儲能電池組充放電電壓特性研究

龐凱歌 牛哲薈 董燕飛 劉曉芳 龐彩燕 朱可欣

摘 要：【目的】大容量集裝箱式鋰離子電池儲能系統通常由成百上千只電池單體串并聯而成，由于木桶效應，儲能系統中任一電池單體出現故障會導致系統容量衰減，嚴重時還會引發安全事故，及時甄別儲能系統中的故障電池尤為重要。【方法】本研究以電力儲能用磷酸鐵鋰電池組為對象，研究全充全放及脈沖充放電過程中電池組動態電壓特性，通過分析故障電池在全充全放及脈沖充放電過程中電壓變化特征，提出儲能電池組故障電池快速識別方法。【結果】儲能電池組全充全放過程中，故障電池僅在放電末端電壓出現大幅下降，脈沖充放電過程中，故障電池電壓隨充放電功率的增大快速降低。【結論】通過脈沖充放電方式，能夠快速識別并定位儲能電池組中的故障電池。

關鍵詞：儲能電池組；脈沖充放電；動態電壓

中圖分類號：TM912 ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0087-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.017

Study on Charging and Discharging Voltage Characteristics of Energy Storage Battery Cluster

PANG Kaige NIU Zhehui DONG Yanfei LIU Xiaofang PANG Caiyan ZHU Kexin

（Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： [Purposes] The large-capacity container-type lithium-ion battery energy storage system is usually composed of hundreds of battery cells in series and parallel. Due to the cask effect， the failure of any battery cell in the energy storage system will cause the system capacity to decay， and even cause safety accidents in serious cases. It is particularly important to timely identify the failed battery in the energy storage system. [Methods] Taking lithium iron phosphate battery pack for electric energy storage as the object， this study studied the dynamic voltage characteristics of battery pack in the process of full charge and full discharge， as well as pulse charge and discharge. Through analyzing the characteristics of voltage change of the faulty battery， a fast identification method of the faulty battery pack for energy storage was proposed. [Findings] In the process of full charge and full discharge of the energy storage battery pack， the voltage of the faulty battery only decreased significantly at the discharge end. In the process of pulse charge and discharge， the voltage of the faulty battery decreased rapidly with the increase of charge and discharge power. [Conclusions] Through pulse charging and discharging， it can quickly identify and locate the faulty battery in the energy storage battery pack.

Keywords： energy storage battery cluster; pulse charging and discharging; dynamic voltage

0 引言

鋰離子電池單體由于材料性能、制造工藝、生產批次等不同，其初始容量、電壓、內阻和衰減特性等參數不可避免地會產生差異，在電池成組后這種差異會逐級影響電池組、電池簇、電池堆及儲能系統的充放電特性，進而影響儲能系統的充放電效率和循環壽命，長期運行甚至會引發安全事故［1-2］。特別是大容量集裝箱式儲能系統，其電池單體串并聯數量較多，工作環境復雜，電池單體的不一致性會逐級放大，導致儲能電池組的不一致性問題更加突出，對儲能系統的充放電容量、效率、循環壽命和運行安全性的影響也更加嚴重。

目前，國內外很多學者針對鋰離子電池組的不一致性問題開展了大量研究工作，其中均衡技術，包括主動均衡、被動均衡和主被動一體均衡技術在一定程度上能夠緩解電池組的不一致性造成的影響。均衡技術雖然在以電池串、電池模組為單位的尺度內效果顯著，但是在以電池簇、電池堆及電池儲能系統的尺度上卻稍顯乏力［3-4］。如何在電池成組初期快速有效地檢測出儲能系統中的短板電池，保證電池組、電池簇、電池堆、儲能系統的一致性，以保障大規模電力儲能系統的安全性、可靠性、穩定性，是本研究的主要研究方向。

本研究以磷酸鐵鋰電池組為研究對象，設計了全充全放及脈沖充放電方式，分析研究了儲能電池組在不同充放電階段單體電壓的分布特性，以驗證脈沖充放電快速有效定位故障電池的可行性，為大容量儲能系統用電池組成組初期及運行過程中的不一致性檢測提供可借鑒的方式。

1 儲能電池成組設計

試驗采用的儲能電池組，由電池單體串并聯成電池模塊，再由電池模塊串聯而成。其中電池模塊由24只電池單體（江西產，額定容量155 Ah，額定電壓3.2 V）組成，成組方式為2并12串，其額定電壓為38.4 V，額定容量為310 Ah；儲能電池組由18個電池模塊串聯而成，包含電池單體數量432只，其額定電壓為691.2 V，額定容量為310 Ah，額定功率為107 kW。儲能電池成組設計時，某一電池單體存在電壓短板問題。

儲能電池組各電池模塊內部電池單體串并聯方式及電壓采集點布置如圖1所示，每個電池模塊設計12組電池單體電壓采集點，電池模塊前端安裝的電池管理系統從控單元完成電壓采集；儲能電池組共計采集216組電池單體電壓。

