羅 軍，田剛領(lǐng)，趙佩宏，陳 晨

(平高集團(tuán)儲能科技有限公司，天津 300000)

鋰電池儲能具有功率和能量配置靈活、響應(yīng)速度快、不受地理資源等外部環(huán)境限制等特點，在配合集中或分布式新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)運(yùn)行輔助等方面具有不可替代的地位[1-3]。隨著鋰電池成本顯著下降，儲能裝機(jī)規(guī)模日益擴(kuò)大，儲能系統(tǒng)不僅應(yīng)滿足技術(shù)性能要求，也應(yīng)滿足越來越高的運(yùn)行安全性要求[4-5]。電池組的不一致性是影響儲能系統(tǒng)可用容量、循環(huán)壽命和安全性能的重要因素，針對電池組不一致性的成因及其對電池組使用性能的影響問題，目前已有較多研究。

張劍波等[6]分別以單體內(nèi)阻、電壓、容量中某一參數(shù)為一致性表征指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出同時考慮容量、電壓和內(nèi)阻等多個因素作為一致性表征指標(biāo)的方法。王帥等[7]基于電池單體模型，提出了基于變換矩陣的模組一致性影響因素在放電電壓曲線簇上的表征方法，并通過仿真和試驗研究了初始容量、庫侖效率、內(nèi)阻等影響因素在放電電壓曲線上表征的特點。靳文濤等[8]研究了規(guī)?；瘍δ茈娬倦姵仉妷?、溫度等一致性的統(tǒng)計特性，為儲能電站健康狀態(tài)評估提供了數(shù)據(jù)支撐。上述研究，重點還是聚焦在如何用儲能系統(tǒng)單體電池諸多參數(shù)來表征一致性，針對集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)級的不一致性少有研究。

本文完成了500 kWh 集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)設(shè)計及制造，測試了儲能系統(tǒng)靜態(tài)下電壓、內(nèi)阻，測試了充放電過程中電流、電壓和溫度，獲得的數(shù)據(jù)為集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)電池組一致性評價提供了參考依據(jù)。

1 集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)設(shè)計

集裝箱箱體采用標(biāo)準(zhǔn)20尺集裝箱，外形尺寸(mm)：5 898×2 352×2 390。集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。整個箱體被防火隔板分成電池室和電氣室。電池室內(nèi)布置電池系統(tǒng)1 套、電池管理系統(tǒng)1 套、控制柜1 臺、熱管理系統(tǒng)1 套以及消防系統(tǒng)1 套；電氣室內(nèi)布置儲能變流器1 臺、電氣柜1 臺以及交直流充電樁各1 臺。

圖1 集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電池系統(tǒng)

電池室內(nèi)的電池系統(tǒng)由數(shù)個電池簇并聯(lián)而成，電池簇由數(shù)個電池模塊串聯(lián)組成，電池模塊由多個單體串并聯(lián)組成。

電池單體選用江蘇產(chǎn)155 Ah 方形鋁殼磷酸鐵鋰電池，為保證電池組一致性，電池單體分選時以容量為基準(zhǔn)，容量分了3 檔，各檔容量范圍如下：

155 Ah≤A1≤156.5 Ah；156.5 Ah＜A2≤158 Ah；158 Ah＜A3≤159.5 Ah。

同時保證電池單體內(nèi)阻小于0.35 mΩ，開路電壓(3 140±20)mV。

電池成組時，保證同一電池簇內(nèi)所有電池采用同一等級電池單體。

電池模塊由箱體、電池單體、連接件、線束、風(fēng)扇等組成。電池模塊內(nèi)單體采用2 并12 串方式成組。額定能量12 kWh，額定電壓38.4 V。

電池簇由電池柜、電池模塊及高壓箱組成，電池簇見圖2。簇的額定能量為168 kWh，額定電壓為537.6 V。電池模塊數(shù)量為14 個。模塊間采用航空插頭串聯(lián)，高壓箱安在電池柜頂部。高壓箱內(nèi)置電池管理系統(tǒng)主控電路板、電壓電流采樣電路板、熔斷器等。

圖2 電池簇

電池系統(tǒng)由3 簇電池簇并聯(lián)而成，額定能量504 kWh，額定電壓537.6 V。電池簇通過動力電纜連接至儲能變流器直流側(cè)母排，電氣設(shè)計如圖3 所示。

