呂 杰，陳永珍，宋文吉?，馮自平

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

儲能是電力系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和用電各個環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源移峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等功能，有效提高現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的運行效率[1-2]。鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、自放電率較小等特點，常用于儲能系統(tǒng)[3]。國內(nèi)現(xiàn)已建設(shè)多項儲能示范工程，如張北儲能并網(wǎng)實驗室、張家口國家風(fēng)光儲輸示范工程、深圳寶清MW級電池儲能電站示范項目等[1,4]。由于受到周圍環(huán)境、自放電率差異等影響，電池之間逐漸出現(xiàn)差異[5-6]，表現(xiàn)為電池電壓、內(nèi)阻、溫度等變化不一致[7-9]，導(dǎo)致電池組可用容量下降、壽命縮短[10-11]，直接影響儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性[12-13]。

使用過程中鋰離子電池一致性管理研究路線如圖1所示。通常參照新能源汽車電池系統(tǒng)[14]，構(gòu)建電池組模型模擬電池組動態(tài)和靜態(tài)特性，并通過對電池狀態(tài)的采集和估算，以及均衡控制等，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)中鋰離子電池組的監(jiān)控和管理[4,15]。新能源汽車和儲能系統(tǒng)對電池組的要求各有不同。高速運動的新能源汽車要求電池功率響應(yīng)速度快，電池功率特性好，電池狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)參數(shù)計算精度高，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊[16-17]。而儲能系統(tǒng)規(guī)模大，電池容量大、數(shù)量多，電池連接件和連接端子多。部分儲能電站地處偏遠，大規(guī)模更換電池困難，電池一致性要求更高[1-2]。擬從電池和電池組模型構(gòu)建研究、電池成組方法對電池組性能的影響研究和電池一致性優(yōu)化控制研究方面，闡述儲能系統(tǒng)中鋰離子電池一致性管理研究現(xiàn)狀，并對其研究趨勢進行展望。

圖1 使用過程中電池一致性管理研究路線Fig.1 Research route of battery consistency management

1 電池和電池組建模

針對儲能系統(tǒng)中鋰離子電池管理開展研究，首先要明確鋰離子電池的動態(tài)和靜態(tài)特性。電池和電池組建模仿真能夠反映電池充放電特性，是開展機理研究的重要手段。

1.1 鋰離子電池模型

鋰電池模型通過電池電壓、溫度等可測量參數(shù)對電池的內(nèi)部性能進行描述，并對參數(shù)變化進行預(yù)測。常用的鋰電池模型包括電化學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和等效電路模型。

電化學(xué)模型是根據(jù)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)過程構(gòu)建模型。從電化學(xué)原理出發(fā)，準(zhǔn)確模擬電池內(nèi)部傳輸、擴散、電化學(xué)反應(yīng)、熱力學(xué)現(xiàn)象，描述電池離子濃度的分布梯度，分析電池衰減機制和健康狀態(tài)。電化學(xué)模型通常由多個偏微分方程構(gòu)成，模型較復(fù)雜[18-19]。

數(shù)學(xué)模型是依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，運用經(jīng)驗公式和數(shù)理方法建立電池經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑥睦碚撋戏治鲣囯姵氐囊话阋?guī)律。常用的數(shù)學(xué)模型有Kinetic模型和離散馬爾科夫鏈電池模型，但都僅關(guān)注電池外特征，難以描述電池機理過程和電池的電壓-電流外特征[20]。

等效電路模型是采用電容、電阻等電子元器件搭建電池模型，描述充放電過程中電池特性，能夠較好地反映電池的動態(tài)特性，常用于電池荷電狀態(tài)估算。等效電路模型簡單直觀、精度較高、計算量較小[18-20]。常用的等效電路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型。Rint模型簡單，但忽略了溫度、電解液濃度等因素對電池特性的影響[18-20]。Thevenin模型考慮溫度、電流倍率的影響，模型參數(shù)容易辨識，具有一定的動態(tài)和靜態(tài)性能，但無法同時描述電池充放電過程中內(nèi)部發(fā)生的濃差和電化學(xué)兩種極化現(xiàn)象，且不能準(zhǔn)確描述電池實時動態(tài)[18-21]。在Thevenin模型基礎(chǔ)上，增加一組RC回路，組成二階RC等效電路模型，能兼顧電池的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性，但未考慮自放電和溫度的影響。PNGV模型能很好地體現(xiàn)電池動態(tài)性能。GNL模型階數(shù)高，能夠真實模擬電池特性，但參數(shù)辨識復(fù)雜[18-20]。

