儲能系統在充放電過程中的內阻不一影響分析

曹子沛，任遠林，沐 娟

(安徽工商職業學院 應用工程學校，安徽 合肥 231131)

鋰電池電芯出廠時的初始容量、電壓、內阻和衰減特性等參數不可能完全相同，串并聯組成大電流高電壓時會產生不均流不均壓等現象，這種不均衡日積月累會影響儲能系統的使用效率和循環次數，嚴重時會引發環流熔斷等安全隱患[1]，對上萬個電芯組成的大容量儲能系統而言，由于電池單體串并聯多，運行環境復雜加重電池的不一致問題，對儲能系統的可用容量、循環次數和穩定性的影響也更大，為了盡量避免儲能電芯存在的不一致性，業內技術人員對電池間的均衡技術展開了主動和被動均衡等多種方法的研究[2-4].文獻[5]提出一種含Buck電路的鋰電池均衡技術，其核心是低功耗均衡且在充放電以及待機3種狀態均能實現均衡，該方法的缺點是適用于單體電芯串并聯數量較少的電池不一致性，針對較多的單體數量系統效果不佳.文獻[6]在傳統電感均衡的基礎上，考慮了電流臨界模式的均衡控制方法，旨在用SOC方法控制的鐵鋰電池，實現能量從SOC最高的電池組向能量低的SOC電池組流動促進均衡.文獻[7]是在基于電感的串聯電池組下提出一種新型主動均衡拓撲結構，控制PWM(脈沖寬度調制)的觸發，對容量較高的能量單體進行放電，對能量較低的單體進行充電，從而實現均衡.此種方法的弊端是拓撲中功率開關光所需耐壓等級比較高.

大容量儲能系統近兩年剛興起，面對不均流、一致性等問題，業內做了很多均衡技術的探索，但目前針對電動車用電池分析的研究居多，針對儲能用電池均衡方法的研究較少，本文旨在利用實際平臺的實測數據進行電池簇間的不均流分析，針對這些數據做特征數據提取探討，以期為后續大容量儲能系統的電池運行特性提供指導.

1 鋰電池內阻

電池在充放電過程中存在極化現象，通常可將鋰離子電池極化分為歐姆極化、電化學極化和濃差極化3類，如圖1所示.廣義而言，和歐姆電阻(R)一樣，活化極化和濃差極化都可以理解成電池內阻的組成因素，即活化阻抗和濃差阻抗.活化極化和濃差極化的大小需要建立復雜的數學模型加以計算，本文引用成熟的理論闡述.

圖1 電池密度對極化的影響

把電極做一個等效電路，如圖2所示，主要由歐姆阻抗Rb、雙電層電容Cd、電化學反應阻抗Rct以及擴散電阻Rw組成.一般來講，在鋰離子的嵌入和脫出循環過程中，Rb值變化一般不大，而Cd和Rct的變化卻較為明顯.

圖2 極化等效電路圖

充放電過程中，各電池簇極化不同，等效Rb、Rct、Rw不同，在儲能逆變器(PCS)輸入輸出恒流時，由于直流內阻不同，導致電池簇間出現不均流的情況.

根據文獻[8]對LiFePO4/C鋰離子電池直流內阻進行相關測試，結果如圖3和圖4所示，直流內阻SOC在30%～80%范圍內相差不大，超出此范圍，電池充電/放電的極化電阻比較大，引起的電池內阻增大.

圖3 充電條件下直流內阻與SOC的關系(5 s)

圖4 放電條件下直流內阻與SOC的關系(5 s)

2 實驗測試

2.1 實驗方案

儲能系統在應用中，電芯串并聯后形成電池簇，電池簇間并聯形成儲能單元，儲能單元并聯升壓后形成大容量儲能電站.一個完整的儲能系統，包含多個電池簇并聯接入PCS，經過PCS轉換為交流并入電網，連接方式如圖5所示，實驗平臺如圖6所示.

圖5 儲能電池簇并聯示意圖

圖6 儲能電池簇實驗平臺

2.2 電池系統放電測試驗證

放電過程中電流差值隨SOC的變化過程曲線如圖7所示.可以看出在放電初始和放電末端時，有明顯的電流差值，分別為5.8 A和9.4 A.

圖7 放電過程電流差值隨SOC變化圖

附表1～7為系統放電過程中各個電池簇的部分測試數據，從數據中可以看出，系統在放電過程中，存在不均流的情況，不均流差值較大值出現在半容量及放電末端，其中7號電池簇初始放電電流最大，末端放電電流最小.

