鈉硫電池串并聯(lián)電池組性能影響因素分析

孫賢書，鮑劍明，方陳，雷珽，劉宇

（1.上海電氣鈉硫儲(chǔ)能技術(shù)有限公司，上海 201815；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的目的主要為削峰填谷、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、提高電能質(zhì)量、配合新能源接入、孤網(wǎng)運(yùn)行等。部分儲(chǔ)能系統(tǒng)按原理可以分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能[1-4]。由于鈉硫電池具有容量大、體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合電力儲(chǔ)能使用[5-6]。根據(jù)日本礙子株式會(huì)社官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，該公司生產(chǎn)的鈉硫電池在全球的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3 000 MW時(shí)。目前，上海電氣鈉硫儲(chǔ)能技術(shù)有限公司作為國內(nèi)首家開展鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的制造企業(yè)，其鈉硫電池單體制造技術(shù)已經(jīng)相對成熟，2014年在上海崇明建設(shè)并運(yùn)行1 MW·h鈉硫儲(chǔ)能示范電站。

雖然鈉硫電池的容量較大，但是一般需要串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成組后才能滿足鈉硫儲(chǔ)能系統(tǒng)對功率和能量的要求。鈉硫電池成組技術(shù)是鈉硫儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，鈉硫電池組性能影響因素包括：單體電池不一致性、初始性能差異、不同的串并聯(lián)組合方式、連接技術(shù)及連接端子腐蝕問題、運(yùn)行工況差異等[7]。

國內(nèi)對鈉硫電池成組技術(shù)研究較少。文獻(xiàn)[8]研究了鈉硫電池模塊單體電壓巡檢方法；文獻(xiàn)[9]研究了鈉硫儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接檢測及管理儲(chǔ)能系統(tǒng)的全過程，包括對鈉硫電池的單體電壓、總電壓、充放電電流、溫度和絕緣電阻等參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（SOC）的估算和與監(jiān)控PC通訊，實(shí)現(xiàn)溫控設(shè)備控制、故障診斷及相應(yīng)控制；文獻(xiàn)[10]對鈉硫電池模塊內(nèi)單體鈉硫電池的連接結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行了研究。這些研究主要涉及電池組管理系統(tǒng)、電池組參數(shù)采集和電池組連接技術(shù)，對單體電池不一致性、不同串并聯(lián)組合方式等影響電池組性能的關(guān)鍵因素沒有進(jìn)行研究，而本文主要研究單體電池不一致性以及不同串并聯(lián)成組方式對電池組性能的影響。

鈉硫電池單體不一致性的原因主要包括2個(gè)方面：首先制造過程中由于工藝和材質(zhì)很難做到完全一致，因此即使同一批次出廠的同一規(guī)格型號鈉硫電池單體的容量、內(nèi)阻等數(shù)值不可能完全一致；其次鈉硫電池組連接方式、單體電池?cái)?shù)量、電池組使用環(huán)境、電池組使用工況等差異使得單體電池的容量及內(nèi)阻等參數(shù)的不一致性進(jìn)一步擴(kuò)大。

鈉硫電池組內(nèi)單體電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)的不一致會(huì)使電池組中容量低的電池更容易過充電和過放電，從而加劇電池極化、進(jìn)一步擴(kuò)大容量差異，導(dǎo)致電池組容量衰減、輸出功率下降。并聯(lián)鈉硫電池組電池參數(shù)不一致性主要體現(xiàn)在并聯(lián)支路容量差異、并聯(lián)支路歐姆內(nèi)阻差異、并聯(lián)支路初始SOC差異。本文實(shí)驗(yàn)中選用的鈉硫電池單體容量均為390 A·h，且在成組前荷電狀態(tài)都已經(jīng)調(diào)整為100%SOC，因此本文不考慮并聯(lián)支路容量差異、并聯(lián)支路初始SOC差異對鈉硫電池組性能的影響。本文首先研究了并聯(lián)支路歐姆內(nèi)阻差異對鈉硫電池組性能的影響；其次研究了在單體電池內(nèi)阻、電池組使用環(huán)境、電池組使用工況等參數(shù)一致的情況下，鈉硫電池組不同串并聯(lián)方式對鈉硫電池組性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

