劉璐，李相俊，賈學(xué)翠，惠東

(1.北京迅力世達技術(shù)有限公司, 北京市 100102； 2.中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京市100192)

梯次利用儲能電池管理技術(shù)與試驗應(yīng)用

劉璐1，李相俊2，賈學(xué)翠2，惠東2

(1.北京迅力世達技術(shù)有限公司, 北京市 100102； 2.中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京市100192)

為了保證梯次利用電池儲能系統(tǒng)的安全可靠運行，提出了100 kW·h梯次利用儲能電池系統(tǒng)的安全電池管理系統(tǒng)。首先，針對梯次利用的100 kW·h儲能用動力電池的特性進行初步分析，包括儲能系統(tǒng)中梯次利用電池的容量分布分析、不同容量電池在某特定工況下電池模組的SOC-OCV特性分析、系統(tǒng)充放電容量測試、電池容量不一致性分析等，明確了針對梯次利用電池管理的主要關(guān)鍵參數(shù)。其次，為了保證梯次利用電池儲能系統(tǒng)的安全可靠運行，對梯次利用電池的特性進行了系統(tǒng)安全可靠性分析，采用了系統(tǒng)級的故障診斷方法和多級故障報警策略。最后，用開發(fā)的電池管理系統(tǒng)樣機進行系統(tǒng)容量測試驗證。試驗結(jié)果表明，此電池管理系統(tǒng)滿足梯次利用電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

動力電池；梯次利用；電池管理系統(tǒng)；電池特性

0 引 言

根據(jù)發(fā)展新能源汽車的相關(guān)規(guī)劃，預(yù)計到2015年底，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產(chǎn)銷量超過50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達200萬輛，累計產(chǎn)銷量超過500萬輛。電動汽車的核心部件之一是動力電池，隨著動力電池在電動汽車中使用壽命的結(jié)束，從電動汽車上退役下來的動力電池將大量存在。即使退役之后，這些動力電池仍可保持一定的電性能，因此可采用梯次利用的方式實現(xiàn)退役動力電池的資源利用最大化[1]。

目前，國內(nèi)外均已有多項關(guān)于常規(guī)電池儲能系統(tǒng)集成與應(yīng)用的示范工程[2]，如國家電網(wǎng)公司的國家風(fēng)光儲輸示范工程[3]、南方電網(wǎng)公司的深圳寶清鋰電池儲能電站[4]、國電龍源臥牛石風(fēng)電場全釩液流電池儲能系統(tǒng)[5]、中國電力科學(xué)研究院張北儲能并網(wǎng)試驗基地等，主要用于開展電池儲能系統(tǒng)提高風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)友好性、配電網(wǎng)側(cè)削峰填谷、降低棄風(fēng)等應(yīng)用[3-7]。儲能用電池系統(tǒng)將單體電池經(jīng)過串、并聯(lián)組成電池箱(電池包)，每個電池箱配有1個電池監(jiān)控單元(battery management unit, BMU)，幾個BMU組成1個子電池系統(tǒng)管理單元(slave battery management unit, SBMU)，根據(jù)儲能容量的需要，再由適當(dāng)數(shù)量的SBMU組成1個主電池系統(tǒng)管理單元(master battery management unit, MBMU)，并配備就地監(jiān)控系統(tǒng)、高壓檢測和絕緣監(jiān)測模塊等功能模塊，構(gòu)成電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)。儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)包含多個功能模塊，其中單體電池數(shù)據(jù)檢測、電池狀態(tài)估計以及均衡管理是目前研究熱點[8]。

目前，在電動汽車充換電站、電動場地車、電動叉車和電力變電站直流系統(tǒng)等方面有一些梯次利用動力電池的應(yīng)用案例[9-11]。針對梯次利用動力電池開展的主要研究包括電池組均衡技術(shù)研究[12]、梯次利用電池的特性分析[13-14]、梯次利用電池容量估計[15]、梯次利用電池儲能裝置的控制策略研究以及容量配置技術(shù)研究[9，16]等。目前的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段，主要的應(yīng)用對象是電動汽車和儲能項目中的新電池模組。梯次利用電池容量衰減到一定程度后，內(nèi)阻增大，不一致性明顯，荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)，健康狀態(tài)(state of health，SOH)的特性不一,因此不安全因素增多,針對性的電池管理技術(shù)尚處于探索階段。

