集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組技術(shù)研究

白亞平 牛哲薈 趙佩宏 陳晨 羅軍

摘 要：以額定容量500 kW·h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，本文闡述了儲(chǔ)能系統(tǒng)用鋰電池選型依據(jù)，對(duì)比了40 Ah和155 Ah兩種不同容量磷酸鐵鋰電池組、串、陣列電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組設(shè)計(jì)中，大容量鋰電池具有空間占比和質(zhì)量占比小、電池管理成本低、可靠性高等顯著的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能系統(tǒng);磷酸鐵鋰電池;成組設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0036-04

Abstract： Taking a containerized energy storage system with a rated capacity of 500 kW·h as an example， this paper described the basis for selecting lithium batteries for the energy storage system， and compared the electrical design and structural design schemes of two different capacity lithium iron phosphate batteries with 40 Ah and 155 Ah in groups， strings， and arrays. In the battery pack design of the containerized energy storage system， large-capacity lithium batteries have significant advantages such as small space and quality， low battery management costs， and high reliability.

Keywords： energy storage system;lithium iron phosphate battery;group technology

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)將電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、交直流轉(zhuǎn)換裝置及監(jiān)控系統(tǒng)等集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有集成度高、存儲(chǔ)容量大、可靠性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)系統(tǒng)、工業(yè)園區(qū)供電、移動(dòng)應(yīng)急供電等方面具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。大容量集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)往往需要由成千上萬(wàn)只電池單體串并聯(lián)起來(lái)達(dá)到一定的電壓和容量，由于電池單體串并聯(lián)數(shù)量多，鋰離子電池單體初始容量、電壓、內(nèi)阻和衰減特性等參數(shù)存在差異性，成組使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象，影響電池組的使用效率和壽命，甚至引發(fā)安全事故。因此，大容量集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組設(shè)計(jì)極為重要。

本文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電池進(jìn)行選型設(shè)計(jì)分析，并以500 kW·h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組設(shè)計(jì)為例，對(duì)比分析了不同容量鋰電池成組設(shè)計(jì)方案，并采用大容量磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了500 kW·h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池成組設(shè)計(jì)。

1 儲(chǔ)能電池選型設(shè)計(jì)

目前，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池有磷酸鐵鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池等，其中在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用較多的鋰離子電池主要有磷酸鐵鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池，三種鋰離子電池性能參數(shù)如表1所示。鈦酸鋰電池具有安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、倍率高等優(yōu)點(diǎn)，但較高的成本限制了其廣泛應(yīng)用。鎳鈷錳酸鋰電池的能量密度和功率密度均較高，在車用動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用較多，近年來(lái)，其在調(diào)頻輔助服務(wù)等功率型應(yīng)用領(lǐng)域中的項(xiàng)目也比較多，但其安全性有待提升。磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、倍率性能好、安全性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)最熱門的電池技術(shù)之一，也是儲(chǔ)能領(lǐng)域中應(yīng)用最多的鋰電技術(shù)[3]。

根據(jù)封裝形式，鋰離子電池可以分為圓柱、方形和軟包三種。圓柱電池采用非常成熟的卷繞工藝，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，成本相對(duì)較低;但圓柱電池容量較小，對(duì)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)而言所需的電芯數(shù)量極多，不便于管理，因此，在大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中較少采用。軟包電池具有能量密度高、內(nèi)阻小、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于動(dòng)力電池，但其價(jià)格偏高，一致性差，安全性能也有待提升，難以在儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。方形電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可定制化，且強(qiáng)度高、忍受機(jī)械荷載能力好，安全性極好，也有一定的成本優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此，本文選用方形磷酸鐵鋰電池作為500 kW·h大容量集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備。

2 儲(chǔ)能電池成組設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了500 kW·h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)，其電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由電池單體串并聯(lián)為電池模塊、電池模塊串聯(lián)成電池簇、電池簇并聯(lián)而成。電池系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)力線纜連接至能量變換裝置，通過(guò)能量變換裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的充放電，并通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)信息采集、監(jiān)視、控制及運(yùn)行管理等。

2.1 電池單體

電池單體容量對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度、電池組一致性、電池系統(tǒng)運(yùn)行管理等均存在較大的影響。以容量40 Ah磷酸鐵鋰電池（天津產(chǎn)）和155 Ah磷酸鐵鋰電池（江蘇產(chǎn)）為例進(jìn)行對(duì)比分析，其中40 Ah磷酸鐵鋰電池單體額定電壓為3.2 V，額定充放電功率為64 W，額定能量為128 W·h;155 Ah磷酸鐵鋰電池單體額定電壓為3.2 V，額定充放電功率為248 W，額定能量為496 W·h。表2為兩種容量磷酸鐵鋰電池單體基本參數(shù)。

