單體電壓不一致性對鋰電池儲能系統容量衰減的影響

郭光朝，李相俊，張亮，王立業，賈學翠，張棟

(1.深圳市欣旺達綜合能源服務有限公司，廣東省深圳市 518108； 2.中國電力科學研究院電工與新材料研究所，北京市100192；3.東北電力大學自動化工程學院，吉林省吉林市132012)

單體電壓不一致性對鋰電池儲能系統容量衰減的影響

郭光朝1，李相俊2，張亮1，王立業1，賈學翠2，張棟3

(1.深圳市欣旺達綜合能源服務有限公司，廣東省深圳市 518108； 2.中國電力科學研究院電工與新材料研究所，北京市100192；3.東北電力大學自動化工程學院，吉林省吉林市132012)

電池的不一致性是指同一規格、同一型號的電池在電壓、內阻、容量等方面的參數差別。其中，電壓不一致性的表現相對直觀，也容易被測量。在 MW級電池儲能電站中，需要通過串并聯成組來滿足儲能系統的電壓等級和容量需求，電池單體數量高達幾萬節，而單體電池不一致性的存在，將不可避免地影響儲能系統整體性能。針對200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統在不同時間階段進行容量標定實驗，經過長期運行后，分析單體電池電壓不一致性對電池系統容量衰減的影響。結果顯示：經過2年的運行，250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統充電性能衰減了4.24%，放電性能衰減了2.6%,單體電壓不一致性變化不大，而200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統充電性能衰減了25.976%，放電性能衰減了27.120%，說明具備充放電均衡控制策略的鋰電池儲能系統能夠很好地改善單體電壓不一致性變化；250 kW/1 (MW·h)儲能系統已累計運行相當于100%DoD(depth of diacharge)充電27.11次，相當于100%DoD放電23次，充放電次數是造成該儲能系統容量衰減的主要原因。

鋰電池儲能系統；容量衰減；單體電壓；不一致性

0 引 言

隨著新能源的大規模開發利用，應用于提高間歇式電源并網能力的儲能技術尤其是電池儲能技術得到了關注與發展。儲能技術被認為可以在很大程度上解決新能源發電并網帶來的問題，同時其將貫穿于電力系統發電、輸電、配電和用電各個環節，可以有效緩解高峰負荷供電需求，提高現有電網設備的利用率和電網的運行效率。國內已經開展了多項儲能示范工程，如國家電網公司在張家口建設的國家風光儲輸示范工程；中國南方電網有限責任公司建成的深圳寶清 MW級電池儲能電站示范項目；中國電力科學研究院在張北建成的張北儲能并網實驗室等[1-4]。

在儲能電站運行過程中，儲能系統的可用容量能直接體現儲能系統發電性能。儲能系統是否有足夠的容量也關系到儲能電站是否能完成各項功能，儲能電站的運行人員可根據可用容量的大小對運行方式進行決策，同時容量是對電池進行維護的重要依據。鋰電池容量不是恒定不變的參數，其變化規律呈非線性，會隨循環次數的增加而衰減，同時受到多重因素的影響。在儲能系統循環過程中，電池性能衰減速度不同會加大單體電池電壓的不一致性。目前國內針對電池組不一致性的形成原因、不一致性對電池組使用壽命的影響等方面開展了廣泛的研究，并提出了針對電池組提高一致性的方法和措施，但這些研究成果多體現在動力電池組應用上[5-7]。

目前國內外已形成較為完備的針對鋰電池單體、鋰電池模組的容量測試標準。而針對儲能系統容量測試的標準，目前國內主要有2個系列標準：一是中國電力科學研究院牽頭編制的中華人民共和國能源行業標準NB/T 33016—2014《電化學儲能系統接入配電網測試規程》[8]；二是大容量儲能電站系列行業標準，目前還處于送審階段。

本文從儲能系統中不同電池組的單體電壓不一致性出發，針對200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統在不同時間段的電池系統容量和不一致性進行統計，分析單體電池電壓不一致性對系統容量衰減的影響。

1 測試方法

1.1 容量測試方法

在前述行業標準NB/T 33016—2014中，規定了電化學儲能系統容量測試方法[8]。

該方法規定了在額定功率充放電條件下，檢測儲能系統的充電容量、放電容量。具體步驟如下：

(1)在25(±5)℃ 條件下，以額定功率放電至額定功率放電終止條件時停止放電，熱備用狀態運行15 min；

(2)以額定功率充電至額定功率充電終止條件時停止充電，記錄充電能量，熱備用狀態運行15 min；

(3)以額定功率放電至額定功率放電終止條件時停止放電，記錄放電能量。

1.2 電池組串的電池電壓極差計算方法

電池組串電池電壓極差是指同一電池組串中最大單體電池電壓和最小單體電池電壓的差值，計算如式(1)所示：

Ur=Umax-Umin

(1)

