單體電壓不一致性對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量衰減的影響

郭光朝，李相俊，張亮，王立業(yè)，賈學(xué)翠，張棟

(1.深圳市欣旺達(dá)綜合能源服務(wù)有限公司，廣東省深圳市 518108； 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京市100192；3.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林省吉林市132012)

單體電壓不一致性對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量衰減的影響

郭光朝1，李相俊2，張亮1，王立業(yè)1，賈學(xué)翠2，張棟3

(1.深圳市欣旺達(dá)綜合能源服務(wù)有限公司，廣東省深圳市 518108； 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所，北京市100192；3.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林省吉林市132012)

電池的不一致性是指同一規(guī)格、同一型號(hào)的電池在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)差別。其中，電壓不一致性的表現(xiàn)相對(duì)直觀，也容易被測(cè)量。在 MW級(jí)電池儲(chǔ)能電站中，需要通過串并聯(lián)成組來滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓等級(jí)和容量需求，電池單體數(shù)量高達(dá)幾萬節(jié)，而單體電池不一致性的存在，將不可避免地影響儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能。針對(duì)200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)間階段進(jìn)行容量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行后，分析單體電池電壓不一致性對(duì)電池系統(tǒng)容量衰減的影響。結(jié)果顯示：經(jīng)過2年的運(yùn)行，250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電性能衰減了4.24%，放電性能衰減了2.6%,單體電壓不一致性變化不大，而200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電性能衰減了25.976%，放電性能衰減了27.120%，說明具備充放電均衡控制策略的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠很好地改善單體電壓不一致性變化；250 kW/1 (MW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)已累計(jì)運(yùn)行相當(dāng)于100%DoD(depth of diacharge)充電27.11次，相當(dāng)于100%DoD放電23次，充放電次數(shù)是造成該儲(chǔ)能系統(tǒng)容量衰減的主要原因。

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；容量衰減；單體電壓；不一致性

0 引 言

隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用，應(yīng)用于提高間歇式電源并網(wǎng)能力的儲(chǔ)能技術(shù)尤其是電池儲(chǔ)能技術(shù)得到了關(guān)注與發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為可以在很大程度上解決新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的問題，同時(shí)其將貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和用電各個(gè)環(huán)節(jié)，可以有效緩解高峰負(fù)荷供電需求，提高現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的運(yùn)行效率。國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了多項(xiàng)儲(chǔ)能示范工程，如國(guó)家電網(wǎng)公司在張家口建設(shè)的國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程；中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司建成的深圳寶清 MW級(jí)電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目；中國(guó)電力科學(xué)研究院在張北建成的張北儲(chǔ)能并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室等[1-4]。

在儲(chǔ)能電站運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用容量能直接體現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電性能。儲(chǔ)能系統(tǒng)是否有足夠的容量也關(guān)系到儲(chǔ)能電站是否能完成各項(xiàng)功能，儲(chǔ)能電站的運(yùn)行人員可根據(jù)可用容量的大小對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行決策，同時(shí)容量是對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)的重要依據(jù)。鋰電池容量不是恒定不變的參數(shù)，其變化規(guī)律呈非線性，會(huì)隨循環(huán)次數(shù)的增加而衰減，同時(shí)受到多重因素的影響。在儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)過程中，電池性能衰減速度不同會(huì)加大單體電池電壓的不一致性。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電池組不一致性的形成原因、不一致性對(duì)電池組使用壽命的影響等方面開展了廣泛的研究，并提出了針對(duì)電池組提高一致性的方法和措施，但這些研究成果多體現(xiàn)在動(dòng)力電池組應(yīng)用上[5-7]。

目前國(guó)內(nèi)外已形成較為完備的針對(duì)鋰電池單體、鋰電池模組的容量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。而針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)主要有2個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)：一是中國(guó)電力科學(xué)研究院牽頭編制的中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33016—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)測(cè)試規(guī)程》[8]；二是大容量?jī)?chǔ)能電站系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前還處于送審階段。

