儲(chǔ)能電池組充放電電壓特性研究

龐凱歌 牛哲薈 董燕飛 劉曉芳 龐彩燕 朱可欣

摘 要：【目的】大容量集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由成百上千只電池單體串并聯(lián)而成，由于木桶效應(yīng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中任一電池單體出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量衰減，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)安全事故，及時(shí)甄別儲(chǔ)能系統(tǒng)中的故障電池尤為重要。【方法】本研究以電力儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池組為對(duì)象，研究全充全放及脈沖充放電過(guò)程中電池組動(dòng)態(tài)電壓特性，通過(guò)分析故障電池在全充全放及脈沖充放電過(guò)程中電壓變化特征，提出儲(chǔ)能電池組故障電池快速識(shí)別方法?！窘Y(jié)果】?jī)?chǔ)能電池組全充全放過(guò)程中，故障電池僅在放電末端電壓出現(xiàn)大幅下降，脈沖充放電過(guò)程中，故障電池電壓隨充放電功率的增大快速降低?！窘Y(jié)論】通過(guò)脈沖充放電方式，能夠快速識(shí)別并定位儲(chǔ)能電池組中的故障電池。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電池組；脈沖充放電；動(dòng)態(tài)電壓

中圖分類號(hào)：TM912 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0087-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.017

Study on Charging and Discharging Voltage Characteristics of Energy Storage Battery Cluster

PANG Kaige NIU Zhehui DONG Yanfei LIU Xiaofang PANG Caiyan ZHU Kexin

（Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： [Purposes] The large-capacity container-type lithium-ion battery energy storage system is usually composed of hundreds of battery cells in series and parallel. Due to the cask effect， the failure of any battery cell in the energy storage system will cause the system capacity to decay， and even cause safety accidents in serious cases. It is particularly important to timely identify the failed battery in the energy storage system. [Methods] Taking lithium iron phosphate battery pack for electric energy storage as the object， this study studied the dynamic voltage characteristics of battery pack in the process of full charge and full discharge， as well as pulse charge and discharge. Through analyzing the characteristics of voltage change of the faulty battery， a fast identification method of the faulty battery pack for energy storage was proposed. [Findings] In the process of full charge and full discharge of the energy storage battery pack， the voltage of the faulty battery only decreased significantly at the discharge end. In the process of pulse charge and discharge， the voltage of the faulty battery decreased rapidly with the increase of charge and discharge power. [Conclusions] Through pulse charging and discharging， it can quickly identify and locate the faulty battery in the energy storage battery pack.

Keywords： energy storage battery cluster; pulse charging and discharging; dynamic voltage

0 引言

鋰離子電池單體由于材料性能、制造工藝、生產(chǎn)批次等不同，其初始容量、電壓、內(nèi)阻和衰減特性等參數(shù)不可避免地會(huì)產(chǎn)生差異，在電池成組后這種差異會(huì)逐級(jí)影響電池組、電池簇、電池堆及儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電特性，進(jìn)而影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率和循環(huán)壽命，長(zhǎng)期運(yùn)行甚至?xí)l(fā)安全事故［1-2］。特別是大容量集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)，其電池單體串并聯(lián)數(shù)量較多，工作環(huán)境復(fù)雜，電池單體的不一致性會(huì)逐級(jí)放大，導(dǎo)致儲(chǔ)能電池組的不一致性問(wèn)題更加突出，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電容量、效率、循環(huán)壽命和運(yùn)行安全性的影響也更加嚴(yán)重。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)鋰離子電池組的不一致性問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作，其中均衡技術(shù)，包括主動(dòng)均衡、被動(dòng)均衡和主被動(dòng)一體均衡技術(shù)在一定程度上能夠緩解電池組的不一致性造成的影響。均衡技術(shù)雖然在以電池串、電池模組為單位的尺度內(nèi)效果顯著，但是在以電池簇、電池堆及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的尺度上卻稍顯乏力［3-4］。如何在電池成組初期快速有效地檢測(cè)出儲(chǔ)能系統(tǒng)中的短板電池，保證電池組、電池簇、電池堆、儲(chǔ)能系統(tǒng)的一致性，以保障大規(guī)模電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，是本研究的主要研究方向。

本研究以磷酸鐵鋰電池組為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了全充全放及脈沖充放電方式，分析研究了儲(chǔ)能電池組在不同充放電階段單體電壓的分布特性，以驗(yàn)證脈沖充放電快速有效定位故障電池的可行性，為大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)用電池組成組初期及運(yùn)行過(guò)程中的不一致性檢測(cè)提供可借鑒的方式。

1 儲(chǔ)能電池成組設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的儲(chǔ)能電池組，由電池單體串并聯(lián)成電池模塊，再由電池模塊串聯(lián)而成。其中電池模塊由24只電池單體（江西產(chǎn)，額定容量155 Ah，額定電壓3.2 V）組成，成組方式為2并12串，其額定電壓為38.4 V，額定容量為310 Ah；儲(chǔ)能電池組由18個(gè)電池模塊串聯(lián)而成，包含電池單體數(shù)量432只，其額定電壓為691.2 V，額定容量為310 Ah，額定功率為107 kW。儲(chǔ)能電池成組設(shè)計(jì)時(shí)，某一電池單體存在電壓短板問(wèn)題。

儲(chǔ)能電池組各電池模塊內(nèi)部電池單體串并聯(lián)方式及電壓采集點(diǎn)布置如圖1所示，每個(gè)電池模塊設(shè)計(jì)12組電池單體電壓采集點(diǎn)，電池模塊前端安裝的電池管理系統(tǒng)從控單元完成電壓采集；儲(chǔ)能電池組共計(jì)采集216組電池單體電壓。