式中：Ur表示電池組串的單體電池電壓極差；Umax表示電池組串中單體電壓最大值；Umin為電池組串中單體電壓最小值。

該指標能直觀體現電池組串的單體電壓一致性偏差。由于電池組串是由大量單體電池串并聯組成，在運行過程中難免由于性能差異導致部分單體電池提前衰退。電池單體容量衰退的表現為電池電壓發生變化，此電壓變化將會直接影響到電池單體充放電截止電壓，進而影響電池單體充放電容量。同時電池組串中電池單體電壓變化將會直接反映到整個電池串的電壓極差上，體現為電池組串電壓極差變大或縮小。因此電池電壓極差能有效反映這種衰退現象[9-12]。

1.3 容量衰減計算方法

容量衰減的計算方法如式(2)所示：

(2)

式中：λ表示容量衰減率；E1表示第1次容量測試結果；E2表示第2次容量測試結果；Er表示儲能系統額定容量。

2 不同電池儲能系統容量衰減分析

張北儲能并網實驗室具有200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統。其中200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統不具備充放電均衡控制策略，250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統具備充放電均衡控制策略，分別對這2種鋰電池儲能系統進行容量測試[13]。

2.1 200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統容量測試

2.1.1 系統參數

200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統參數如表1所示。

2.1.2 容量測試分析

采用1.1節所述的測試方法，2012年容量測試結果如下：充電容量為185.2 kW·h，放電容量為 176.3 kW·h；2014年容量測試結果如下：充電容量為133.248 kW·h，放電容量為122.059 kW·h。2012年和2014年200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統充放電電壓曲線如圖1、2所示。

表1 200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統參數

Table 1 200 kW/200 (kW·h) lithium battery energy storage system parameters in 2012

圖1 2012年200 kW/200 (kW·h)儲能系統充放電電壓曲線

圖2 2014年200 kW/200 (kW·h)儲能系統充放電電壓曲線

2.1.3 容量衰減分析

根據1.3節所述的計算方法，依據2次容量測試數據，對該儲能系統的容量衰減情況進行分析，結果顯示，經過2年的運行，儲能系統充電性能衰減了25.976%，放電性能衰減了27.120%。相對于充電性能，放電性能的衰減更為嚴重。

2.1.4 電池單體電壓不一致性分析

該儲能系統采用6個電池柜并聯的方式，基于2012年和2014年的儲能系統單體電壓歷史數據，選取每個電池柜中的單體電壓最大值和單體電壓最小值，進行單體電池電壓不一致性分析。

基于200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統歷史數據，對儲能系統的2012年和2014年的單體電壓最大值、最小值進行統計分析，每個單元都有6個電池組，統計分析結果如表2所示。

表2 2012年和2014年單體電壓數據

Table 2 Monomer voltage data in 2012 and 2014 V

由表2可知，2012年該儲能系統第1組單體電池電壓差最大(0.066 V)，第4組單體電池電壓差最小 (0.013 V)；2014年，第4組電池組的單體電池電壓差最大，達到了0.356 V，第2組單體電池電壓差最小，僅為0.012 V。總體上來看，2012年的單體電池電壓差之間的波動較小，2014年單體電池電壓差比2012年的單體電池電壓差波動要大得多，并且2014年的單體電池電壓差均大于2012年的單體電池電壓差。經過2年的運行，該儲能系統的單體電池電壓差變化較大。

對200 kW/200 (kW·h)儲能系統的單體電壓不一致性變化情況進行分析可知，總體上來看，2012年和2014年的單體電壓最大值之間的波動都不大，并且2012年的單體電壓最大值均大于2014年的單體電壓最大值。2012年單體電壓最小值之間的波動較小，2014年時單體電壓最小值之間的波動要大得多。

綜上可知，經過2年的運行，不具備充放電均衡控制策略的鋰電池儲能系統單體電壓不一致性會出現偏大的狀況；2012年和2014年的單體電壓最大值的差值為0.086 V；單體電壓最小值的差值達到了0.371 V。單體電壓最大值的變化相對于單體電壓最小值的變化較小，單體電壓最小值會影響到儲能系統的放電性能。因此，造成了該儲能系統的放電性能衰減更嚴重。

2.2 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統

2.2.1 系統參數

250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統參數如表3所示。

表3 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能單元參數表

Table 3 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system parameters

2.2.2 容量測試分析

采用1.1節所述的測試方法，2012年和2014年容量測試結果如表4所示，充放電電壓曲線如圖3、4所示。

表4 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統容量測試數據

Table 4 Capacity test data of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system in 2012 and 2014