本文從儲(chǔ)能系統(tǒng)中不同電池組的單體電壓不一致性出發(fā)，針對(duì)200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)間段的電池系統(tǒng)容量和不一致性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析單體電池電壓不一致性對(duì)系統(tǒng)容量衰減的影響。

1 測(cè)試方法

1.1 容量測(cè)試方法

在前述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33016—2014中，規(guī)定了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量測(cè)試方法[8]。

該方法規(guī)定了在額定功率充放電條件下，檢測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電容量、放電容量。具體步驟如下：

(1)在25(±5)℃ 條件下，以額定功率放電至額定功率放電終止條件時(shí)停止放電，熱備用狀態(tài)運(yùn)行15 min；

(2)以額定功率充電至額定功率充電終止條件時(shí)停止充電，記錄充電能量，熱備用狀態(tài)運(yùn)行15 min；

(3)以額定功率放電至額定功率放電終止條件時(shí)停止放電，記錄放電能量。

1.2 電池組串的電池電壓極差計(jì)算方法

電池組串電池電壓極差是指同一電池組串中最大單體電池電壓和最小單體電池電壓的差值，計(jì)算如式(1)所示：

Ur=Umax-Umin

(1)

式中：Ur表示電池組串的單體電池電壓極差；Umax表示電池組串中單體電壓最大值；Umin為電池組串中單體電壓最小值。

該指標(biāo)能直觀體現(xiàn)電池組串的單體電壓一致性偏差。由于電池組串是由大量單體電池串并聯(lián)組成，在運(yùn)行過程中難免由于性能差異導(dǎo)致部分單體電池提前衰退。電池單體容量衰退的表現(xiàn)為電池電壓發(fā)生變化，此電壓變化將會(huì)直接影響到電池單體充放電截止電壓，進(jìn)而影響電池單體充放電容量。同時(shí)電池組串中電池單體電壓變化將會(huì)直接反映到整個(gè)電池串的電壓極差上，體現(xiàn)為電池組串電壓極差變大或縮小。因此電池電壓極差能有效反映這種衰退現(xiàn)象[9-12]。

1.3 容量衰減計(jì)算方法

容量衰減的計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

式中：λ表示容量衰減率；E1表示第1次容量測(cè)試結(jié)果；E2表示第2次容量測(cè)試結(jié)果；Er表示儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量。

2 不同電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量衰減分析

張北儲(chǔ)能并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室具有200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不具備充放電均衡控制策略，250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具備充放電均衡控制策略，分別對(duì)這2種鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量測(cè)試[13]。

2.1 200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量測(cè)試

2.1.1 系統(tǒng)參數(shù)

200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

2.1.2 容量測(cè)試分析

采用1.1節(jié)所述的測(cè)試方法，2012年容量測(cè)試結(jié)果如下：充電容量為185.2 kW·h，放電容量為 176.3 kW·h；2014年容量測(cè)試結(jié)果如下：充電容量為133.248 kW·h，放電容量為122.059 kW·h。2012年和2014年200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電壓曲線如圖1、2所示。

表1 200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

Table 1 200 kW/200 (kW·h) lithium battery energy storage system parameters in 2012

圖1 2012年200 kW/200 (kW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電壓曲線

圖2 2014年200 kW/200 (kW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電壓曲線

2.1.3 容量衰減分析

根據(jù)1.3節(jié)所述的計(jì)算方法，依據(jù)2次容量測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)該儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減情況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，經(jīng)過2年的運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電性能衰減了25.976%，放電性能衰減了27.120%。相對(duì)于充電性能，放電性能的衰減更為嚴(yán)重。

2.1.4 電池單體電壓不一致性分析

該儲(chǔ)能系統(tǒng)采用6個(gè)電池柜并聯(lián)的方式，基于2012年和2014年的儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電壓歷史數(shù)據(jù)，選取每個(gè)電池柜中的單體電壓最大值和單體電壓最小值，進(jìn)行單體電池電壓不一致性分析。