1.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、充放電管理控制和保護(hù)等。本文電池管理系統(tǒng)采用三級架構(gòu)，電池管理系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。電池管理系統(tǒng)的從控單元(Battery Management Unit，BMU)實現(xiàn)對電池單體電壓、溫度的采集及電量均衡；電池管理系統(tǒng)的主控單元(Battery Cluster Management Unit，BCMU)負(fù)責(zé)電池簇的電壓、電流檢測以及剩余電量估計、故障診斷、安全控制等；電池管理系統(tǒng)的總控單元(Battery Association Management System，BAMS)實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的全面控制與保護(hù)，并完成與儲能變流器、能量管理系統(tǒng)的信息交互。

圖4 電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 儲能變流器

儲能變流器作為儲能電池和電網(wǎng)的接口，主要實現(xiàn)儲能電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，也是儲能系統(tǒng)的重要組成部分。本文儲能變流器采用盛弘電氣模塊化產(chǎn)品(PWS1-250KTL)，儲能變流器額定功率250 kW，直流側(cè)額定電壓760 V，交流側(cè)額定電壓380 V。儲能變流器既可以并網(wǎng)運(yùn)行，作為電池的充放電轉(zhuǎn)換設(shè)備，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，作為供電電源，滿足負(fù)荷的用電需求。儲能變流器能夠精確快速地調(diào)節(jié)輸出電壓、頻率、有功和無功功率，并實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的過欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

1.4 消防系統(tǒng)

七氟丙烷具有清潔、低毒、電絕緣性好、滅火效率高等特點，是儲能系統(tǒng)常用的滅火介質(zhì)。消防系統(tǒng)包括柜式七氟丙烷滅火系統(tǒng)、煙感、溫感、聲光報警器、緊急啟停按鈕等，其工作原理如下：溫感和煙感探測到火情后，將信號反饋至火災(zāi)報警控制器，火災(zāi)報警控制器控制聲光報警器發(fā)出報警，同時將信號傳遞給氣體滅火控制盤，由氣體滅火控制盤向七氟丙烷滅火系統(tǒng)電磁驅(qū)動裝置發(fā)出啟動信號，開啟電磁閥，七氟丙烷滅火介質(zhì)通過噴嘴釋放到電池室，達(dá)到滅火目的。

1.5 熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)可以保證儲能電池工作在最適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。熱管理系統(tǒng)采用風(fēng)冷散熱形式，主要由空調(diào)和風(fēng)道組成，空調(diào)可根據(jù)儲能系統(tǒng)內(nèi)部不同溫度條件開啟制熱模式或制冷模式，制熱模式實現(xiàn)對電池單體的低溫保護(hù)，制冷模式實現(xiàn)對電池單體溫升的有效控制。熱管理系統(tǒng)工作時，空調(diào)出風(fēng)口與風(fēng)道連接，通過風(fēng)道送風(fēng)至電池模塊背面，流經(jīng)電池單體表面后由電池模塊前端面板上的散熱風(fēng)扇抽出，從而達(dá)到對電池單體的加熱或散熱目的。

2 測試方法

2.1 靜態(tài)測試

儲能系統(tǒng)靜置狀態(tài)下電池單體、電池模塊、電池簇的電壓和內(nèi)阻等參數(shù)可以一定程度反映出電池組的一致性和連接可靠性。儲能系統(tǒng)靜置狀態(tài)下，利用電池管理系統(tǒng)采集儲能系統(tǒng)各電池單體電壓，采用萬用表(FLUKE 8846A)測試各電池模塊和電池簇電壓、內(nèi)阻。通過儲能系統(tǒng)靜態(tài)下物理量測試，表征儲能系統(tǒng)電池成組特性。

2.2 充放電性能測試

對儲能系統(tǒng)進(jìn)行恒功率250 kW 充放電，電池單體電壓范圍2.8～3.65 V，電池模塊電壓范圍39.2～51.1 V。通過電池管理系統(tǒng)采集儲能系統(tǒng)充電和放電過程中總電流及簇電流、總電壓及簇電壓、單體電壓、總能量及簇能量以及溫度等物理量。通過儲能系統(tǒng)充放電測試，表征儲能系統(tǒng)充放電特性。

3 結(jié)果及分析

3.1 儲能系統(tǒng)靜態(tài)特性

(1)電池單體電壓分布

儲能系統(tǒng)電池單體靜態(tài)電壓分布如圖5 所示，最大電池單體電壓3 337 mV，最小電池單體電壓3 329 mV，電池單體壓差8 mV，電池單體初始一致性良好。

圖5 電池單體靜態(tài)電壓分布

(2)電池模塊電壓和內(nèi)阻

儲能系統(tǒng)電池模塊靜態(tài)電壓分布見圖6。電池模塊最低電壓39.95 V，最高電壓40.05 V，電壓均值40.01 V，標(biāo)準(zhǔn)偏差21 mV，極差93 mV，電壓一致性較好。