表1 SOC為99.69%時放電過程中電池簇的數據

表2 SOC為53.79%時放電過程中電池簇的數據

表3 SOC為20.56%時放電過程中電池簇的數據

表4 SOC為5.17%時放電過程中電池簇的數據

表5 SOC為2.93%時放電過程中電池簇的數據

表6 SOC為1%時放電過程中電池簇的數據

表7 SOC為0%時放電過程中電池簇的數據

系統結束放電后，電池簇處于并聯狀態，電池簇間出現環流進行自均衡，其中7號電池簇自均衡時電流最大，且為充電狀態.

2.3 電池系統充電測試驗證

充電過程中電流差值隨SOC的變化過程如圖8所示.可以看出在充電末端時，有明顯的電流差值，為21.3 A，在充電初始和平臺期，始終存在電流差值，范圍為1.3～3.74 A.

圖8 充電過程電流差值隨SOC變化圖

附表8～14為系統充電過程中各個電池簇的部分測試數據，從數據中可以看出，系統在充電過程中同樣存在不均流的情況，不均流差值最大值出現在充電末端，其中7號電池簇初始充電電流最大，充電末端電流最小.

表8 SOC為4.37%時充電過程中電池簇的數據

表9 SOC為19.41%時充電過程中電池簇的數據

表10 SOC為54.11%時充電過程中電池簇的數據

表11 SOC為82.42%時充電過程中電池簇的數據

表12 SOC為98.45%時充電過程中電池簇的數據

表13 SOC為99%時充電過程中電池簇的數據

表14 SOC為99.71%時充電過程中電池簇的數據

系統充電結束后，電池簇處于并聯狀態，電池簇間出現環流進行自均衡，其中7號電池簇自均衡時電流最大，且為放電狀態.

3 均流分析

根據表6中SOC為1%時放電過程中電池簇的數據結果可以看出，放電末端，7組電池簇的電流大小關系為

I4>I3>I5>I6>I1=I2>I7.

(1)

由于各電池簇并聯，故認為ΔU相同，根據式(1)，得出此時運行狀態下的7組電池簇內阻大小關系為

Rdc4

根據表13中SOC為99%時充電過程中電池簇的數據結果可以看出，充電末端，7組電池簇的電流大小關系為

I4>I1>I3>I5>I6>I2>I7，

同理根據式(1)，得出此時運行狀態下的7組電池簇內阻大小關系為

Rdc4

根據上述分析可知，充放電末端，4號電池簇直流內阻最小，7號電池簇直流內阻最大，4號與7號電池簇的不均流差最大.

以上充放電停止后，電池簇之間開始自均衡，圖9為電池簇并聯等效電路圖，根據基爾霍夫電流定律KCL及電壓定律KVL，可得：I=I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7，

圖9 電池簇并聯等效電路圖

充放電結束后，此時I= 0，即

I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7= 0.

充放電電流消失后，認為是由于歐姆極化消失，電池簇歐姆極化分壓變為0，此時壓降由電化學極化和濃差極化共同產生.

放電結束時，各電池簇SOC電流如表15所列(注：以下數據，記錄時刻存在一定的時間差)，

表15 放電結束時各電池簇電流

因為I1+I2- |I3|- |I4|- |I5|- |I6|+I7= 0，

根據測試數據，7號電池簇充電電流最大，4號電池簇放電電流最大，放電方向為電流方向，故U7

同理，充電結束時，U7>U4.

充放電末端在充放電過程中充放電電流較大的電池簇(7號)先接近充電/放電末端，直流內阻增加，從而抑制其充電/放電，同時刻其電流值最小.系統繼續充放電，當達到截止電壓時，電池簇的充放電深度不同，在系統停止放電后，歐姆極化內阻消失，電池簇的電勢差存在差異，7號電池簇有最大的充電電流，4號電池簇有最大的放電電流，故U7U4.該電勢差形成充放電后的內部環流，電池簇間自均衡.

4 結論

系統充放電過程中，由于電池簇間直流內阻存在差異，測試過程中明顯存在充放電不均流的情況，而充放電末端，充放電過程中電流較大的電池簇先接近充電/放電末端，直流內阻增加，從而抑制其充電/放電，同時刻其電流值最小.在系統停止放電后，歐姆極化內阻消失，電池簇的電勢差存在差異，該電勢差形成充放電后的內部環流，電池簇間自均衡.

儲能系統中，電池簇多并聯，會出現不均流、不均壓情況，為了更有效地避免此類問題發生，提供兩點參考意見：一是電芯采購過程中要求電芯廠商按集裝箱用量供應同檔位容量的電芯；二是禁用DOD初始和末端，如限制SOC使用范圍在5%～100%，可有效規避鐵鋰電池在放電末端因其自身陡峭特性曲線觸發的電芯電壓差放大、環流放大.同時，縮減電芯窗口電壓也有利于保障電芯循環壽命，當然，限制DOD會犧牲一部分可用容量.本文測試的數據及分析過程對解決電池簇之間的不均流有一定的指導意義，為后續解決不均流問題提供了分析基礎.