2 測試平臺搭建

2.1 充放電測試平臺

儲能電池組充放電測試平臺原理如圖2所示，主要由充放電測試儀（北京大華品耐科技有限公司，型號PSC900-300）、24 V電源模塊、保護單元、控制單元、電壓檢測單元（電池管理系統從控單元）及動力和通信線纜等組成，充放電測試儀、保護單元與動力線纜組成儲能電池組測試平臺的主回路，24 V電源、控制單元、電壓檢測單元組成儲能電池組測試平臺的檢測及控制回路。

2.2 測試方案

2.2.1 全充全放測試。

第一步：按照GB/T 36276電力儲能用鋰離子電池充放電測試方法，對儲能電池組進行初始化放電，隨后以額定功率進行充電，充電截止條件為任一單體電池電壓達到3.65 V，或儲能電池組SOC達到100%；提取儲能電池組在充電末端216組電池單體的電壓值。

第二步：儲能電池組以額定功率進行放電，放電截止條件為任一單體電池電壓達到2.80 V，或儲能電池組SOC達到0%；提取儲能電池組在放電末端216組電池單體的電壓值。

2.2.2 脈沖充放電測試。

第一步：按照GB/T 36276電力儲能用鋰離子電池充放電測試方法，對儲能電池組進行初始化放電，隨后將儲能電池組電量充至40%荷電狀態（state of charge，SOC）。

第二步：對儲能電池組進行脈沖充放電，脈沖充放電曲線如圖3所示，充放電功率依次為±10 kW、

±20 kW、±40 kW、±80 kW，充放電轉換間隔時間為60 s；提取儲能電池組在充電和放電過程中某一時刻216組電池單體的電壓值。

3 結果與討論

3.1 儲能電池組全充全放電壓特性

儲能電池組全充全放過程中，50% SOC狀態下及充電和放電末端電池單體電壓分布如圖4所示。50% SOC狀態下，電池單體電壓最大值為3.38 V，最小值為3.36 V，最大電壓差為0.02 V；充電末端，電池單體電壓最大值為3.65 V，最小值為3.52 V，最大電壓差0.13 V；放電末端，電池單體電壓最大值為3.08 V，最小值為2.80 V，最大電壓差為0.28 V，其中最小單體電壓對應的電池編號為158，即為故障電池。

儲能電池組全充全放過程中，編號為158的電池單體與任一正常電池單體（如編號160）的電壓變化曲線如圖5所示。結果顯示，在充放電過程中，158號電池單體與正常電池單體電壓曲線基本一致，僅在充電末端和放電末端出現較大幅度的變化。可見，儲能電池組中存在故障電池時，只有將電池組充電至滿電或放電至末端才能準確判斷及定位故障電池單體，該方法測試時間長，檢測效率低，且會造成較大的能量浪費。

3.2 儲能電池組脈沖充放電電壓特性

儲能電池組脈沖充電過程中，電池單體電壓分布及脈沖功率變化曲線如圖6所示，脈沖放電過程中，電池單體電壓分布及隨脈沖功率變化的曲線如圖7所示。其中電壓最低的電池單體對應的編號為158。

儲能電池組脈沖充放電下電池單體電壓統計結果見表1。結果顯示，隨著脈沖充電功率從10 kW增大到80 kW，編號為158的電池單體電壓隨之增大，單體電池最大電壓差由0.01 V增大到0.06 V；隨著脈沖放電功率從10 kW增大到80 kW，編號為158的電池單體電壓隨之減小，單體電池最大電壓差由0.02 V增大到0.05 V。由此可以判斷，編號為158的電池單體存在故障，在儲能電池組充電末端會先達到充電截止電壓3.65 V，放電末端會先達到放電截止電壓2.80 V，從而導致整個儲能電池組停止充放電，降低儲能電池組可用容量。

4 結語

本研究通過分析全充全放和脈沖充放電過程中儲能電池組單體電壓特性，提出儲能電池組故障單體電池識別及定位方法。全充全放過程中，儲能電池組在50% SOC、充電末端、放電末端的最大電壓差分別為0.02 V、0.13 V、0.28 V，故障電池單體在放電末端大幅下降，該方法可以作為儲能電池組故障電池識別方法，但效率低、能耗大。脈沖充放電過程中，儲能電池組故障電池單體電壓隨充放電功率的增大出現明顯下降，說明該方法可以快速準確識別故障電池，可為大容量儲能系統用電池組成組初期及運行過程中的不一致性檢測提供高效、低成本的解決方案。

參考文獻：

［1］ZHANG Z L，CAI Y Y，ZHANG Y，et al.A distributed architecture based on microbank modules with self-reconfiguration control to improve the energy efficiency in the battery energy storage system［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（1）：304-317。

［2］李索宇. 動力鋰電池組均衡技術研究［D］. 北京：北京交通大學，2011.

［3］李娜，白愷，陳豪，等. 磷酸鐵鋰電池均衡技術綜述［J］. 華北電力技術， 2012（2）：60-65.

［4］彭建華，潘繼雄，周幼華. 磷酸鐵鋰電池能量轉移均衡策略及其電路研究［J］. 電源技術，2020，44（6）：875-879.