圖6 電池模塊靜態(tài)電壓分布

電池模塊內(nèi)阻測試數(shù)據(jù)見圖7。電池模塊最大內(nèi)阻3.04 mΩ，最小內(nèi)阻2.63 mΩ，內(nèi)阻均值2.78 mΩ，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.10 mΩ，極差0.41 mΩ，內(nèi)阻一致性較好，滿足成組要求。

圖7 電池模塊靜態(tài)內(nèi)阻分布

3.2 儲能系統(tǒng)充放電特性

(1)電流分析

圖8 為儲能系統(tǒng)各電池簇電流及電池簇與電池簇之間電流最大差值曲線，充電時電流先小幅減小，后逐漸趨于平衡；放電時電流先小幅增大，后逐漸趨于平衡。充電初始階段和末端簇間電流差較大，分別為4.1 和6.8 A；放電初始階段和末端簇間電流差較大，分別為4.2 和4.8 A。電池簇在充放電中間階段具有較小的電流差。

圖8 電池簇充放電電流

(2)電壓分析

圖9 為儲能系統(tǒng)各電池簇電壓及電池簇與電池簇之間電壓最大差值曲線，與電池單體充電電壓曲線相似，充電初始階段電壓快速上升，隨后進(jìn)入充電電壓平臺區(qū)，充電末端電壓快速增大；放電初始階段電壓快速下降，隨后進(jìn)入放電電壓平臺區(qū)，放電末端電壓快速減小。充電過程中，簇間電壓最大壓差在2.2～2.7 V 之間，放電過程中，簇間電壓差在2.3～3.0 V 之間。

圖9 電池簇充放電電壓

儲能系統(tǒng)電池單體SOC在100%、50% 和零荷電狀態(tài)下的電壓分布如圖10。總體來看，在充放電起始階段和結(jié)束階段電池單體電壓差較大，且放電末端壓差最大，一致性最差。充放電平臺區(qū)電池單體電壓均表現(xiàn)出良好的一致性。

圖10 電池單體電壓分布

電池單體在三個荷電狀態(tài)下的電壓統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。充電階段，充電末端SOC為100% 時電池單體電壓極差最大，為213 mV；放電階段，放電末端SOC為0 時電池單體電壓極差最大，為273 mV。

表1 電池單體電壓統(tǒng)計結(jié)果

(3)溫度分析

圖11 為儲能系統(tǒng)充放電過程中系統(tǒng)內(nèi)電池最高、最低溫度及溫差變化。充電過程中，電池初始最高溫度為15.5 ℃，充電結(jié)束后電池溫度為30.5 ℃，電池溫升15.0 ℃；電池初始最低溫度為12.0 ℃，充電結(jié)束后電池溫度為26.0 ℃，電池溫升14.0 ℃；電池最大溫差為5.0 ℃。放電過程中，電池初始最高溫度為16.0 ℃，放電結(jié)束后電池溫度為29.0 ℃，電池溫升13.0 ℃；電池初始最低溫度為12.0 ℃，放電結(jié)束后電池溫度為25.0 ℃，電池溫升13.0 ℃；電池最大溫差為4.0 ℃。儲能系統(tǒng)充放電過程中表現(xiàn)出較好的溫度一致性。

圖11 儲能系統(tǒng)充放電溫度曲線

4 結(jié)論

對500 kWh 集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及成套，對儲能系統(tǒng)靜態(tài)性能和充放電性能做測試評估。

(1)儲能系統(tǒng)靜態(tài)下，電池單體最大壓差8 mV；電池模塊最大電壓差93 mV，電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差21 mV，最大內(nèi)阻差0.41 mΩ，內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)偏差0.10 mΩ；電池簇間最大電壓差150 mV，最大內(nèi)阻差值17.63 mΩ，儲能系統(tǒng)電池組一致性較為優(yōu)異。

(2)儲能系統(tǒng)充放電過程中，充電末端電池單體SOC為100%時電壓極差最大為213 mV，在放電末端SOC為0 時電壓極差最大為273 mV；充放電末端簇間電流和電壓差最大，最大電流差為6.8 A，最大電壓差為3.0 V，電流和電壓差均在合理范圍內(nèi)，可以保證儲能系統(tǒng)正常運(yùn)行。儲能系統(tǒng)充電或放電結(jié)束后，電池最大溫升15.0 ℃，最大溫差5.0 ℃，可以保證電池在最佳溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。