基于200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的2012年和2014年的單體電壓最大值、最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每個(gè)單元都有6個(gè)電池組，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。

表2 2012年和2014年單體電壓數(shù)據(jù)

Table 2 Monomer voltage data in 2012 and 2014 V

由表2可知，2012年該儲(chǔ)能系統(tǒng)第1組單體電池電壓差最大(0.066 V)，第4組單體電池電壓差最小 (0.013 V)；2014年，第4組電池組的單體電池電壓差最大，達(dá)到了0.356 V，第2組單體電池電壓差最小，僅為0.012 V?？傮w上來看，2012年的單體電池電壓差之間的波動(dòng)較小，2014年單體電池電壓差比2012年的單體電池電壓差波動(dòng)要大得多，并且2014年的單體電池電壓差均大于2012年的單體電池電壓差。經(jīng)過2年的運(yùn)行，該儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體電池電壓差變化較大。

對(duì)200 kW/200 (kW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體電壓不一致性變化情況進(jìn)行分析可知，總體上來看，2012年和2014年的單體電壓最大值之間的波動(dòng)都不大，并且2012年的單體電壓最大值均大于2014年的單體電壓最大值。2012年單體電壓最小值之間的波動(dòng)較小，2014年時(shí)單體電壓最小值之間的波動(dòng)要大得多。

綜上可知，經(jīng)過2年的運(yùn)行，不具備充放電均衡控制策略的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電壓不一致性會(huì)出現(xiàn)偏大的狀況；2012年和2014年的單體電壓最大值的差值為0.086 V；單體電壓最小值的差值達(dá)到了0.371 V。單體電壓最大值的變化相對(duì)于單體電壓最小值的變化較小，單體電壓最小值會(huì)影響到儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電性能。因此，造成了該儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電性能衰減更嚴(yán)重。

2.2 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)參數(shù)

250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能單元參數(shù)表

Table 3 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system parameters

2.2.2 容量測(cè)試分析

采用1.1節(jié)所述的測(cè)試方法，2012年和2014年容量測(cè)試結(jié)果如表4所示，充放電電壓曲線如圖3、4所示。

表4 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 4 Capacity test data of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system in 2012 and 2014

2.2.3 容量衰減情況

根據(jù)1.3節(jié)所述的計(jì)算方法，結(jié)合2012年和2014年2次測(cè)試結(jié)果，對(duì)該儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減情況進(jìn)行分析，可知從2012年到2014年，該系統(tǒng)的充電性能衰減了4.24%，放電性能衰減了2.6%。

2.2.4 電池單體電壓不一致性分析

該儲(chǔ)能系統(tǒng)采用7個(gè)電池柜并聯(lián)的方式，基于2012年和2014年的儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電壓數(shù)據(jù)，選取每個(gè)電池柜的最大最小電壓進(jìn)行電池單體電壓不一致性分析。2012年和2014年的電池單體電壓不一致性分析如圖5所示。

由圖5可知，2012年和2014年該儲(chǔ)能系統(tǒng)都是第3組單體電池電壓差最大，電壓差值分別為0.370，0.350 V；第5組單體電池電壓差最小，電壓差值分別為0.130，0.100 V?？傮w上來看，2012年的單體電池電壓差與2014年單體電池電壓差波動(dòng)曲線幾乎重合，經(jīng)過2年的運(yùn)行，該系統(tǒng)的單體電池電壓差變化較小。

2012年第3組電池的單體電壓值最大(3.130 V)；2014年也是第3組電池的單體電壓值最大(3.180 V)?？傮w 上來看，2012年單體電壓的最大值的波動(dòng)曲線與2014年單體電壓的最大值的波動(dòng)曲線形狀幾乎一致，并且2014年的單體電壓最大值均大于2012年的單體電壓最大值。2012年，第3組電池的單體電壓值最小(2.760 V)；2014年也是第3組電池的單體電壓值最小(2.830 V)?？傮w上來看，2012年時(shí)的單體電壓最小值和2014年時(shí)單體電壓最小值都具有一定的波動(dòng)。