2.2.3 容量衰減情況

根據1.3節所述的計算方法，結合2012年和2014年2次測試結果，對該儲能系統的容量衰減情況進行分析，可知從2012年到2014年，該系統的充電性能衰減了4.24%，放電性能衰減了2.6%。

2.2.4 電池單體電壓不一致性分析

該儲能系統采用7個電池柜并聯的方式，基于2012年和2014年的儲能系統單體電壓數據，選取每個電池柜的最大最小電壓進行電池單體電壓不一致性分析。2012年和2014年的電池單體電壓不一致性分析如圖5所示。

由圖5可知，2012年和2014年該儲能系統都是第3組單體電池電壓差最大，電壓差值分別為0.370，0.350 V；第5組單體電池電壓差最小，電壓差值分別為0.130，0.100 V。總體上來看，2012年的單體電池電壓差與2014年單體電池電壓差波動曲線幾乎重合，經過2年的運行，該系統的單體電池電壓差變化較小。

2012年第3組電池的單體電壓值最大(3.130 V)；2014年也是第3組電池的單體電壓值最大(3.180 V)。總體 上來看，2012年單體電壓的最大值的波動曲線與2014年單體電壓的最大值的波動曲線形狀幾乎一致，并且2014年的單體電壓最大值均大于2012年的單體電壓最大值。2012年，第3組電池的單體電壓值最小(2.760 V)；2014年也是第3組電池的單體電壓值最小(2.830 V)。總體上來看，2012年時的單體電壓最小值和2014年時單體電壓最小值都具有一定的波動。

圖3 2012年250 kW/1 (MW·h)儲能系統充放電電壓曲線

圖4 2014年250 kW/1 (MW·h)儲能系統充放電電壓曲線

圖5 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統單體電壓不一致性分析

2.2.5 儲能系統充放電深度統計分析

對250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統自投運以來的累計充電容量和放電容量進行統計分析，如表5所示。

表5 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統充放電次數統計分析

Table 5 Statistical analysis of charging and discharging times of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system

由表5可知，自該系統投運以來，累計充電-27 113.876 kW·h，相當于100% DoD(depth of diacharge)充電27.11次；累計放電23 003.166 kW·h，相當于100%DoD放電23次，充放電次數是造成該儲能系統容量衰減的主要原因。

3 結 論

(1)200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲能系統不具備充放電均衡控制策略，造成了電池單體電壓不一致性變得更差，影響了系統的充放電性能，加速了系統的容量衰減。

(2)250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲能系統具備充放電均衡控制策略，通過對2年期間的測試數據對比分析，電池單體電壓不一致性變化很小，對儲能系統的容量衰減影響較小。因此，通過電池儲能系統充放電均衡控制策略等手段，可延緩鋰電池的容量衰減。

[1]張文亮，丘明，來小康．儲能技術在電力系統中的應用[J]．電網技術，2008，32(7)：33-37． ZHANG Wenliang, QIU Ming, LAI Xiaokang. Application of energy storage technologies in power grids[J]. Power System Technology, 2008, 32(7):33-37.

[2]LI X J, HUI D, LAI X K. Battery energy storage station (BESS)-based smoothing control of photovoltaic (PV) and wind power generation fluctuations[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(2):464-473.

[3]LI X, LI J, XU L, et al. Online management of lithium-ion battery based on time-triggered controller area network for fuel-cell hybrid vehicle applications[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(10): 3338-3343.

[4]許守平，李相俊，惠東．大規模電化學儲能系統發展現狀及示范應用綜述[J]．電力建設，2013，34(7)：73-80． XU Shouping, LI Xiangjun, HUI Dong. A review of development and demonstration application of large-scale electrochemical energy storage[J]. Electric Power Construction, 2013，34(7)：73-80．

[5]高飛，楊凱，惠東，等．儲能用磷酸鐵鋰電池循環壽命的能量分析[J]．中國電機工程學報，2013，33(5)：41-45． GAO Fei YANG Kai, HUI Dong, et al. Cycle-life energy analysis of LiFePO4batteries for energy storage[J]. Proceedings of the CESS, 2013，33(5)：41-45．

[6]李又寧，李相俊，張亮，等．1 MW LiFePO4鋰離子儲能電池均衡實驗[J]．電池，2012，42(3)：136-137． LI Youning, LI Xiangjun, ZHANG Liang, et al. Equalization experiments for 1 MW LiFePO4energy storage Li-ion battery[J]. Battery Bimonthly, 2012，42(3)：136-137．

[7]許守平，候朝勇，胡娟，等．大規模儲能用鋰離子電池管理系統[J]．電力建設，2014，35(5)：72-78． XU Shouping, HOU Chaoyong, HU Juan, et al. Li-ion battery management system for large-scale energy storage[J]. Electric Power Construction, 2014，35(5)：72-78．

[8]國家能源局.電化學儲能系統接入配電網測試規程:NB/T 33016—2014[S]. 北京：新華出版社，2014.