本文在滿足儲能系統(tǒng)本身的需求，并考慮其安全，可靠運行的條件下，提出針對儲能用梯次利用電池的電池管理系統(tǒng)設(shè)計方案，并開展實測試驗分析與驗證。

1 梯次利用電池儲能系統(tǒng)

本文中用于測試的梯次利用電池儲能系統(tǒng)容量為100 kW·h，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計方案

100 kW·h梯次利用電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)采用3級管理架構(gòu)設(shè)計，由MBMS、SBMS和BMU組成。系統(tǒng)支持對電池的精細化管理，對每個電池模塊(電池模組)進行電壓和溫度采樣,并實現(xiàn)分析和管理。電池管理系統(tǒng)各級之間以及電池管理系統(tǒng)與儲能變流器(power conversion system, PCS)之間的通訊采用高速CAN總線通訊，保證系統(tǒng)控制的快速性、可靠性和實時性,實現(xiàn)對整個儲能電池系統(tǒng)的監(jiān)控和狀態(tài)分析，并根據(jù)PCS運行要求提供必要的狀態(tài)數(shù)據(jù)和報警信息。同時SBMS、MBMS與就地監(jiān)控系統(tǒng)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊。

圖1 100 kW·h梯次利用電池儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

BMU為電池管理系統(tǒng)最基本單元，每個BMU模塊對每個電池箱內(nèi)的多個電池模組進行電壓和溫度采樣，進行電池箱內(nèi)的環(huán)境溫度管理。SBMS實現(xiàn)單個組串內(nèi)部的電池管理和控制功能，對每個電池箱信息的采集和管理、高壓繼電器控制以及組串電壓和電流采樣；根據(jù)每個電池箱內(nèi)的電池模組的信息實現(xiàn)SOC計算功能，并把PCS運行所需的各種信息及報警信息發(fā)送MBMS。MBMS根據(jù)PCS的要求提供其運行所需的各種信息，包括系統(tǒng)SOC、直流電壓、電流、單體最高電壓、單體最低電壓、故障信息等。梯次利用電池的BMU和BMS的技術(shù)性能指標(biāo)分別如表1、2所示。

近幾年關(guān)于SOC估算方法已經(jīng)有多種論述，每種方法都具有在某些條件下的獨特優(yōu)勢。目前實際應(yīng)用的SOC估算方式主要采用以電流累積為主，加上不同的調(diào)整方式。

針對梯次利用電池儲能系統(tǒng)的特點，本文采用改進安時累積法，以電流累積為主，以靜態(tài)電池電壓為參考，同時考慮梯次利用電池的容量衰減因素，以及相關(guān)的溫度，能量效率，自放電等對電池容量的影響，依靠高精度的電池管理模塊對電流和電壓等參數(shù)進行采集并分析，對本系統(tǒng)電池進行針對性的特性測試，結(jié)合上述的歷史測試數(shù)據(jù)分析得到適合100 kW·h系統(tǒng)的SOC估算策略。

表1 梯次利用電池BMU的技術(shù)參數(shù)

Table 1 BMU parameters of echelon-use battery

表2 梯次利用電池BMS的技術(shù)參數(shù)

3 梯次利用電池的特性及分析

對車用的動力電池進行梯次利用，需要對梯次利用的電池進行篩選，對電池特性進行深入分析，并提出針對這種退役電池的控制策略和可運用于工程實施的安全邊界。

100 kW·h梯次利用儲能電池組串中各電池包的容量分布如表3所示。

從表1數(shù)據(jù)分析可知，本項目的退役電池出廠的額定容量是200 Ah，退役后容量檢測，各包電池均有不同的容量衰減(12%～20%)，衰減最大的達到了20%。

3.1 SOC-OCV特性驗證

針對電池組串的電池容量數(shù)據(jù)，對梯次利用電池進行DOD-OCV特性分析，具體見圖2。圖3是本次梯次利用電池在不同容量下的DOD-OCV曲線。針對磷酸鐵鋰電池的特點，容量為額定容量的100%時，DOD平臺在10%～90%都比較平的。