表3為500 kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)電池系統(tǒng)配置參數(shù)。電池單體容量為40 Ah時(shí)，電池系統(tǒng)所需的電池單體數(shù)量為4 320只，電池系統(tǒng)總體積為2.31 m3，總質(zhì)量為4 536.0 kg;電池單體容量為155 Ah時(shí)，電池系統(tǒng)所需的電池單體數(shù)量為1 080只，電池系統(tǒng)總體積為1.56 m3，總質(zhì)量為3 304.8 kg。由此可見(jiàn)，對(duì)于配置容量相同的儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，155 Ah電池單體所占的體積和質(zhì)量分別為40 Ah電池單體的67.5%和72.9%，可以大幅減小電池系統(tǒng)占用空間和質(zhì)量。

2.2 電池模塊

儲(chǔ)能電池模塊的成組方式主要有三種，即直接串聯(lián)、先串后并、先并后串，不同的連接方式會(huì)對(duì)電池組的可靠性、安全性以及不一致性產(chǎn)生不同影響[4]。其中，直接串聯(lián)方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便安裝及管理，但需要采用較大容量的單體電池，且單一電池的損壞將直接影響系統(tǒng)正常使用;先串后并方式有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，但需要對(duì)每一塊電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不利于電池組的均衡管理，對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，會(huì)極大增加電池管理成本;先并后串方式是目前儲(chǔ)能系統(tǒng)用電池模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的成組方式。

本文中，電池模塊采用先并后串的成組方式，40 Ah和155 Ah兩種不同容量電池的成組設(shè)計(jì)分別如圖2（a）和圖2（b）所示。40 Ah電池模塊成組方式為8并12串，包含96個(gè)電池單體，模塊電壓為38.4 V，容量為12.3 kW·h。155 Ah電池模塊成組方式為2并12串，包含24個(gè)電池單體，模塊電壓為38.4 V，容量為11.9 kW·h?？梢?jiàn)，電池單體容量越小，所并聯(lián)的電池?cái)?shù)量越多，一方面會(huì)提高電池組的失效率，另一方面更容易發(fā)生并聯(lián)電池組內(nèi)的環(huán)流，導(dǎo)致電池組不一致性增大。

綜合考慮，選擇155 Ah電池單體進(jìn)行500 kW·h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池模塊成組設(shè)計(jì)，電池單體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4為電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池模塊設(shè)計(jì)主要考慮電池單體電連接設(shè)計(jì)、電壓采集設(shè)計(jì)和溫度采集設(shè)計(jì)等。其中，電池單體間采用銅排連接，電壓采集根據(jù)串聯(lián)電池?cái)?shù)量設(shè)計(jì)12組采集點(diǎn)，溫度采集設(shè)計(jì)6組熱電偶，其分布在電池模塊的不同位置。

2.3 電池簇和電池系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)電池簇通常由多個(gè)電池模塊串聯(lián)而成。本文設(shè)計(jì)的電池簇電氣結(jié)構(gòu)如圖5所示，電池簇包含15套電池模塊串聯(lián)，額定電壓為576 V，容量為178 kW·h。第1組電池模塊正極與高壓箱正極連接，負(fù)極與第2組電池模塊正極連接，依次連接至第15組電池模塊，第15組電池模塊負(fù)極與高壓箱負(fù)極連接，構(gòu)成完整回路。

儲(chǔ)能系統(tǒng)電池簇結(jié)構(gòu)如圖6所示，每個(gè)電池簇均由2列電池柜組成，每個(gè)電池柜有8層，電池模塊通過(guò)螺栓固定在電池柜上，且每個(gè)電池模塊外殼均與電池架可靠接地。電池模塊之間采用航空插頭插接的連接方式，拆裝方便快捷。

電池系統(tǒng)由3組電池簇組成，電池簇通過(guò)動(dòng)力電纜并聯(lián)接入能量變換裝置，電池系統(tǒng)額定電壓為576 V，系統(tǒng)配置總?cè)萘繛?35 kW·h，額定容量為500 kW·h。將電池系統(tǒng)安裝固定在集裝箱（長(zhǎng)5 898 mm×寬2 352 mm×高2 393 mm）內(nèi)，通過(guò)動(dòng)力線纜將電池系統(tǒng)正負(fù)極分別與儲(chǔ)能變流裝置正負(fù)極連接，即可組成完整的電池系統(tǒng)。

3 結(jié)論

方形磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用中具有其他鋰離子電池不可比擬的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都將在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。大容量鋰離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)中具有體積和質(zhì)量占比小、一致性好、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，將是未來(lái)大容量集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池成組應(yīng)用趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]游峰，錢艷婷，梁嘉，等.MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[J].電源技術(shù)，2017（11）：1657-1659.

[2]房凱，孫威，徐少華，等.箱式一體化儲(chǔ)能系統(tǒng)研究概述[J].電器與能效管理技術(shù)，2017（7）：69-72.

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[4]黃凱.鋰離子電池成組應(yīng)用技術(shù)及性能狀態(tài)參數(shù)估計(jì)策略研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2015.