性和安全性的質(zhì)疑，而廠家技術(shù)水平差異大；此外，橫向上還為電池的梯級(jí)利用預(yù)留了發(fā)展空間。

（2）大容量?jī)?chǔ)能變流器與電池本體的匹配技術(shù)

電池與PCS的匹配技術(shù)，包括PCS與電池在容量和數(shù)量上的優(yōu)化配比，以及針對(duì)不同類型電化學(xué)電池差異性要求的PCS裝置控制策略優(yōu)化方案。由于儲(chǔ)能電池系統(tǒng)中電池模塊眾多，串并拓?fù)鋸?fù)雜，如果儲(chǔ)能變流器與電池系統(tǒng)匹配不當(dāng)，很容易導(dǎo)致電池系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流/對(duì)充等問(wèn)題。

（3）大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)

大容量需要在現(xiàn)有的廠(站)監(jiān)控平臺(tái)上深化開(kāi)發(fā)適用于大容量?jī)?chǔ)能電站的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。MW級(jí)儲(chǔ)能電站信息點(diǎn)比較多，僅電池相關(guān)的點(diǎn)數(shù)規(guī)模就在30萬(wàn)以上，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的容量與接入是一個(gè)挑戰(zhàn)；區(qū)域電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集中管理和控制，要同時(shí)滿足容量和實(shí)時(shí)性的要求，站內(nèi)信息的分層分區(qū)設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)是技術(shù)難點(diǎn)，其優(yōu)化調(diào)度方法與高級(jí)應(yīng)用功能有待研究。

（4）不同應(yīng)用場(chǎng)合下的系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計(jì)與針對(duì)性應(yīng)用策略研究

智能電網(wǎng)中不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量、充放電性能等性能要求差異較大、各有側(cè)重，應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性研究。統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)應(yīng)用需求與電池長(zhǎng)壽命運(yùn)行要求，實(shí)驗(yàn)和仿真研究不同應(yīng)用場(chǎng)合下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性分析，制定不同應(yīng)用場(chǎng)合下系統(tǒng)集成和電網(wǎng)接入的技術(shù)規(guī)范，開(kāi)發(fā)可保證電池長(zhǎng)壽命運(yùn)行的PCS充放電控制、儲(chǔ)能裝置與可再生能源發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度等高級(jí)應(yīng)用策略。

5 展望與結(jié)論

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，當(dāng)前在電池成組技術(shù)應(yīng)用的可行方向是從技術(shù)層面上提高，積極推進(jìn)示范工程的試點(diǎn)運(yùn)行工作，為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展和理論深化提供充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與平臺(tái)支撐。未來(lái)需重點(diǎn)突破的技術(shù)包括：加快大容量單體電池研制，簡(jiǎn)化電池模塊的串并聯(lián)連接，模塊標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)靈活的電池分選、冗余保護(hù)和高效的模塊均衡控制，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前電池一致性差異大及狀態(tài)辨識(shí)可靠性不高的條件限制；統(tǒng)計(jì)分析研究不同應(yīng)用環(huán)境和使用工況下的電池組失效模式和壽命分布，進(jìn)行電池組剩余壽命預(yù)測(cè)。此外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模化集成應(yīng)用離不開(kāi)儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、管理系統(tǒng)三者的協(xié)調(diào)匹配。因此，變流器與電池的匹配技術(shù)、高效的控制策略也是儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組應(yīng)用的關(guān)鍵。

[1] 董曉文，何維國(guó)，蔣心澤,等.電力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用與展望[J].供用電，2011，28(1)：5-7.

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《燃料電池基礎(chǔ)》

燃料電池（M F C）是21世紀(jì)最有希望的新一代綠色能源動(dòng)力系統(tǒng)，有助于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題。本書(shū)是一本淺顯易懂的教材和專業(yè)入門(mén)書(shū)籍，涵蓋了關(guān)于燃料電池的基礎(chǔ)科學(xué)與工程學(xué)。本書(shū)側(cè)重于基本原理，簡(jiǎn)單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產(chǎn)生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)等。

Battery group technology and application of energy storage system

XUE Jin-hua1,YE Ji-lei1,ZHANG Yu2,SHIShan-shan2,PIAO Hong-yan2
(1.China Electric PowerResearch Institute,Nanjing Jiangsu 210003,China; 2.Electric PowerResearch Institute,ShanghaiElectric PowerCompany,Shanghai200070,China)

Large-scale Li-ion battery energy storage system has a huge potential in the power system.In China,the manufacturing of cell is relatively mature,but battery group assembly theory has not been thorough at now.The problems after group such as performance attenuation and security issue are still to be resolved. Based on the characteristic of battery energy storage system, the factors of battery performance in group applications were summarized.In a view of application,the domestic status of battery group technology was presented.Moreover,the key issues of group and integration technology in battery energy storage system were pointed out, and the developing trend of battery group technology was proposed in the future energy storage system.

energy storage system;battery group technology;application

TM 912

A

1002-087 X(2013)11-1944-03

2013-04-18

上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目（11dz1211500）；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2011011）；2012年國(guó)網(wǎng)公司技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目（JF12-090008）

薛金花（1984—），女，江蘇省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姵貎?chǔ)能容量配置、儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能電池的成組技術(shù)。