1.2 鋰離子電池組建模

由于單體電池狀態(tài)變化、電池包內(nèi)溫度分布情況和電池成組方式等影響電池組特性，電池組建模更加困難。常用的電池組模型包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、電化學(xué)模型和等效電路模型[22]。

圖2 基于Thevenin模型的并聯(lián)電池模組等效電路模型[23]Fig.2 Equivalent circuit mode of parallel battery module based on the Thevenin mode

國內(nèi)學(xué)者根據(jù)電池的電化學(xué)特性構(gòu)建電池組電化學(xué)模型，利用卡爾曼濾波和最小二乘法分別建立在線和離線參數(shù)辨識方法，通過實驗對模型進行驗證[17]。國外學(xué)者根據(jù)統(tǒng)計方法搭建電池組模型，缺點是精度由電池參數(shù)辨識的準(zhǔn)確性決定，缺乏工程驗證[22]。學(xué)者們大多將并聯(lián)電池模組簡化為一個大電池模型，再將大電池模型串聯(lián)組成電池組模型。假設(shè)各單體電池參數(shù)完全相同，進行整體參數(shù)辨識和仿真[18,22]，忽略了電池連接方式對電池組性能的影響，無法對電池模組中各單體電池一致性衰減過程進行準(zhǔn)確描述。為提高模型精度，山東大學(xué)王麗梅等[23]進一步考慮電池連接件阻抗和極柱引出位置，采用Thevenin模型構(gòu)建電池組等效電路模型，對電池組充放電性能進行仿真，如圖2所示。

針對電池組的模型構(gòu)建通常簡化處理，常忽略電池參數(shù)差異。在儲能系統(tǒng)中，電池數(shù)量多，電池參數(shù)呈離散式分布，若不能充分考慮電池參數(shù)差異問題，電池組模型精度將無法滿足要求。

2 電池成組方式

電池成組方式直接影響單體電池性能的一致性和電池組的充放電特性。研究電池成組方式對電池組性能的影響規(guī)律，優(yōu)化電池連接方法和連接件，能夠有效提高電池組可用容量，延長電池組壽命。

2.1 電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)中，通常將多個單體電池并聯(lián)形成并聯(lián)電池模組，滿足容量需求，再將并聯(lián)電池模組串聯(lián)形成電池組，滿足電壓要求[24-27]。常用的電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示[28]。

圖3 電池組拓?fù)鋄28]Fig.3 Battery pack topology

2.2 電池連接阻抗

通常采用銅導(dǎo)線、銅鎳合金等作為電池連接件，導(dǎo)線阻值不完全相同。連接端子老化程度不同，連接損耗不一致，導(dǎo)致流經(jīng)單體電池的電流不均勻，進而造成電池狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)差異，造成單體電池性能不一致，部分電池率先老化，并影響相鄰電池，對整個電池組的可用容量和壽命造成威脅[23-24,28]。

模擬分析電池歐姆內(nèi)阻與連接件阻抗的比值與電池并聯(lián)數(shù)量之間的關(guān)系。當(dāng)充放電電流為0.5 C，兩節(jié)電池并聯(lián)時，連接件阻抗應(yīng)小于電池歐姆內(nèi)阻的0.1倍。而八節(jié)電池并聯(lián)時，連接件阻抗應(yīng)小于電池歐姆內(nèi)阻的0.01倍[23,29]。

