薛金花，葉季蕾，張 宇，時珊珊， 樸紅艷

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

儲能系統(tǒng)中電池成組技術及應用現(xiàn)狀

薛金花1，葉季蕾1，張 宇2，時珊珊2， 樸紅艷2

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

大容量鋰電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用發(fā)展?jié)摿薮螅M管國內單體制造技術已相對成熟，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題也亟待解決。基于儲能系統(tǒng)電池成組的特點，分析了成組應用中影響電池組性能的因素，并從應用角度介紹了當前國內電池成組技術的現(xiàn)狀，提出了儲能系統(tǒng)中電池成組與集成技術的關鍵問題，并歸納了未來儲能系統(tǒng)中成組技術的發(fā)展方向。

儲能系統(tǒng)；電池成組；應用

綜合儲能系統(tǒng)的技術、規(guī)模、靈活性等多方面特點，電池儲能在大規(guī)模存儲技術中具有廣泛的應用前景[1-3]。國家電網公司、中國南方電網相繼建成了MW級電池儲能電站示范項目，部分儲能廠家也建立了kW-MW級電池儲能系統(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題，已成為兆瓦級電池儲能系統(tǒng)應用推廣的瓶頸因素。當前，研究者和廠家正積極尋求理論和技術上改進電池成組與集成應用技術的解決途徑。

1 儲能系統(tǒng)中電池成組方式

將儲能支路定義為儲能系統(tǒng)的最小組成單元，由一臺儲能變流器(PCS)、電池堆(BP)和電池管理系統(tǒng)(BMS)構成。電池堆是儲能支路的核心單元，由單體電池的串并聯(lián)組合構成，即傳統(tǒng)意義上的電池成組，設計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]，其層次關系如圖1所示。

圖1 儲能電池成組設計層次結構

MW級大容量儲能電站需要成千上萬支單體電池，典型的成組設計如圖2所示。比亞迪于2009年建立1MW×4 h磷酸鐵鋰電池儲能示范電站，儲能單元額定功率為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)構成標準電池模組，20塊模組串聯(lián)組成電池組，3組電池組并聯(lián)得一個100 kW單元。2011年，ATL在松山湖廠區(qū)建設1 MW×2 h的儲能示范電站，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個模塊串聯(lián)成一個電池串，15串并聯(lián)構成單支路電池儲能系統(tǒng)。

圖2 國內典型示范工程電池成組設計

2 電池成組性能的影響因素

由于電池連接和集成技術限制，電池組在比能量、比功率等參數(shù)上遠遠不能達到單體電池的水平。更為嚴重的問題是電池組內容易發(fā)生單電池的過充、過放、過流和超溫現(xiàn)象，伴隨著明顯的容量衰減，不僅導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)使用和維護成本增加，甚至可能發(fā)生嚴重的燃燒等安全問題。單體鋰離子電池的循環(huán)壽命可達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。在電池的使用過程中，充放電過程、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充過放，容易出現(xiàn)部分電池長期充電不足而鈍化，部分電池長期過放而受損害，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)識別的復雜性，不利于電池管理。

2.2 串并聯(lián)方式

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

“先并后串”可促進并聯(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，能有效保證各個電池之間不存在容量偏差，而且電池管理系統(tǒng)能對串聯(lián)支路進行監(jiān)測及保護。

2.3 連接技術

電池的串并聯(lián)連接電路中，連接端子是成組設計的關鍵，其腐蝕問題是連接技術的瓶頸。在電池的使用過程中，連接端子由于長時間的氧化腐蝕，接觸面電阻也相應變大，產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題的手段包括電芯外表面包覆膜等技術。

2.4 運行工況

保持合理電池組的充電方式、放電功率和放電深度對于保證電池組長壽命穩(wěn)定運行很有必要。過充、過放都將嚴重影響電池組的使用壽命，蓄電池組在長期大電流、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性能的重要因素，高溫、過低溫不利于電池發(fā)揮應有性能。在允許溫度范圍之外禁止儲能系統(tǒng)充電，防止造成永久性容量衰減和安全問題。

3 電池成組應用技術現(xiàn)狀

3.1 電池分選

根據采集的單體電池特征數(shù)據進行分組匹配，選用性能參數(shù)接近的電池成組，保證每個串聯(lián)模組、并聯(lián)模組中的電芯相對一致性。主要評價參數(shù)有容量、開路電壓、動態(tài)放電曲線。