表3 梯次利用電池包的容量分布

Table 3 Capacity distribution of echelon-use battery packs Ah

圖2 梯次利用電池包DOD-OCV曲線

圖3 梯次利用電池在不同容量下的DOD-OCV曲線

電池容量從額定容量的100% 衰減到電池容量占額定容量的80%，從DOD-OCV特性分析數(shù)據(jù)看，在電池容量40%～100%區(qū)間內(nèi)，即0%～60% DOD的范圍內(nèi)，可以定量的看到，在每個DOD數(shù)據(jù)對應(yīng)的電池特性曲線上的OCV數(shù)據(jù)相差很小。

由圖3可知：(1)在對梯次利用電池進行二次使用時，在SOC大于40%的范圍內(nèi)系統(tǒng)容量變化不大，SOC低于40%后，單體的不一致性會逐漸突出，充放電過程中電池單體的電壓差逐漸增大，同時容量衰減大的電池，會很快達到單體電壓低的安全閾值，且隨著放電次數(shù)的增加，加快其衰減速度，也更容易出現(xiàn)電池故障。

(2)在DOD約65%的位置，最早出現(xiàn)了容量為額定容量80%的單體電池的OCV數(shù)據(jù)拐點，在一段期間內(nèi)，隨著容量的變化，單體電池電壓沒有明顯的變化，是梯次利用電池的最佳工作區(qū)間；在DOD約70%的位置，額定容量80%的單體電池的OCV數(shù)據(jù)拐點2，dQ/dU的變化率增大，OCV相對于容量變化的敏感度開始增加，容量的變化開始引起OCV的較明顯變化；在DOD約75%的位置，額定容量80%的單體電池的OCV數(shù)據(jù)拐點3，dQ/dU的變化率最大，而且OCV相對于容量的變化敏感度高，容量的微小變化都會引起OCV較大的變化。因此在進行容量測試時，根據(jù)統(tǒng)計的電池容量分布和OCV數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得到實際使用的SOC-OCV數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)充放電的安全閾值設(shè)定為[25%SOC, 95%SOC]，并將其細分成下面的幾段：[25%SOC, 30%SOC],[30%SOC, 35%SOC],[35%SOC， 40%SOC]以及[40%SOC， 95%SOC]，對電池單體的參數(shù)在各個容量段段的狀態(tài)進行針對性分析和處理。

3.2 儲能工況下容量測試

針對100 kW·h梯次利用儲能電池組進行容量測試，電池是國內(nèi)某廠家提供的磷酸鐵鋰退役動力電池包(標(biāo)稱電壓3.2 V，標(biāo)稱容量200 Ah)。每個電池包由8個電池模塊串聯(lián)組成，整個電池組由30個電池包串聯(lián)構(gòu)成，標(biāo)稱總電能為153.6 kW·h。

電池組的充放電測試采用250 kW儲能變流器，在測試過程中儲能電池組放置在室溫15 ℃的測試間內(nèi)，溫度波動對電池的測試結(jié)果干擾很小。

電池容量測試包括容量測試和恒流充放電測試。測試步驟(以恒流充放測試為例)如下。

步驟1: 用0.3 C倍率電流對電池放電，到某單體電池電壓低于某電池電壓(如2.9 V),系統(tǒng)單體電壓低I級報警，單體電池低于某電池電壓(如2.85 V)，系統(tǒng)發(fā)單體電壓低II級報警，并發(fā)送限功率請求給ES-250K，系統(tǒng)限功率，某單體電壓低于某電池電壓(如2.8 V)，系統(tǒng)發(fā)送單體電壓低III級報警，并發(fā)送停機請求給ES-250K，系統(tǒng)停機；

步驟2: 系統(tǒng)靜置15 min；

步驟3: 用0.3 C倍率電流對電池充電，到某單體電池電壓高于3.6 V,系統(tǒng)單體電壓高報警，單體電池高于3.65 V，系統(tǒng)發(fā)單體電壓高報警，同時發(fā)送停機請求給ES-250K，系統(tǒng)停機；

步驟4: 系統(tǒng)靜置15 min；

步驟5: 上述步驟1～步驟4重復(fù)3次，以其中放電容量最低的一次數(shù)據(jù)為0.3 C下電池的實際放電容量。

如圖4所示，采用60 A(0.3 C)電流放電，總電壓從801.2 V降至761.3 V，直到組串中單體電池放電截止電壓下降到2.85 V,持續(xù)約160 min，總計電能為111.96 kW·h。容量測試結(jié)果見表4所示。

