唐 君 熊 杰 譚志強

（華自科技股份有限公司）

0 引言

近幾年，電化學(xué)儲能作為儲能的重要表現(xiàn)形式，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都得到了很好的應(yīng)用。它主要由儲能電池組、儲能變流器、電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控與調(diào)度管理單元等構(gòu)成，可完成電能的存儲和釋放，具有平滑過渡、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能，可以使太陽能、風(fēng)能發(fā)電平滑輸出，減少其隨機性、間歇性、波動性給電網(wǎng)和用戶帶來的沖擊。通過谷價時段充電，峰價時段放電可以減少用戶的電費支出，在大電網(wǎng)斷電時，能夠孤島運行，確保對用戶不間斷供電。

從目前投運的儲能站運行情況來看，項目實施中仍有許多值得優(yōu)化的地方，其中電池艙直流系統(tǒng)均衡性就是重要的一項。直流系統(tǒng)的均衡性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）一個儲能站幾十個電池艙同時開始進行充電或放電，不同艙體停止充放電的時間不一致，最嚴重的情況可能導(dǎo)致整站的存儲容量下降。

（2）同一電池堆不同簇之間存在充放電電流偏差過大的情況（10A以上）。

（3）同一簇電池間電壓偏差較大（一般偏差不應(yīng)大于30mV）。

1 電池艙直流系統(tǒng)構(gòu)成

某典型電池艙（如圖1所示），配置有十個電池簇，每個電池簇由25個電池組（PCAK）和1個高壓盒用70mm2電纜連接組成，每個電池組裝有16塊磷酸鐵鋰電池，電池簇到匯流柜采用70mm2電纜連接。其中電池的主要參數(shù)如下：電芯容量≥280A·h，標(biāo)稱電壓3.2V，工作電壓2.5～3.65V，電池內(nèi)阻≤0.4mΩ （新電池50%荷電狀態(tài)），標(biāo)準(zhǔn)充放電電流140A，單體放電終止電壓2.5V，單體充電終止電壓3.65V。

圖1 電池艙直流系統(tǒng)配置示意圖

2 電池艙直流不均衡分析

對電池艙直流系統(tǒng)進行電路分析，電池作為電池艙的主要元件，我們需考慮它的內(nèi)阻。電池內(nèi)阻有歐姆電阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時所表現(xiàn)的極化電阻。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成；極化電阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化現(xiàn)象引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻［1］。電池的有效輸出電壓因極化和內(nèi)阻而降低，只有在很低的工作電流下極化和內(nèi)阻很小時，工作電壓才接近開路電壓，輸出能量才接近理論能量［2］。電池內(nèi)阻會隨容量、溫度等因素發(fā)生變化，進行電路分析時我們將電池內(nèi)阻等效為一個可變電阻re。

典型系統(tǒng)PACK間的連接電纜為70mm2銅芯電纜，其直流電阻參考值為0.268mΩ／m［3］。電池艙中實際使用的電纜最長為14m，理論電阻約為3.75mΩ，最短為0.3m，理論電阻約為0.08mΩ （實際連接電纜阻值由于電纜頭材質(zhì)及壓接工藝的影響，會相對偏大，但其阻值還是mΩ級）。對于mΩ級的電阻，在交流系統(tǒng)分析中，我們一般會忽略其影響，但在此系統(tǒng)中，我們查看電池規(guī)格書可以知道，電池的內(nèi)阻也是mΩ級（本例新電池50%荷電狀態(tài)時，電池內(nèi)阻≤0.4mΩ），故不能忽視電纜電阻的影響。

基于以上兩點，再忽略高壓盒的電阻影響（由于高壓盒主要經(jīng)過塑殼開關(guān)及熔斷器等元件，均一性較好），我們可以得到電池艙直流系統(tǒng)等效電路圖，如圖2所示。其中，U為各電池簇匯流母排處電壓；I1、I2為不同簇電流；U11、U12為同簇不同電池的電壓；固定電阻rL10、rL11…rL1n為等效電纜電阻；可變電阻re11、re12…re1n為等效電池內(nèi)阻。

圖2 直流系統(tǒng)等效電路圖

從電池艙直流系統(tǒng)等效電路圖可以看出，電池在電路中有兩種電氣位置：一種是多節(jié)電池串聯(lián)形成電池簇，另一種是多個電池簇并聯(lián)形成電池堆。

首先我們來看電池的串聯(lián)，在等效電路圖中，回路一中流經(jīng)rL10、rL11…rL1n，re11、re12…re1n等電阻的電流皆為I1，但由于各電池內(nèi)阻不一致，故各電池電壓會不一致。