圖3 2012年250 kW/1 (MW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電壓曲線

圖4 2014年250 kW/1 (MW·h)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電壓曲線

圖5 2012年和2014年250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電壓不一致性分析

2.2.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電深度統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自投運(yùn)以來的累計(jì)充電容量和放電容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表5所示。

表5 250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

Table 5 Statistical analysis of charging and discharging times of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system

由表5可知，自該系統(tǒng)投運(yùn)以來，累計(jì)充電-27 113.876 kW·h，相當(dāng)于100% DoD(depth of diacharge)充電27.11次；累計(jì)放電23 003.166 kW·h，相當(dāng)于100%DoD放電23次，充放電次數(shù)是造成該儲(chǔ)能系統(tǒng)容量衰減的主要原因。

3 結(jié) 論

(1)200 kW/200 (kW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不具備充放電均衡控制策略，造成了電池單體電壓不一致性變得更差，影響了系統(tǒng)的充放電性能，加速了系統(tǒng)的容量衰減。

(2)250 kW/1 (MW·h)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具備充放電均衡控制策略，通過對(duì)2年期間的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，電池單體電壓不一致性變化很小，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減影響較小。因此，通過電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電均衡控制策略等手段，可延緩鋰電池的容量衰減。

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(編輯 張小飛)

Impact of Cell Voltage Inconsistency on Capacity Attenuation of Lithium Battery Energy Storage System

GUO Guangchao1, LI Xiangjun2, ZHANG Liang1, WANG Liye1, JIA Xuecui2, ZHANG Dong3

(1.Sunwoda Energy Solution Co., Ltd., Shenzhen 518108, Guangdong Province, China; 2. Electrical Engineering and New Material Department, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3.Shool of Automation Engineering，Northeast Dianli University， Jilin 132012，Jilin Province, China)

Among the same specifications and the same type of battery, cell inconsistency refers to the difference of voltage, internal resistance, capacity, etc. Among them, the performance of voltage inconsistency is relatively intuitive, which is easy to be measured. In megawatt battery energy storage power station, the voltage level and capacity needs of the energy storage system are met by series-parallel groups. The number of batteries cell is up to tens of thousands. Due to the inconsistency of battery cell, the overall performance of the energy storage system will be affected. This paper carries out the capacity calibrated experiments for 200 kW/200 (kW·h) and 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage systems during different time periods. After long time running, this paper analyzes the influence of the voltage inconsistency of battery cell on the capacity attenuation of battery system. The results show that, the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 4.24% after 2 year running, the discharging performance is attenuated by 2.6%, and the voltage inconsistency of battery cell changes little, while the charging performance of 250 kW/1 (MW·h) lithium battery energy storage system is attenuated by 25.976%, the discharging performance is attenuated by 27.120%. The result shows that the lithium battery energy storage system with charging and discharging equalization control strategy can improve the voltage inconsistency change of battery cell. This energy storage system has run the equivalent of charging 27.11 times with 100% DoD (depth of diacharge), or discharging 23 times with 100% DoD. The number of charging and discharging is the main reason for the capacity attenuation of the energy storage system.

lithium battery energy storage system; capacity attenuation; cell voltage; inconsistency

中國(guó)電力科學(xué)研究院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(DG84-15-003);北京市科技新星計(jì)劃(Z141101001814094)

TM 912

A

1000-7229(2016)11-0023-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.004

2016-06-25

郭光朝(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槟芰看鎯?chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù);

李相俊(1979)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)、智能電網(wǎng);

張亮(1984)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)槟芰看鎯?chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù);

王立業(yè)(1987)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)槟芰看鎯?chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù);

賈學(xué)翠(1984)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槟芰看鎯?chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù);

張棟(1993)，男，碩士研究生，主要從事電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制研究工作。