圖4 電池組放電總電壓

儲能電池在不同的使用條件下，輸出能量是變化的，而且隨著電池容量的衰減，電池的內(nèi)阻增大，輸出效率逐漸降低。在恒流測試中，使用小電流充放，放電能量占總?cè)萘康?2.8%。

3.3 不一致性分析

在放電啟始階段，電池單體的差異性不大，單體電池的電壓差在20 mV以內(nèi)；隨著放電時間的增加，電池單體的容量降低，電池單體的差異逐漸表現(xiàn)出來，當(dāng)容量放出30%后，單體電壓差增大到約60 mV；由于電池的容量不一致，在恒流放電容量測試的最后階段，單體電壓的不一致逐漸增大，壓差最大達到約350 mV；同時容量低的電池單體電壓值迅速降低，dU/dt迅速增加，系統(tǒng)很快達到預(yù)先設(shè)定的安全閾值并停止放電。

放電過程中，每個電池包內(nèi)的電池單體的差異都不同，圖5所示是電池分布不一致性最大的2個電池包在充放電過程中的電壓分布情況。圖5(a)所示的電池包內(nèi)，電池單體的不一致性大，壓差最大到約240 mV；圖5(b)所示的電池包內(nèi)，電池單體的不一致性較小，壓差最大到約90 mV。針對電池組中大容量(200 Ah)電池的不一致性，本文采用離線式主動均衡模塊，對系統(tǒng)中容量低的電池進行主動能量補償，盡量減少電池組內(nèi)電池模塊間的不一致性，即容量不一致性。離線式主動均衡采用外部電源供電，通過AC/DC，DC/DC轉(zhuǎn)換以及隔離技術(shù)，直接將外界的能量直接轉(zhuǎn)移為電池模組中需要補充能量的某個電池模塊里，和電池管理采集模塊配合使用，通過軟件控制智能開關(guān)選擇均衡的通道，根據(jù)工程實際需要可以進行靈活配置參數(shù)。

圖5(b)中的最下面2條曲線代表的電池單體，容量相對其他電池單體較低，對這2只電池單體進行均衡，最后達到的效果如圖6所示。實驗表明，均衡后電池組一致性明顯改善,電池組充放電時間明顯變長,電池組充入更多容量,同時電池組放出的容量比均衡前多，充電過程中單體電池之間的電壓差較均衡前明顯減小，充電完成后整組電池電壓高于均衡前的電壓。

圖5 放電過程中電池電壓分布曲線

3.4 系統(tǒng)可靠性分析和故障報警

測試的儲能系統(tǒng)共采用了240個電池模塊，如果其中任何一個電池模塊的故障沒有及時檢測和反饋，都會影響整個儲能系統(tǒng)的正常工作。為了提高系統(tǒng)安全性和可靠性，從系統(tǒng)安全的角度對儲能電池進行保護。分別對系統(tǒng)信號，電氣信號，以及其他環(huán)境參數(shù)信號進行針對性的分析和判斷，設(shè)立多級報警機制，與PCS以及上層就地監(jiān)控系統(tǒng)實時通訊，及時發(fā)現(xiàn)故障并執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖6 均衡前、后第11個電池包在放電過程的電壓分布曲線

系統(tǒng)級安全參數(shù)設(shè)置，主要包括梯次利用電池儲能系統(tǒng)的總電壓，總電流，通訊狀態(tài)，環(huán)境數(shù)據(jù)(如溫度,煙霧檢測等)，以及漏電和絕緣等參數(shù)在不同故障狀態(tài)和等級下的安全閾值設(shè)定。針對梯次利用電池本身的特性，為了儲能系統(tǒng)運行的安全性，以及對系統(tǒng)進行最大程度充放電管理，電池管理系統(tǒng)在運行時對不同的系統(tǒng)參數(shù)按照其特性進行不同級別的多級保護。如表5所示為電池系統(tǒng)分級告警方法，包括單體電壓過低、單體溫度過高、總電壓過高報警的相關(guān)等級及其處理方法。