在大容量儲能電站中，采用模塊化和電池容量冗余的設計。在運行過程中某些單體電池性能發(fā)生衰減嚴重或損壞，根據工況模擬實驗，配選與模組中其他性能參數(shù)接近的電池將其替換，將替換下來的電池組重新進行再分組待用。

3.2 充放電管理技術

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和設備。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是導致電池組壽命下降和安全問題的原因之一。

在鋰離子電池的使用過程中，要確保單體電池不發(fā)生過充、過放、超溫和過流的現(xiàn)象。充放電過程中，最大允許充放電電流是受到最高允許充放電電壓、內阻和極化電壓限制的變量。充放電管理應直接面向電池組中充/放電的最高/最低電壓的單體，對充放電過程中的電流進行實時智能化控制[5]。當極端單體電壓達到給定值時，及時調整充電電流，保證其在允許的電壓范圍內。

機械工程總院對基于極端單體電池應用技術和設備進行了研究和開發(fā)，并通過國家“863”和北京奧運電動汽車示范運行項目的應用進行了驗證，表明基于極端單體電池充電控制方法技術原理簡單清晰，控制策略簡便易行，控制對象明確，控制參數(shù)獲得簡單可靠，電池在任意使用狀態(tài)下，不會發(fā)生單體電池過充。

3.3 均衡管理技術

根據電池組一致性評價標準，當前主要采用基于電壓的均衡策略[6]。實用均衡技術包括有損無源和無損有源技術2種：(1)有損無源技術，也稱為放電均衡、被動均衡，是單體電池外加電阻旁路的結構，效率低，在電池過充時實現(xiàn)電流均衡的效果，但在電池放電時無法達到均衡的目的；(2)無損有源技術，也稱為能量轉移法、主動均衡法，采用電池外加DC/DC的電路結構，效率高，能實現(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，電路結構復雜，可靠性有待提高。

自動均衡裝置對于經常處于浮充狀態(tài)的電池組具有良好的均衡作用，是應對電池組不一致性的有效技術措施。目前國內的各廠家技術水平只限于數(shù)量較少的電池均衡，從實際效果、成本、體積方面看，尚不符合儲能電站或電動汽車的要求。

3.4 熱管理技術

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，避免因溫度場差異造成的電池性能不一致性；同時避免電池組內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。相較于冷卻問題，加熱問題還沒有引起足夠的重視[7]。目前電池儲能系統(tǒng)主要考慮散熱設計，通常采用強制風冷、水冷等方法，通過溫度場建模，分析電池產品不同位置產生的熱量[8-9]；再結合熱場分析，設計電池箱各電芯的間隙、測量點位置及散熱風道。

電池及電池模塊熱效應模型的建立、電池箱溫度場建模及仿真模擬分析、電池箱溫度場控制設計及構建都是熱管理的技術難點。

4 儲能系統(tǒng)中電池成組應用技術的關鍵問題

綜合考慮智能電網中不同應用場合需求、電池本體的性能特點和工藝水平，大容量電池儲能系統(tǒng)的應用和推廣應當遵循標準化設計、高集成架構、智能化控制、靈活性應用的一體化發(fā)展趨勢。因此，儲能系統(tǒng)中的電池成組應用不僅在電池本體制造和成組技術上有待突破，更需綜合考慮與系統(tǒng)其他組成部分的配合、系統(tǒng)級集成和管理，最終實現(xiàn)儲能系統(tǒng)整體應用解決方案。

（1）儲能電池模塊化設計與集成方法

標準化電池模塊設計與集成是電池儲能系統(tǒng)大容量化的基礎。建立標準化的電池模塊參數(shù)要求，使電池和電池管理單元以最優(yōu)的方式組合，保證可擴展性和可移植性，經過標準化通訊接口和電池管理系統(tǒng)整合，實現(xiàn)電池儲能單元集成。

電池標準化參數(shù)與接口設計，向上可方便單個儲能系統(tǒng)控制、多個儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調；向下則為模塊設計的靈活性提供基礎，保證系統(tǒng)對于不同電池類型和性能的適應性，尤其是考慮到目前研究上對于超大容量鋰電池的經濟性和安全性的質疑，而廠家技術水平差異大；此外，橫向上還為電池的梯級利用預留了發(fā)展空間。

（2）大容量儲能變流器與電池本體的匹配技術

電池與PCS的匹配技術，包括PCS與電池在容量和數(shù)量上的優(yōu)化配比，以及針對不同類型電化學電池差異性要求的PCS裝置控制策略優(yōu)化方案。由于儲能電池系統(tǒng)中電池模塊眾多，串并拓撲復雜，如果儲能變流器與電池系統(tǒng)匹配不當，很容易導致電池系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流/對充等問題。