[9]王震坡，孫逢春，張承寧．電動汽車動力蓄電池組不一致性統計分析[J]．電源技術，2003，27(5)，438-441. WANG Zhenpo, SUN Fengchun, ZHANG Chengning. Study on inconsistency of electric vehicle battery pack[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2003，27(5)，438-441.

[10]靳尉仁，龐靜，唐玲，等．鋰離子動力電池一致性評價方法的研究[J] ．電池，2014，44(1) ，53-56. JIN Weiren, PANG Jing, TANG Ling, et al. Research progress in evaluation methods of consistency of Li-ion power battery[J]. Battery Bimonthly,，2014，44(1) ，53-56.

[11]陳杰．鋰離子電池組健康狀況評估方法研究[D]．武漢：武漢理工大學，2014． CHEN Jie. Study on state of health evaluation for Li-ion battery pack[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2014.

[12]文玲鋒，李娜，白愷，等．大容量鋰電池儲能系統容量測試方法研究[J]．華北電力技術，2015(1)：41-44． WEN Lingfeng, LI Na, BAI Kai, etal. Study on the method of testing capacity of large scale battery energy storage systems[J]. North China Electric Power, 2015(1)：41-44．

[13]趙淑紅，吳鋒，王子冬．磷酸鐵鋰動力電池工況循環性能研究[J]．電子元件與材料，2009,28(11):43-47． ZHAO Shuhong, WU Feng, WANG Zidong. Study on operating mode cycle performance of lithium ion power battery with natural graphite and LiFePO4[J]. Electronic Components and Materials, 2009,28(11):43-47．

(編輯 張小飛)

Impact of Cell Voltage Inconsistency on Capacity Attenuation of Lithium Battery Energy Storage System

GUO Guangchao1, LI Xiangjun2, ZHANG Liang1, WANG Liye1, JIA Xuecui2, ZHANG Dong3

(1.Sunwoda Energy Solution Co., Ltd., Shenzhen 518108, Guangdong Province, China; 2. Electrical Engineering and New Material Department, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3.Shool of Automation Engineering，Northeast Dianli University， Jilin 132012，Jilin Province, China)

Among the same specifications and the same type of battery, cell inconsistency refers to the difference of voltage, internal resistance, capacity, etc. Among them, the performance of voltage inconsistency is relatively intuitive, which is easy to be measured. In megawatt battery energy storage power station, the voltage level and capacity needs of the energy storage system are met by series-parallel groups. The number of batteries cell is up to tens of thousands. Due to the inconsistency of battery cell, the overall performance of the energy storage system will be affected. This paper carries out the capacity calibrated experiments for 200 kW/200 (kW·h) and 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage systems during different time periods. After long time running, this paper analyzes the influence of the voltage inconsistency of battery cell on the capacity attenuation of battery system. The results show that, the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 4.24% after 2 year running, the discharging performance is attenuated by 2.6%, and the voltage inconsistency of battery cell changes little, while the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 25.976%, the discharging performance is attenuated by 27.120%. The result shows that the lithium battery energy storage system with charging and discharging equalization control strategy can improve the voltage inconsistency change of battery cell. This energy storage system has run the equivalent of charging 27.11 times with 100% DoD (depth of diacharge), or discharging 23 times with 100% DoD. The number of charging and discharging is the main reason for the capacity attenuation of the energy storage system.

lithium battery energy storage system; capacity attenuation; cell voltage; inconsistency

中國電力科學研究院科技創新基金項目(DG84-15-003);北京市科技新星計劃(Z141101001814094)

TM 912

A

1000-7229(2016)11-0023-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.004

2016-06-25

郭光朝(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向為能量存儲與轉換技術;

李相俊(1979)，男，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為大規模儲能技術、智能電網;

張亮(1984)，男，學士，工程師，主要研究方向為能量存儲與轉換技術;

王立業(1987)，男，學士，工程師，主要研究方向為能量存儲與轉換技術;

賈學翠(1984)，女，碩士，工程師，主要研究方向為能量存儲與轉換技術;

張棟(1993)，男，碩士研究生，主要從事電池儲能系統控制研究工作。