電池特性安全閾值參數(shù)設(shè)置，即儲能系統(tǒng)中每一個電池模塊的電池電壓的參數(shù)設(shè)置，包括單體電池電壓過壓保護，單體電池電壓欠壓保護，系統(tǒng)單體電池壓差保護等參數(shù)設(shè)定，針對本儲能系統(tǒng)的單體電池特性，設(shè)定多級保護。以單體電池電壓過低為例，各報警級別的電壓閾值按表5設(shè)定。在實際現(xiàn)場應(yīng)用過程中，這些參數(shù)設(shè)定值應(yīng)依據(jù)實際情況及時調(diào)整與優(yōu)化。

電池單體環(huán)境安全閾值參數(shù)設(shè)置，即儲能系統(tǒng)中每個電池模塊的電池的溫度參數(shù)設(shè)置，包括溫度過低保護，單體電池溫度過高保護，系統(tǒng)單體電池溫差保護等參數(shù)設(shè)定。以單體電池溫度過高為例，本研究針對儲能系統(tǒng)的單體電池特性，設(shè)定了多級保護。具體如表5所示。

表5 電池系統(tǒng)報警信息的分級方法

Table 5 Classification method of battery system alarm information

4 結(jié) 論

針對梯次利用動力電池容量衰減和不一致性的特點，本文提出了基于電池實際容量分布情況選用特定SOC范圍運行的使用方式，實驗表明,在指定運行工況下,梯次利用電池儲能系統(tǒng)可以良好運行。采用離線主動均衡的方式對梯次利用動力電池中容量差異顯著的電池模塊進行容量補償，保證了整個儲能系統(tǒng)的容量輸出。

本文設(shè)計的電池管理系統(tǒng)針對儲能電池電化學(xué)特性，環(huán)境特性等關(guān)鍵參數(shù)進行多級保護，建立系統(tǒng)級的安全策略，保證梯次利用電池儲能系統(tǒng)的安全，可靠的工作。從測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的梯次利用動力電池管理系統(tǒng)各項能力可以滿足實際應(yīng)用要求。

根據(jù)梯次利用動力電池的實際運行數(shù)據(jù)，在后續(xù)研究中,將對電池容量不一致性、能量均衡方法與使用效率，以及系統(tǒng)安全性等進行進一步的研究和驗證，為梯次利用動力電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用提供參考。

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(編輯 蔣毅恒)

Research and Experiment Application of Echelon-Use Energy Storage Battery Management Technology

LIU Lu1, LI Xiangjun2, JIA Xuecui2, HUI Dong2

(1.Beijing Sunnystar Technical Services Co., Ltd., Beijing100102, China; 2. Electrical Engineering and New Material Department, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

To make sure the safe and reliable operation of echelon-use battery energy storage system, this paper proposes a safe battery management system for 100 kW·h echelon-use energy storage battery system. Firstly, we analyze the characteristics of 100 kW·h echelon-use power battery for energy storage, including the battery capacity distribution analysis, SOC-OCV characteristics analysis of battery module with different capacities under certain conditions, the charge and discharge capacity test of system, the inconsistency analysis of battery capacity, etc. And the key parameters used in the echelon-use battery manage system have been decided. Then, we analyze the system safety and reliability of echelon-use battery characteristics in order to ensure the safe and reliable operation of echelon-use battery energy storage system, and adopt the system-level fault diagnosis method and multilevel fault alarm strategy. Finally, we use the developed battery management system prototype to test and verify the system capacity. The experimental results show that this battery management system can meet the application requirements of the echelon-use battery energy storage system.

power battery; echelon-use; battery management system; battery characteristics

國家電網(wǎng)公司科技項目(DG71-14-032)；北京市科技新星計劃(Z141101001814094)

TM 73

A

1000-7229(2016)01-0077-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.012

2015-10-26

劉璐(1972)，女，碩士，研究方向為電池管理系統(tǒng)和電池成組技術(shù)；

李相俊(1979)，男，工學(xué)博士，教授級高級工程師，研究方向為電池儲能系統(tǒng)控制、新能源與分布式發(fā)電、電力系統(tǒng)運行與控制；

賈學(xué)翠(1984)，女，碩士，工程師，研究方向為電池儲能系統(tǒng)控制、新能源與分布式發(fā)電；

惠東(1968)，男，工學(xué)博士，教授級高級工程師，研究方向為電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)。