其次我們來看電池簇的并聯(lián)，在等效電路圖中，回路一和回路二兩端的電壓U相同，但兩個回路的總電阻不相等，那么回路電流I1和I2就會不同，這就是不同簇之間存在充放電電流偏差的原因。

另外，在充放電過程中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是根據(jù)電池的充電終止電壓和放電終止電壓來進行判斷是否停止對電池的充放電。對于同一簇串聯(lián)的電池，在對電池充放電的過程中，由于電池內(nèi)阻的影響，會存在一個或幾個電池的電壓相對偏高或偏低。當(dāng)對電池充電時，電壓高的電池最快達到充電終止電壓，從而觸發(fā)BMS終止整簇電池充電，此時其他電池電壓會相對較低；當(dāng)對電池放電時，電壓低的電池最快達到放電終止電壓，從而觸發(fā)BMS終止整簇電池放電，此時其他電池電壓會相對較高。另外不同簇電池由于電纜等電阻的影響，在簇電壓一致的情況下，分配到電池上的電壓也會不一致。由于電池內(nèi)阻及電纜內(nèi)阻的影響，會造成充放電過程中，電池電壓的不一致，從而造成不同簇充放電停止的時間不同。從整個儲能站看就是不同艙體停止充放電的時間不一致。

當(dāng)電池艙出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象時，肯定會有某電池艙或某電池簇的充放電深度不夠，比如某電池艙設(shè)計容量為0.5MW／1MWh，只運行1h就充放電停止了，那么它的充放電量就只有設(shè)計容量的50%，這樣肯定會影響儲能站的效益，所以當(dāng)出現(xiàn)電池艙直流不均衡現(xiàn)象時，需對電池進行維護。大型儲能站由于電池艙比較多，相對應(yīng)的維護工作量也會比較大，所以我們需要從設(shè)計端就進行考慮，盡量避免現(xiàn)場出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象。

3 改進建議

3.1 簇內(nèi)均衡

基于以上分析可知，同簇串聯(lián)電池的均衡性由電池本身決定，而我們進行電池艙設(shè)計時都是選擇電池電芯及電池PACK，此時我們需要對如下方面進行考慮：

（1）對于處于同一電池堆的電池，其品牌和型號需一致，最好為電池供應(yīng)商同一生產(chǎn)線生產(chǎn)的同一批次電池，使其有較好的均一性，保證電池內(nèi)阻一致。

（2）對于處于同一電池堆的PACK，其規(guī)格型號、工藝等需一致，如電池正負極之間的串聯(lián)連接材料需一致，以保證電池PACK的內(nèi)阻一致。

（3）可預(yù)留一定量的備用電池和PACK，用于檢修和維護。

3.2 簇間均衡

簇間電流不均衡主要是由不同簇之間電阻不同等引起的，在保證了電池本身均一性的前提下，在設(shè)計時，我們還需對如下方面進行考慮：

（1）PACK之間的連接盡量選用銅排，且規(guī)定好銅排型號規(guī)格、緊固螺絲大小及擰緊力矩大小，以使得PACK之間的電阻值一樣；若選用電纜，需選好電纜型號及長度、電纜壓接頭型號及大小、電纜壓接力矩大小、電纜緊固螺絲大小及擰緊力矩等，使用專用工具進行壓接，壓接后最好還進行必要的電阻測量。

（2）PACK到匯流柜的距離不等，若要保證不同簇間電阻相同，可以采用等長或不同線徑電纜，或者將匯流柜布置在艙體中間，盡量減少簇間電阻偏差。

（3）需要注意的是電池艙充放電電流相對較大（如280A·h的電芯，0.5C時的充放電電流有140A），當(dāng)電纜電阻較大時，電纜會存在過溫現(xiàn)象，同時也增加了能量損耗。

基于以上措施能減少直流系統(tǒng)不均衡現(xiàn)象，但由于電池的自損耗，不可避免地會出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。故在設(shè)計時，我們需選擇好是采用主動均衡方式還是被動均衡方式來進行電池維護，以避免后期維護工作量巨大的情況出現(xiàn)。

我們對某站出現(xiàn)偏流情況較嚴重的電池艙進行了檢查，發(fā)現(xiàn)PACK間相同長度的連接電纜電阻最低的為0.113mΩ，最高的有1.92mΩ，相差幾十倍。對電纜進行重新壓接后（電阻控制在0.16mΩ左右），電池艙偏流情況得到了有效改善。

4 結(jié)束語

在典型電池艙直流系統(tǒng)中，由于直流回路中電池本體及電纜電阻的影響，會出現(xiàn)直流不均衡現(xiàn)象，本文基于電池艙等效電路圖進行了定性分析，提出了若干設(shè)計建議，希望對電池艙的設(shè)計能起到一定指導(dǎo)作用。