選用24只390 A·h鈉硫電池單體，分為A、C、F三類，其中：A類電池內(nèi)阻在4.0～4.4 mΩ之間，共2只；C類電池內(nèi)阻為4.9～5.4 mΩ，共20只，F(xiàn)類電池內(nèi)阻為6.0～6.6 mΩ，共2只。如圖1所示，將2只A類電池串聯(lián)、2只C類電池串聯(lián)、2只F類電池串聯(lián)，之后再將A、C、F三組電池并聯(lián)組成2串3并鈉硫電池組（編號為1#）；其次，將6只C類電池通過串并聯(lián)也組合成2串3并鈉硫電池組（編號為2#）；最后，將12只C類電池通過串并聯(lián)組合成4串3并鈉硫電池組（編號為3#）。電池之間通過鈉硫電池專用鋁合金連接件進(jìn)行連接。

電池組性能測試設(shè)備采用寧波拜特測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BTS60100C2電池測試系統(tǒng)，并聯(lián)支路電流測量采用珠海市星暉電子科技有限公司生產(chǎn)LBH100A5VD2Y2R霍爾電流互感器，霍爾電流互感器輸出信號采用安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的34980A數(shù)據(jù)采集器記錄。

圖1 2串3并和4串3并電池組示意圖Fig.1 Battery pack with 2 batteries connected in series and 3 batteries connected in parallel;battery pack with 4 batteries connected in series and 3 batteries connected in parallel

2 結(jié)果與討論

2.1 并聯(lián)支路歐姆內(nèi)阻差異下的電流不平衡性

1#和2#的兩組2串3并鈉硫電池組用來分析串并聯(lián)成組方式一致時(shí)并聯(lián)支路電池歐姆內(nèi)阻差異下的并聯(lián)支路電流不平衡性。實(shí)驗(yàn)中，放電電流為-90 A，充電電流為60 A或30 A。

如圖2（a）所示，當(dāng)放電深度（DOD）為25.64%時(shí)，由于電池組1#中A支路電池內(nèi)阻小于C支路電池內(nèi)阻，且C支路電池內(nèi)阻小于F支路電池內(nèi)阻，導(dǎo)致放電及充電平臺(tái)期A支路電流大于C支路電流，C支路電流大于F支路電流；圖2（d）電池組2#中3個(gè)并聯(lián)支路電池均為C類電池，3個(gè)支路電池內(nèi)阻較為接近，因此放電及充電平臺(tái)期3個(gè)并聯(lián)支路的電流差異明顯小于電池組1#，此外，電池組2#的充電末端電流不平衡性也遠(yuǎn)小于電池組1#。造成這一結(jié)果的主要原因是平臺(tái)期的電流不平衡性主要取決于歐姆內(nèi)阻，充電末端的電流不平衡度取決于極化內(nèi)阻，在電池成組前篩選時(shí)需要考慮電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，這樣才能同時(shí)減小并聯(lián)支路在平臺(tái)期和充電末端的不均衡電流，姜君在大容量鋰離子電池并聯(lián)支路內(nèi)阻差異仿真與實(shí)驗(yàn)分析中也得到類似結(jié)論[11]。