2 測(cè)試平臺(tái)搭建

2.1 充放電測(cè)試平臺(tái)

儲(chǔ)能電池組充放電測(cè)試平臺(tái)原理如圖2所示，主要由充放電測(cè)試儀（北京大華品耐科技有限公司，型號(hào)PSC900-300）、24 V電源模塊、保護(hù)單元、控制單元、電壓檢測(cè)單元（電池管理系統(tǒng)從控單元）及動(dòng)力和通信線纜等組成，充放電測(cè)試儀、保護(hù)單元與動(dòng)力線纜組成儲(chǔ)能電池組測(cè)試平臺(tái)的主回路，24 V電源、控制單元、電壓檢測(cè)單元組成儲(chǔ)能電池組測(cè)試平臺(tái)的檢測(cè)及控制回路。

2.2 測(cè)試方案

2.2.1 全充全放測(cè)試。

第一步：按照GB/T 36276電力儲(chǔ)能用鋰離子電池充放電測(cè)試方法，對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行初始化放電，隨后以額定功率進(jìn)行充電，充電截止條件為任一單體電池電壓達(dá)到3.65 V，或儲(chǔ)能電池組SOC達(dá)到100%；提取儲(chǔ)能電池組在充電末端216組電池單體的電壓值。

第二步：儲(chǔ)能電池組以額定功率進(jìn)行放電，放電截止條件為任一單體電池電壓達(dá)到2.80 V，或儲(chǔ)能電池組SOC達(dá)到0%；提取儲(chǔ)能電池組在放電末端216組電池單體的電壓值。

2.2.2 脈沖充放電測(cè)試。

第一步：按照GB/T 36276電力儲(chǔ)能用鋰離子電池充放電測(cè)試方法，對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行初始化放電，隨后將儲(chǔ)能電池組電量充至40%荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）。

第二步：對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行脈沖充放電，脈沖充放電曲線如圖3所示，充放電功率依次為±10 kW、

±20 kW、±40 kW、±80 kW，充放電轉(zhuǎn)換間隔時(shí)間為60 s；提取儲(chǔ)能電池組在充電和放電過(guò)程中某一時(shí)刻216組電池單體的電壓值。

3 結(jié)果與討論

3.1 儲(chǔ)能電池組全充全放電壓特性

儲(chǔ)能電池組全充全放過(guò)程中，50% SOC狀態(tài)下及充電和放電末端電池單體電壓分布如圖4所示。50% SOC狀態(tài)下，電池單體電壓最大值為3.38 V，最小值為3.36 V，最大電壓差為0.02 V；充電末端，電池單體電壓最大值為3.65 V，最小值為3.52 V，最大電壓差0.13 V；放電末端，電池單體電壓最大值為3.08 V，最小值為2.80 V，最大電壓差為0.28 V，其中最小單體電壓對(duì)應(yīng)的電池編號(hào)為158，即為故障電池。

儲(chǔ)能電池組全充全放過(guò)程中，編號(hào)為158的電池單體與任一正常電池單體（如編號(hào)160）的電壓變化曲線如圖5所示。結(jié)果顯示，在充放電過(guò)程中，158號(hào)電池單體與正常電池單體電壓曲線基本一致，僅在充電末端和放電末端出現(xiàn)較大幅度的變化?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能電池組中存在故障電池時(shí)，只有將電池組充電至滿電或放電至末端才能準(zhǔn)確判斷及定位故障電池單體，該方法測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)效率低，且會(huì)造成較大的能量浪費(fèi)。

3.2 儲(chǔ)能電池組脈沖充放電電壓特性

儲(chǔ)能電池組脈沖充電過(guò)程中，電池單體電壓分布及脈沖功率變化曲線如圖6所示，脈沖放電過(guò)程中，電池單體電壓分布及隨脈沖功率變化的曲線如圖7所示。其中電壓最低的電池單體對(duì)應(yīng)的編號(hào)為158。

儲(chǔ)能電池組脈沖充放電下電池單體電壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，隨著脈沖充電功率從10 kW增大到80 kW，編號(hào)為158的電池單體電壓隨之增大，單體電池最大電壓差由0.01 V增大到0.06 V；隨著脈沖放電功率從10 kW增大到80 kW，編號(hào)為158的電池單體電壓隨之減小，單體電池最大電壓差由0.02 V增大到0.05 V。由此可以判斷，編號(hào)為158的電池單體存在故障，在儲(chǔ)能電池組充電末端會(huì)先達(dá)到充電截止電壓3.65 V，放電末端會(huì)先達(dá)到放電截止電壓2.80 V，從而導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能電池組停止充放電，降低儲(chǔ)能電池組可用容量。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)分析全充全放和脈沖充放電過(guò)程中儲(chǔ)能電池組單體電壓特性，提出儲(chǔ)能電池組故障單體電池識(shí)別及定位方法。全充全放過(guò)程中，儲(chǔ)能電池組在50% SOC、充電末端、放電末端的最大電壓差分別為0.02 V、0.13 V、0.28 V，故障電池單體在放電末端大幅下降，該方法可以作為儲(chǔ)能電池組故障電池識(shí)別方法，但效率低、能耗大。脈沖充放電過(guò)程中，儲(chǔ)能電池組故障電池單體電壓隨充放電功率的增大出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明該方法可以快速準(zhǔn)確識(shí)別故障電池，可為大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)用電池組成組初期及運(yùn)行過(guò)程中的不一致性檢測(cè)提供高效、低成本的解決方案。

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