針對電池連接阻抗的研究多基于電池組模型。模型參數(shù)識別多根據(jù)短周期內(nèi)電池充放電實驗數(shù)據(jù)，需要根據(jù)電池在不同溫度和循環(huán)次數(shù)時的特性，對模型參數(shù)進行完善。另一方面，鋰離子電池內(nèi)阻隨電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）和循環(huán)次數(shù)的變化而改變[30-32]。在大電流倍率時，鋰離子電池的極化內(nèi)阻遠大于歐姆內(nèi)阻，且隨著電流倍率的增加迅速增大[33]。在生命周期中，電池內(nèi)阻與連接阻抗比值亦不斷變化，應(yīng)進一步分析電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的共同作用對電池組性能的影響。同時，在儲能系統(tǒng)中，電池連接件和連接端子多，連接件阻抗較大，連接端子氧化腐蝕程度不一致[3,7]。應(yīng)該根據(jù)儲能系統(tǒng)實際情況，修正電池組模型參數(shù)，提高模型精度和仿真結(jié)果準(zhǔn)確度。

成組方式造成流經(jīng)電池組中各電池的電流不均一，導(dǎo)致各電池SOC和內(nèi)阻變化不一致，進而電池內(nèi)阻變化影響電流分配。中國科學(xué)院廣州能源研究所呂杰等[34]研究了并聯(lián)電池模組中單體電池內(nèi)阻和電流分配的協(xié)同作用。采用各支路連接件阻抗相同的并聯(lián)連接方式，分析電池內(nèi)阻與連接件阻抗比值（α）在充放電過程中的變化。在充電過程中，α先迅速下降，再緩慢上升，在充電即將結(jié)束時快速上升。放電過程中α變化趨勢與充電過程不同，α較大的電池的電流較小，α曲線趨于平緩。

2.3 電池極柱引出位置

通過模擬仿真，研究極柱引出位置不同對電池組性能的影響[23,29]。極柱引出位置不同，造成流經(jīng)各電池的電流不同[35-36]。由于遠離電池極柱的單體電池的連接件較長，電流較小，而與極柱直接相連的電池電流較大，導(dǎo)致此電池率先老化，并影響相鄰的單體電池[23,29]。與極柱中心電池極耳引出相比，極柱邊緣電池極耳引出時，電池之間的電壓、溫度等差異更明顯，電池組可用容量較低，電池組壽命較短[23,29,37]。

針對電池極柱引出位置對電池組性能的影響研究以模擬仿真為主，中國科學(xué)院廣州能源研究所呂杰等[34]通過實驗手段對比兩種極柱引出方式，對模擬結(jié)果進行論證。實驗發(fā)現(xiàn)極柱邊緣電池極耳引出時，電池之間差異較大，電池之間自均衡電流亦較大，造成能量浪費，影響電池組可用容量和充放電性能。極柱邊緣電池極耳引出時，電池之間的電流差異在充放電初始階段最大。而在充放電過程的后半部分，流經(jīng)與極柱直接相連電池的電流迅速減小，此電池將要充滿電或者放完電，與此同時遠離極柱的電池電流迅速增加。并且當(dāng)與極柱直接相連的電池即將充滿電/放完電時，其電壓迅速升高/降低，造成并聯(lián)電池模組電壓出現(xiàn)短時間快速上升/跌落，影響電池組的穩(wěn)定性。當(dāng)極柱中心電池極耳引出時，各電池的電壓、表面溫度和SOC變化曲線一致性較好，電池性能差異較小[34]。

當(dāng)前研究主要關(guān)注電池狀態(tài)評估和減小電池差異，以便獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率，并延長電池組使用壽命[38-39]，而缺少對電池組性能衰減原因的綜合分析。因此無法獲得具有針對性的控制策略。電池管理系統(tǒng)和電池均衡模塊無法控制并聯(lián)電池模組內(nèi)部電流分配和能量損耗，而電池成組方式直接影響并聯(lián)電池模組內(nèi)部能量流動。因此，必須優(yōu)化電池極柱引出位置、連接件阻抗等電池成組方式，提高電池組性能[34]。