隨著DOD從25.64%增加至51.28%以及100%（圖2（b）、（c）、（e）、（f）），并聯(lián)支路電池歐姆內(nèi)阻差異導(dǎo)致的電流不平衡性導(dǎo)致并聯(lián)支路電池的SOC累積差異越來越大，在100%DOD放電結(jié)束后，電池組1#中三個(gè)并聯(lián)支路之間的環(huán)流較大，而電池組2#中三個(gè)并聯(lián)支路之間的環(huán)流遠(yuǎn)小于電池組1#。雖然并聯(lián)支路之間的環(huán)流有自均衡作用，可以減小并聯(lián)支路之間的SOC累積差異，但是從圖2的數(shù)據(jù)可知放電結(jié)束電池組靜置3 h后并聯(lián)支路之間的環(huán)流仍然較大，即并聯(lián)支路之間仍在通過環(huán)流進(jìn)行自均衡，這說明通過并聯(lián)支路之間的環(huán)流進(jìn)行自均衡來消除SOC累積差異需要很長的時(shí)間。在實(shí)際工況條件下很難專門預(yù)留出一段時(shí)間用于電池的自均衡，因此通過并聯(lián)支路之間的環(huán)流來實(shí)現(xiàn)電池自均衡是不現(xiàn)實(shí)的，只能通過在電池組中增加均衡系統(tǒng)或通過嚴(yán)格電池篩選保證成組電池一致性來消除SOC累積差異。

圖2 放電深度分別為25.64%DOD、51.28 DOD%、100 DOD%時(shí)，并聯(lián)支路電池歐姆內(nèi)阻差異下的并聯(lián)支路電流不平衡情況和SOC累積差異Fig.2 The influence of the difference of the ohmic resistance on the current distribution and state of charge（SOC）of the battery unit in the module under different depths of discharge（DOD）of 25.64%，51.28%and 100%

2.2 鈉硫電池組不同串并聯(lián)方式對電池組性能的影響

2號的一組2串3并鈉硫電池組和3號的一組4串3并鈉硫電池組用來分析不同串并聯(lián)方式對電池組性能的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)，放電電流為-90 A，充電電流為60 A。

如圖3所示，鈉硫電池組2號和3號在放電及充電平臺(tái)期3個(gè)并聯(lián)支路電流差異都比較小，這主要是由于這2個(gè)鈉硫電池組都是由C類電池組成，因此三個(gè)并聯(lián)支路電池內(nèi)阻比較一致。但是隨著充放電循環(huán)次數(shù)增加，鈉硫電池組2號3個(gè)并聯(lián)支路的SOC累積差異開始逐漸增大，第3次充電結(jié)束時(shí)鈉硫電池組2號3個(gè)并聯(lián)支路的SOC累積差異已經(jīng)明顯大于鈉硫電池組3號3個(gè)并聯(lián)支路的SOC累積差異，造成這一結(jié)果的原因是電池組3號3個(gè)并聯(lián)支路電池內(nèi)阻差異小于電池組2號3個(gè)并聯(lián)支路電池內(nèi)阻差異，因?yàn)?串3并電池組每個(gè)支路電池?cái)?shù)量多于2串3并電池組每個(gè)支路電池?cái)?shù)量，4串3并電池組并聯(lián)支路電池內(nèi)阻更接近該批次電池內(nèi)阻平均值的整數(shù)倍。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，采用先串后并的成組連接方式時(shí)串聯(lián)電池?cái)?shù)量越多，并聯(lián)支路歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻等參數(shù)越接近該批次電池參數(shù)平均值的整數(shù)倍，從而可以顯著降低串并聯(lián)電池組中并聯(lián)支路電流不平衡性。

圖3 51.28 DOD%充放電循環(huán)并聯(lián)支路電流不平衡性和SOC累積差異Fig.3 The current unbalance and SOC accumulated difference of the charge/discharge circulating parallel branch at 51.28%DOD

3 結(jié)語

本文介紹了并聯(lián)支路歐姆內(nèi)阻差異和不同串并聯(lián)方式對鈉硫電池組性能的影響。研究表明，電池成組時(shí)選用歐姆內(nèi)阻一致的電池不僅能夠減小并聯(lián)支路在平臺(tái)期和充電末端的不平衡電流，同時(shí)還能夠減小并聯(lián)支路之間的SOC累積差異；此外，采用先串后并的連接方式時(shí)每個(gè)支路串聯(lián)的電池?cái)?shù)量越多，該并聯(lián)支路電池內(nèi)阻更接近該批次電池內(nèi)阻平均值的整數(shù)倍，從而顯著降低并聯(lián)支路電流不平衡性和SOC累積差異。

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