（3）大容量電池儲能系統(tǒng)的監(jiān)控平臺開發(fā)

大容量需要在現(xiàn)有的廠(站)監(jiān)控平臺上深化開發(fā)適用于大容量儲能電站的監(jiān)控調度系統(tǒng)。MW級儲能電站信息點比較多，僅電池相關的點數(shù)規(guī)模就在30萬以上，對監(jiān)控系統(tǒng)的容量與接入是一個挑戰(zhàn)；區(qū)域電池儲能系統(tǒng)集中管理和控制，要同時滿足容量和實時性的要求，站內信息的分層分區(qū)設計及工程實現(xiàn)是技術難點，其優(yōu)化調度方法與高級應用功能有待研究。

（4）不同應用場合下的系統(tǒng)規(guī)范化設計與針對性應用策略研究

智能電網中不同應用場合對于電池儲能系統(tǒng)的容量、充放電性能等性能要求差異較大、各有側重，應進行針對性研究。統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)應用需求與電池長壽命運行要求，實驗和仿真研究不同應用場合下電池儲能系統(tǒng)接入電網的動、穩(wěn)態(tài)特性分析，制定不同應用場合下系統(tǒng)集成和電網接入的技術規(guī)范，開發(fā)可保證電池長壽命運行的PCS充放電控制、儲能裝置與可再生能源發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調度等高級應用策略。

5 展望與結論

結合目前國內技術現(xiàn)狀，當前在電池成組技術應用的可行方向是從技術層面上提高，積極推進示范工程的試點運行工作，為電池儲能系統(tǒng)的進一步技術發(fā)展和理論深化提供充分的實驗數(shù)據與平臺支撐。未來需重點突破的技術包括：加快大容量單體電池研制，簡化電池模塊的串并聯(lián)連接，模塊標準化應用；實現(xiàn)靈活的電池分選、冗余保護和高效的模塊均衡控制，以應對當前電池一致性差異大及狀態(tài)辨識可靠性不高的條件限制；統(tǒng)計分析研究不同應用環(huán)境和使用工況下的電池組失效模式和壽命分布，進行電池組剩余壽命預測。此外，電池儲能系統(tǒng)的規(guī)?；蓱秒x不開儲能電池、儲能變流器、管理系統(tǒng)三者的協(xié)調匹配。因此，變流器與電池的匹配技術、高效的控制策略也是儲能系統(tǒng)中電池成組應用的關鍵。

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

[2] 方彤，王乾坤，周原冰.電池儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用評價及發(fā)展建議[J].能源技術經濟，2011，23(11)：32-36.

[3] 楊勇.新型鋰離子電池正極材料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].新材料產業(yè)，2010(10)：11-14.

[4] 吳福保，楊波，葉季蕾,等.大容量電池儲能系統(tǒng)的應用及典型設計[C]//第十三屆中國科協(xié)年會第15分會場-大規(guī)模儲能技術的發(fā)展與應用研討會論文集.天津:中國科學技術協(xié)會，2011.

[5] 錢良國，郝永超，肖亞玲.鋰離子等新型動力蓄電池成組應用技術和設備研究最新進展[J].機械工程學報，2009，45(2)：2-11.

[6] 李索宇.動力鋰電池組均衡技術[D].北京：北京交通大學，2011.

[7] 付正陽，林成濤，陳全世.電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)的關鍵技術[J].公共交通科技，2005，22(3)：120-123.

[8] 王麗娜，楊凱，惠東,等.儲能用鋰離子電池組熱管理結構設計[J].電源技術，2011，35(11)：1351-1353.

[9] 惠東.電池儲能規(guī)模化系統(tǒng)集成及應用[C]//第十三屆中國科協(xié)年會第15分會場-大規(guī)模儲能技術的發(fā)展與應用研討會論文集.天津:中國科學技術協(xié)會，2011.

《燃料電池基礎》

燃料電池（M F C）是21世紀最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機和環(huán)境污染等問題。本書是一本淺顯易懂的教材和專業(yè)入門書籍，涵蓋了關于燃料電池的基礎科學與工程學。本書側重于基本原理，簡單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨特的優(yōu)勢等。

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

上海市科委科研計劃項目（11dz1211500）；江蘇省科技支撐計劃項目（BE2011011）；2012年國網公司技術服務項目（JF12-090008）

薛金花（1984—），女，江蘇省人，碩士，工程師，主要研究方向為電池儲能容量配置、儲能系統(tǒng)設計和儲能電池的成組技術。