3 電池一致性優(yōu)化控制

通過改善電池的制造工藝，減少電池的初始差異。在電池成組前進行篩選，將差異較小的電池成組。成組后，合理的均衡管理能夠有效減少使用過程中電池之間的性能差異[40]。

3.1 均衡方式

通常將均衡方式分為主動均衡、被動均衡和混合均衡[41]。被動均衡是能量消耗型均衡，通過在電池兩端并聯(lián)電阻，將容量高的電池的多余電量以熱能形式消耗。被動均衡造成能量浪費，能量轉(zhuǎn)換效率低，并且電阻產(chǎn)生大量熱，對電池包內(nèi)溫度場均勻分布產(chǎn)生不利影響[42-43]。主動均衡是能量轉(zhuǎn)移型均衡，通過變壓器、升/降壓變換電路等實現(xiàn)電池之間電量平衡[44-48]。山東大學(xué)商云龍等[49]提出采用準(zhǔn)諧振電感-電容（indutor-capacitor, LC）變換器和升壓直流-直流（direct current-direct current, DC/DC）變換器實現(xiàn)電池之間的能量均衡，可有效提高電池組可用容量。主動均衡分為電池內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移和外部能量補充兩種方式。電池內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移主動均衡又分為單體電池向單體電池、單體電池向電池組、電池組向單體電池、單體電池向電池組再向單體電池能量轉(zhuǎn)移形式。中國科學(xué)院廣州能源研究所呂杰等[8]提出將主動均衡和被動均衡相結(jié)合的混合均衡方式，控制電路如圖4所示，通過雙向均衡快速縮小電池間差異。實驗結(jié)果表明，在充放電過程中采用混合均衡時，單體電池之間的差異降低至4.510%，比沒有采用均衡低5.905%。

圖4 混合均衡控制電路[8]Fig.4 Hybrid equalization control circuit

3.2 均衡控制方法

通常將電池工作電壓和SOC作為均衡啟停判別條件。但鋰離子電池在充放電過程中存在平臺電壓區(qū)，工作電壓不能真實地反映電池容量狀態(tài)[50]。由于鋰離子電池的荷電狀態(tài)無法直接測量，需要通過能夠監(jiān)測到的電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息進行推算，采用SOC作為判別依據(jù)的方法受到其估算精度的影響[50]。

針對均衡控制策略的研究，主要集中在如何通過軟件算法提高均衡模塊的能量轉(zhuǎn)換效率和均衡速度[49,51-52]。常采用遺傳算法、模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制均衡電流[53]，將三種算法相集成的電池均衡控制方法能夠更有效減小電池間差異[52]。重慶大學(xué)凌睿等[54]采用將能量損失與均衡時間相結(jié)合的線性優(yōu)化模型和模型預(yù)測控制方法，針對電動汽車充電、放電、行駛等不同的工作狀態(tài)，采用適應(yīng)工作狀態(tài)頻繁變化的模型預(yù)測控制方法，實現(xiàn)鋰離子電池的動態(tài)均衡，顯著提高電池的能量和時間效率。

現(xiàn)階段研究集中在均衡電路設(shè)計和均衡模塊的效率提高方法研究方面，而針對均衡參數(shù)和均衡策略的優(yōu)化研究較少。中國科學(xué)院廣州能源研究所呂杰等[13]研究了主動均衡對電池一致性改善作用，發(fā)現(xiàn)在放電過程中均衡效果比充電過程中均衡效果好，充放電電流倍率較小時均衡模塊能夠更有效地控制電池一致性?？赏ㄟ^調(diào)整均衡閾值、根據(jù)充放電電流倍率調(diào)整均衡電流，優(yōu)化均衡參數(shù)，提高電池組充放電性能和能量轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論和展望

目前針對儲能系統(tǒng)中鋰離子電池一致性管理的相關(guān)研究大多參照新能源汽車電池，通過構(gòu)建單體電池和電池組模型，模擬研究電池差異產(chǎn)生過程和發(fā)展規(guī)律，通過優(yōu)化電池成組方式并采用均衡模塊和控制方法，縮小電池之間的差異。目前存在的問題主要是儲能系統(tǒng)規(guī)模大，電池數(shù)量多，連接件和連接端子多，并且要求儲能系統(tǒng)能夠長壽命、低成本和穩(wěn)定運行，不能簡單套用新能源汽車電池研究思路。應(yīng)根據(jù)儲能系統(tǒng)中實際的電池成組方式和運行工況，充分考慮電池連接方式、極柱引出位置、連接件阻抗等優(yōu)化電池組模型，提高模型精度，并根據(jù)模擬和實驗結(jié)果，優(yōu)化電池成組方式和控制策略，解決制約儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的電池組可用容量下滑、壽命縮短瓶頸問題。